高氣壓環(huán)境等離子弧行為與工藝研究

李勇，佟浩東，高輝，周燦豐

(1.北京石油化工學(xué)院,北京,102600；2.北京市高等學(xué)校能源工程先進(jìn)連接技術(shù)中心,北京,102600)

0 序言

等離子弧切割作為一種熱切割方式，是以電離擊穿的離子氣為工作介質(zhì)，將熔融金屬吹除進(jìn)而形成割縫的一種切割技術(shù)，激發(fā)的電弧收縮質(zhì)量好，穿透能力強(qiáng)[1-2].同等條件下，相對(duì)于氣割與電弧切割，等離子弧切割不僅效率高，而且在切割質(zhì)量和切割精度上也優(yōu)于前兩種切割方式.此外切割材料的種類(lèi)可以覆蓋絕大部分的金屬[3-4].等離子切割電弧與TIG(Tungsten inert gas)電弧本質(zhì)相同，TIG 電弧被認(rèn)為是等離子態(tài)，兩者本質(zhì)上是陰極與陽(yáng)極之間的一種劇烈的氣體電離行為.根據(jù)等離子體溫度的分類(lèi)，TIG 焊接電弧屬于低溫等離子體，而等離子切割電弧屬于高溫等離子體，因此等離子弧被認(rèn)為是焊接電弧的升級(jí)[5-6].Matus 等人[7]使用等離子弧切割技術(shù)在0.3 MPa 高壓環(huán)境下完成了油管和套管的切割，提高了作業(yè)效率，降低了人力成本.陳林柯[8]采用高頻高壓引弧技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高壓環(huán)境(0.4 MPa)下等離子弧的穩(wěn)定切割，并通過(guò)試驗(yàn)得出了隨環(huán)境壓力的升高，電弧長(zhǎng)度逐漸變短的結(jié)論.谷孝滿等人[9]通過(guò)對(duì)高壓環(huán)境(0.1～0.5 MPa)下脈沖MIG 焊接電弧的研究，得出弧長(zhǎng)與壓力的變化量不成正比的結(jié)論.

電弧電離行為的理論研究主要是應(yīng)用數(shù)學(xué)建模的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)學(xué)模型主要有磁流體動(dòng)力學(xué)模型、流體模型、粒子模型等.胡輝等人[10]依據(jù)磁流體動(dòng)力學(xué)理論，建立了等離子體的數(shù)學(xué)模型，對(duì)脈沖放電的等離子弧溫度場(chǎng)以及電流密度分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.Baimbetov 等人[11]引出等離子體的粘性以及輻射能量等概念，并提出熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等物性參數(shù)的相關(guān)計(jì)算方法，由此建立了等離子體流體模型.Herrebout 等人[12]通過(guò)等離子體的粒子化構(gòu)思，構(gòu)建了碰撞動(dòng)力學(xué)模型，得到了氬氣在電離過(guò)程中電子在鞘層區(qū)的分布狀態(tài).

文中研究了非高頻引弧技術(shù)下的等離子弧，建立并優(yōu)化了電弧磁流體模型，通過(guò)COMSOL Multiphysics 軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬；并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境壓力為0.1～ 0.7 MPa 的穩(wěn)定起弧，最終通過(guò)高壓梯度試驗(yàn)驗(yàn)證了電弧形態(tài)及能量變化的規(guī)律.

1 磁流體動(dòng)力學(xué)模型

磁流體動(dòng)力學(xué)(magnetohydrodynamics，MHD)模型本質(zhì)是一種求解基本流體方程以及耦合的電磁場(chǎng)方程的數(shù)學(xué)模型.切割電弧等離子體不同于一般流體，需要考慮其中存在的磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用.MHD 模型符合電弧流體的基本參數(shù)要求，通過(guò)構(gòu)建合理的電弧幾何模型，結(jié)合電弧的控制方程，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電弧流體研究的目的.MHD 方程組是由一組非線性偏微分方程組成，其中包含基本流體方程、Maxwell 電磁方程以及廣義歐姆定律[13-14].

1.1 幾何模型及基本假設(shè)

等離子切割電弧是一種壓縮電弧，具有電離程度高、挺度好、放電持久、電弧形態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn).為便于研究高壓環(huán)境等離子切割電弧的特性，在不影響仿真目標(biāo)的前提下，假定切割電弧流體域呈軸對(duì)稱分布，進(jìn)而達(dá)到電弧模型簡(jiǎn)化的目的.等離子弧割炬模型如圖1 所示.

