一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法

本发明涉及负压电弧焊接技术和负压电弧增材制造，更具体地说，本发明涉及一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法。

背景技术：

1、负压电弧是指在常规水平标准位置，电弧压力为负压状态，在电弧中形成中心到周围压力递增的反向压力梯度，使电弧温度分布在中心区域均匀迅速下降，从而增强电弧的工艺特性，改善传统正压电弧的物理属性及其能量分布，有效规正压电弧的不利影响，提高增材制造效率、成形精度和质量。负压电弧焊接是指在水平焊接位置，这也是电弧增材制造常用标准位置，相对于焊接熔池而言，焊接电弧压力为负值，即电弧负压力(吸引力)，电弧具有吸引(吸附)作用，称之为负压电弧，为区别于常规正压电弧焊接，故将其新定义为负压电弧焊接。负压电弧焊接由外加纵向磁场控制电弧焊接方式产生，故定义其为磁控负压电弧焊接，以示区别于常规磁控正压电弧焊接。显而易见，负压电弧焊接与空心钨极“微负压”电弧焊接有着本质区别，因为空心钨极“微负压”电弧焊接的“电弧整体压力依然为正值、只是局部区域比常规电弧压力低”，依然具有正压电弧特征，不是全域负压特征，完全属于正压电弧焊接科学技术范畴，不属于真正意义上的负压电弧焊接和负压电弧增材制造技术体系。与常规实心钨极电弧相比，空心钨极电弧压力降低，空心钨极电弧能量分布和热力输出均发生改变，随着局部压力降低而减少，空心钨极电弧特性与调控具有了灵活性，具有将空心钨极应用于同轴送丝电弧焊接、电弧-激光复合焊接、表面堆焊以及电弧增材制造领域发展潜力。空心钨极内孔处于“微负压”状态降低了电弧区域的压力值，具有了异于常规电弧的特性，但是，空心钨极焊接电弧依然是正压力焊接电弧，只是电弧压力比常规电弧低，并未产生电弧负压力，依然表现为正压电弧焊接作用机制。采用磁场控制方法，可以很方便地促使gtaw焊接电弧形成从正压力到负压力、正压力梯度到负压力梯度的多种电弧特性，能够实现电弧增材制造(或者焊接)技术的灵活调控，目前外场技术为负压电弧焊接技术提供了多样化的控制手段和技术借鉴，能够创新构建磁控空心钨极全域负压电弧焊接技术和磁控空心钨极全域负压电弧增材制造技术。

2、通过实验观察、数值模拟和理论分析等手段，可以揭示负压电弧的形成机理、电离过程和能量传输特性，为优化和应用负压电弧焊接和增材制造提供了科学依据。对于负压电弧的设计方法采用实验方式、测量其规律、设计其特性的流程十分复杂和不理想，因此，采用数值模拟辅助设计的方式进行负压电弧设计，但目前为止，未有经济、有效、可靠的磁控空心钨极全域负压电弧设计方法，以推动负压电弧焊接技术和负压电弧增材制造技术的发展和工程应用。

3、鉴于此，本发明提出一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、步骤1:计算空心钨极电弧形态；所述步骤1包括以下步骤：

4、(1)建立负压电弧下的质量守恒方程和动量守恒方程确定电弧等离子体的速度和压力分布：

5、

6、式中，ρ为密度；v为速度矢量；p为压力；μ为粘度；i为单位矩阵；f为动量源项；

7、根据能量守恒方程求解电弧温度t：

8、

9、式中，k为热传导系数；t为温度；cp为比热容；q为能量守恒方程源项；

10、根据电流连续性方程和欧姆定律计算电势和磁矢势分布：

11、

12、式中，v为电势，a为磁矢势，σ为电导率；

13、根据v和a求得电流密度j和磁感应强度b：

14、

15、电弧能量源项由焦耳热、电子焓传递和电弧辐射损失三个部分组成：

16、

17、式中kb是玻尔兹曼常数；e是电子电荷；t为电弧形态的温度场；q是热量源项；qrad为电弧辐射损失；

18、根据电弧自感应磁场强度b、电流密度j以及动量守恒方程，求解动量守恒方程中的动量源项：

19、f＝j×b

20、(2)定义空心钨极电弧初始工艺参数，材料热物性参数，边界条件；

21、(3)根据电弧形态的温度场t、压力p、速度v和电流密度j获得空心钨极电弧物理特征；

22、步骤2：计算外加纵向磁场下的空心钨极电弧；所述步骤2包括以下步骤：

23、(1)通过改变动量源项的方式添加外加电磁力：

24、f＝j×(b+b0)

25、式中，b0为外加纵向磁场的磁感应强度；

26、(2)根据外加磁场下的电弧物理特征变化研究外加纵向磁场对电弧温度、压力、速度和电流密度的影响，进而得到外加磁场下电弧压力和工件表面负压力的变化规律；

27、步骤3：通过将计算结果与相同条件下实验结果进行对比，验证计算结果是否与相同条件下的实验结果相符合，若符合，进行下一步骤；反之，重新回到步骤1，调整模型或边界条件或初始条件，重新进行建模和数值模拟计算的循环过程，直至计算结果与相同条件下的实验结果相符合，完成模型准确性验证；固定模型，改变其他条件或者参数，求解多种条件和情况下的电弧结果。

28、步骤4：通过改变空心钨极电弧其他条件或者参数研究外加磁场对电弧温度、压力、速度和电流密度的影响规律；进而得到和分析总结在不同参数下对电弧物理特征的主导作用和工件表面压力的变化规律；完成磁控空心钨极全域负压电弧设计。

29、本发明一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法，无抽气只是外加磁场改变时，钨极空心腔的存在促进了电弧等离子体回流的产生，外加纵向磁场总会降低空心钨极电弧焊接工件表面压力，并在工件表面形成负压力，实现磁控空心钨极负压电弧的构建。

30、本发明一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法，抽气压力与外加磁场改变时，当抽气压力接近-20kpa时，磁感应强度小于0.03t时的压力变化值小，磁感应强度大于0.04t时，压力快速下降，磁感应强度小于0.03t时，抽气压力对电弧中心压力起主要作用，磁感应强度大于0.04t时，外加磁场对电弧中心压力起主要作用。

31、本发明一种磁控空心钨极全域负压电弧设计方法的技术效果和优点：通过数值模拟仿真磁场控制以及改变抽气压力，控制工件表面温度，使得熔池更均匀稳定，通过增加体积力的方法加载外加电磁力实现外加磁场对电弧的控制，添加阴极阳极热源边界条件的方法实现了阴极阳极鞘层区的模拟，使得数值模拟结果更加符合实际情况，提供了完整的数值模拟辅助负压电弧设计的新思路，有利于负压电弧焊接技术和负压电弧增材制造技术的发展。

32、本发明适用于负压电弧焊接技术，或者负压电弧增材制造技术，或者负压电弧-激光同轴复合焊接技术，或者负压电弧-激光旁轴复合焊接技术，或者负压电弧-激光复合熔覆技术，或者负压电弧-激光复合增材制造技术，或者负压电弧-高能束复合焊接技术，或者负压电弧-高能束复合熔覆技术，或者负压电弧-高能束复合增材制造技术。