圖1 等離子弧割炬模型Fig.1 Plasma arc cutting torch model

為便于進(jìn)一步分析高壓環(huán)境下等離子切割電弧的電離行為，對(duì)等離子切割電弧的模型做如下基本假設(shè)[15-17].

假設(shè)1：等離子切割電弧是由逆變電源產(chǎn)生的直流電弧，電弧是穩(wěn)定的二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，忽略電弧流動(dòng)的粘性，其電場(chǎng)為有勢(shì)場(chǎng)；

假設(shè)2：認(rèn)為等離子切割電弧是連續(xù)的流體，其流動(dòng)與傳熱特性可用N-S 方程來(lái)描述.等離子體電弧的熱力學(xué)參數(shù)以及電導(dǎo)率是僅為溫度的函數(shù)，不考慮等離子體輻射的自吸收效應(yīng)，認(rèn)為等離子電弧是光學(xué)薄的；

假設(shè)3：等離子切割電弧處于化學(xué)平衡狀態(tài)，滿足準(zhǔn)電中性條件，電弧整體對(duì)外不顯電性；

假設(shè)4：等離子切割電弧的陽(yáng)極處于不活躍狀態(tài)，不考慮金屬蒸汽對(duì)電弧的影響；

假設(shè)5：等離子切割電弧為理想氣體，不考慮重力作用.

1.2 MHD 控制方程組

等離子切割電弧不僅具有一般流體的流動(dòng)特性，而且因其受到電磁場(chǎng)的作用，其流動(dòng)特性更加復(fù)雜.MHD 方程組的合理簡(jiǎn)化與求解，有利于問(wèn)題的簡(jiǎn)化，電弧數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建依賴于MHD 方程組的求解[18-24].

(1)狀態(tài)方程，認(rèn)為等離子切割電弧符合理想氣體狀態(tài)方程，每種組分的分壓pj，數(shù)密度nj，溫度Tj滿足式(1)，即

式中：kB是玻爾茲曼常數(shù)(kB=1.381×10?23J/K)；p為氣體總壓；n是總粒子數(shù)密度；T是氣體總溫度.

(2)質(zhì)量守恒方程可表示為

式中：ρ是氣體混合物的質(zhì)量密度；ν為氣體混合物速度.

(3)動(dòng)量守恒方程可表示為

式中：Pj是j組分的應(yīng)力張量；Mj為j組分動(dòng)量損失率；Fj是作用于j粒子的體積力；νj為速度分量；ρj是j組分的質(zhì)量密度 .

(4)能量守恒方程可表示為

式中：ε是單位質(zhì)量體積的內(nèi)能，單位J/kg；其中Sh為體熱源；Uj為擴(kuò)散速度；q為熱流量.

(5)廣義歐姆定律可表示為

1.3 邊界條件

電弧模型的求解需要不同的物理邊界條件和初始值.邊界條件是電弧流體方程具有解的基本條件，描述的是待求量和其相關(guān)導(dǎo)數(shù)在流體邊界上的取值情況，此外控制方程在計(jì)算域中的各個(gè)邊界條件也均有不同.邊界條件如下表1 所示.

表1 求解域邊界條件Table 1 boundary conditions of solution domain

表1 中電流密度可根據(jù)電流值與電極截面積計(jì)算得出；熱通量選用對(duì)流熱通量，自定義傳熱系數(shù)和外部溫度值；熱源選擇自定義廣義源；流體場(chǎng)中邊界壁類(lèi)型均為無(wú)滑移；入口為速度邊界，出口為壓力邊界，兩者可根據(jù)壓力差與環(huán)境壓力等具體條件計(jì)算得出.

2 仿真及分析

2.1 網(wǎng)格剖分

等離子切割電弧作為特殊流體，其電弧由壓縮空氣電離產(chǎn)生，其物性參數(shù)不同于空氣，文中采用空氣等離子體的熱物性參數(shù)作為電弧的基本參量.仿真過(guò)程中高質(zhì)量的網(wǎng)格剖分有利于提高流體動(dòng)力模型的收斂性和計(jì)算效率，因此選擇用戶自定義網(wǎng)格，其中空氣域選擇極細(xì)化網(wǎng)格剖分；電極域和工件域選擇細(xì)化網(wǎng)格剖分；邊界JK，KM，DI 和GI 選擇超細(xì)化網(wǎng)格剖分；空氣域全部邊界選擇角細(xì)化網(wǎng)格剖分.網(wǎng)格剖分如圖2 所示.

圖2 網(wǎng)格剖分Fig.2 mesh generation

2.2 電弧溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)分析

采用基于環(huán)境壓力的控制變量法進(jìn)行仿真.對(duì)比0.1～ 0.7 MPa 環(huán)境壓力下的電弧形態(tài)有利于研究電弧電離行為.由溫度場(chǎng)分布圖3 和圖4 可以看出，0.1～ 0.7 MPa 的電弧在整體溫度分布上呈現(xiàn)逐漸收縮趨勢(shì).電弧整體呈射流狀，經(jīng)噴嘴射出電弧呈發(fā)散狀，幾何平面形態(tài)呈梯形.此外，電弧中心溫度較高，徑向與軸向梯度較大.

圖3 0.1～ 0.4 MPa 環(huán)境壓力下電弧溫度場(chǎng)Fig.3 Arc temperature field under 0.1 ～ 0.4 MPa ambient pressure.(a) 0.1 MPa;(b) 0.2 MPa;(c)0.3 MPa;(d) 0.4 MPa

圖4 0.5～ 0.7 MPa 環(huán)境壓力下電弧溫度場(chǎng)Fig.4 Arc temperature field under 0.5 ～ 0.7 MPa ambient pressure.(a) 0.5 MPa;(b) 0.6 MPa;(c)0.7 MPa

電弧的速度場(chǎng)分布如圖5 和圖6 所示，切割電弧中心處速度最大，徑向梯度較大.隨著環(huán)境壓力的升高，速度逐漸收斂，整體速度下降；速度收斂，進(jìn)而導(dǎo)致了電弧的動(dòng)量降低，吹除能力下降，因此導(dǎo)致工件上的掛渣增多.最終可知環(huán)境壓力越大，對(duì)其熔融金屬流動(dòng)的阻礙作用力越強(qiáng).

圖5 0.1～ 0.4 MPa 環(huán)境壓力下電弧速度場(chǎng)Fig.5 Arc velocity field under 0.1 ～ 0.4 MPa ambient pressure.(a) 0.1 MPa;(b) 0.2 MPa;(c) 0.3 MPa;(d) 0.4 MPa

圖6 0.5～ 0.7 MPa 環(huán)境壓力下電弧速度場(chǎng)Fig.6 Arc velocity field under 0.5 ～ 0.7 MPa ambient pressure.(a) 0.5 MPa;(b) 0.6 MPa;(c) 0.7 MPa

等離子切割電弧主要依靠其高溫熔化金屬，進(jìn)而吹除形成切口，最終達(dá)到切割工件的目的.因此，分析不同環(huán)境壓力下切割試件的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，有助于研究工件切口寬度等切割質(zhì)量指標(biāo)的變化情況，從而進(jìn)一步研究電弧電離行為.

工件與電弧的接觸面上溫度較高，溫度由高到低，由近及遠(yuǎn)整體呈現(xiàn)擴(kuò)散式分布.由圖7 和圖8可知，隨著環(huán)境壓力的提高，工件溫度最大值超過(guò)5 000 K，遠(yuǎn)超過(guò)了Q235 碳鋼的熔點(diǎn).此外結(jié)合圖3 和圖4 可知，0.1～ 0.7 MPa 的溫度范圍逐漸增大，這就導(dǎo)致了在切割試驗(yàn)過(guò)程中，上部金屬熔化較多，切口增大；而0.1～ 0.7 MPa 環(huán)境壓力下的工件底部溫度范圍逐漸減小，但整體差異性較小.由此可見(jiàn)，在0.1～ 0.7 MPa 環(huán)境壓力下，底部熔融金屬逐漸減小.進(jìn)而導(dǎo)致在切割試驗(yàn)過(guò)程中，底部金屬熔化較少，底部切口較小.因此，工件的整體缺口一般呈現(xiàn)凸?fàn)?隨著環(huán)境壓力的增大，傾斜角增大，平面度增大，切割質(zhì)量下降，電弧整體的切割能力下降.印證了隨著環(huán)境壓力的增大，工件切割質(zhì)量變差的結(jié)果.同時(shí)也指出了高壓環(huán)境下工藝參數(shù)的重要性.

圖7 0.1～ 0.2 MPa 環(huán)境壓力下工件溫度場(chǎng)Fig.7 Temperature field of workpiece under 0.1 ～0.2 MPa ambient pressure. (a) 0.1 MPa; (b)0.2 MPa

圖8 0.3～ 0.7 MPa 環(huán)境壓力下工件溫度場(chǎng)Fig.8 Temperature field of workpiece under 0.3 ～ 0.7 MPa ambient pressure.(a) 0.3 MPa;(b) 0.4 MPa;(c) 0.5 MPa;(d) 0.6 MPa;(e) 0.7 MPa

3 試驗(yàn)及分析

高壓環(huán)境下的等離子切割試驗(yàn)系統(tǒng)主要由空氣等離子切割電源、三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、焊接相機(jī)系統(tǒng)、立式高壓艙與氣路系統(tǒng)等組成.為實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓環(huán)境下的引弧切割進(jìn)行控制，同時(shí)保障實(shí)驗(yàn)操作的安全性，采用管線穿艙的連接形式達(dá)到艙外控制的目的.以高壓焊接試驗(yàn)艙為基礎(chǔ)，采用非高頻引弧技術(shù)，搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖9 所示.

圖9 等離子弧切割試驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Plasma arc cutting test platform

在不同的環(huán)境壓力下，設(shè)置相同的切割工藝參數(shù)：切割速度1.2 m/min、切割電流120 A、送氣壓力1.5 MPa、噴嘴高度7 mm.調(diào)整環(huán)境壓力，得到高壓環(huán)境下的電弧圖像，如圖10 所示.

圖10 不同環(huán)境壓力下的電弧圖像Fig.10 Arc images under different ambient pressures

在不同環(huán)境壓力下電弧整體形態(tài)差異較小，但隨著環(huán)境壓力的升高，弧柱有收縮的趨勢(shì)，亮度有所增加.從火花飛濺程度可知，電弧穩(wěn)定性下降.如圖10 所示，隨著環(huán)境壓力的升高，電弧挺度下降，切割試件表面處的電弧形態(tài)呈收縮狀態(tài)，電弧整體有收縮趨勢(shì)但并不明顯，弧柱扭曲程度增大，電弧穩(wěn)定性變差.隨著環(huán)境壓力的提高，受環(huán)境壓力的擠壓作用，能量相對(duì)集中，此時(shí)的弧柱等離子體密度較大，亮度較高.根據(jù)光電效應(yīng)理論可知，當(dāng)大量的電子同時(shí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)激發(fā)大量光子.因此距離弧柱中心越近，電子的密度越大，同時(shí)電子躍遷的程度越高，導(dǎo)致電弧的電離程度就越大，能量越大，電弧的亮度越高.

試驗(yàn)工件割面如圖11 所示，相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值如表2 所示.通過(guò)分析切割質(zhì)量指標(biāo)的變化規(guī)律，可進(jìn)一步驗(yàn)證上述規(guī)律的正確性.采用基于環(huán)境壓力的控制變量法進(jìn)行試驗(yàn).

表2 切割質(zhì)量參數(shù)Table 2 Cutting quality parameters

圖11 不同環(huán)境壓力下工件割面Fig.11 workpiece cutting surface under different ambient pressures

由圖12 可知切割質(zhì)量與電弧行為變化的關(guān)系：隨著環(huán)境壓力的增大，電弧所受阻力增大，氣體密度越大，電弧與周?chē)鷼怏w之間作用力越大，導(dǎo)致兩者間的熱交換速率增加，進(jìn)而能量輸出率增加，最終導(dǎo)致切口處板材熔化量增多，出現(xiàn)切口寬度增加的情況，但整體變化趨勢(shì)較平緩；隨著環(huán)境壓力的升高，電弧受氣壓的向上阻力增大，試件反面電弧受壓收縮，電弧挺度變差，導(dǎo)致平面度增大；隨著環(huán)境壓力的升高，電弧受氣流影響較大，后拖量處于波動(dòng)狀態(tài)，故呈增加趨勢(shì).

圖12 不同環(huán)境壓力下的平面度、切口寬度和后拖量Fig.12 Flatness、incision width and drag amount under different environmental pressures

4 結(jié)論

(1)通過(guò)COMSOL Multiphysics 構(gòu)建電弧的幾何模型，利用平衡放電等離子模型，實(shí)現(xiàn)了包含電場(chǎng)、磁場(chǎng)、傳熱和流體的多物理場(chǎng)耦合仿真.最終通過(guò)穩(wěn)態(tài)求解完成了等離子切割電弧的數(shù)值模擬.通過(guò)分析不同環(huán)境壓力下電弧的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及工件的溫度場(chǎng)可知：隨著環(huán)境壓力的升高，電弧在溫度和速度分布上都呈現(xiàn)收縮的態(tài)勢(shì)；隨著環(huán)境壓力的升高，工件的溫度分布表明，工件融化的溫度范圍具有增大的趨勢(shì).

(2)采用非高頻引弧技術(shù)，基于相同工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)0.1～ 0.7 MPa 的引弧試驗(yàn).通過(guò)高壓梯度試驗(yàn)可知：隨著環(huán)境壓力的提高，切口寬度、平面度和后拖量均有增加，間接驗(yàn)證了文中關(guān)于等離子切割電弧電離行為的分析.