天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕业论文专业：材料成型及控制工程班级学号：材料0912 - 09学生姓名：***指导教师：高莹讲师二〇一四年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计TIG焊电弧温度场和流场的模拟Analog TIG welding arc temperature field and flow field专业班级：材料成型及控制工程--材料0912学生姓名：蔡言锋指导教师：高莹讲师学院：机械工程学院2014 年6 月摘要钨极氩弧焊（TIG焊）是近代工业生产中应用比较广泛的一种焊接方法，这种焊接方法具有热影响区小、焊缝美观、易于控制等众多优点。
所以对TIG焊焊接技术进行数值模拟，能够更好的了解和控制整个焊接的过程，所模拟TIG焊电弧的温度场和流场具有重要的意义。
数值模拟技术应用广泛，本文就是采用有限元分析软件FLUENT，创建了符合实际的TIG焊自然燃烧电弧的有限元模型。
根据流体力学质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，选取合理的边界条件，得到了TIG焊电弧的温度场流场分布的变化规律图。
通过FLUENT的后处理结果能够对TIG焊电弧内部的一些温度场、流场等情况进行形象的表述。
基于自然燃烧的TIG焊接电弧的数值分析，有助于进一步理解焊接过程的物理实质，合理地选择焊接工艺和工艺参数，并为冶金分析提供进一步的理论依据。
为今后的理论研究和工业生产奠定基础。
关键词：TIG 焊；FLUENT 软件；数值模拟；电弧AbstractGTAW (TIG welding ) is a modern industrial production, used widely as a welding method, this method has a small weld heat-affected zone , weld appearance, easy to control , and many other advantages. So for TIG welding techniques to simulate , to better understand and control the entire welding process , the simulated temperature and flow field TIG welding arc is of great significance .Numerical simulation of a wide range of technical applications, this paper is the use of finite element analysis software FLUENT, TIG welding creates realistic finite element model of the natural burning arc . According to hydrodynamic mass, momentum and energy conservation equations , selecting appropriate boundary conditions and the variations of temperature field in Figure TIG welding arc flow field distribution . Able for some temperature and flow fields, etc. TIG welding arc carried the image of the interior of expression through post-processing of results of FLUENT .Numerical TIG welding arc burning natural -based analysis helps to further understand the physical substance of the welding process , a reasonable choice of welding processes and process parameters, and provides a theoretical basis for further metallurgical analysis. Lay the foundation for future theoretical research and industrial production.Key Words：TIG welding; FLUENT software; numerical simulation; arc目录第1 章绪论 (1)1.1 课题研究背景及意义 (1)1.2 国外对TIG焊接电弧的研究 (1)1.3 国内对焊接电弧的研究状况 (4)1.4 本文研究的内容和意义 (5)第2 章理论基础 (6)2.1 焊接电弧 (6)2.1.1气体原子的激发与电离 (6)2.1.2电子发射 (7)2.1.3弧柱区的导电特性 (7)2.1.4电弧的力学特性 (8)2.2 流体动力学基础 (8)2.2.1 质量守恒定律 (8)（2-1） (9)2.2.2 动量守恒定律 (9)2.2.3 能量守恒定律 (9)2.3 FLUENT 软件简介 (9)2.3.1 FLUENT 算法 (10)2.3.2 FLUENT 计算流程 (11)2.4本章小结 (11)第3 章焊接的数值模拟及分析结果 (12)3.1 焊接电弧的数学模型 (12)3.1.1 基本假设 (12)3.1.2 控制方程 ................................ 错误!未定义书签。
3.1.3 计算区域 ................................ 错误!未定义书签。
3.1.4 网格划分 ................................ 错误!未定义书签。
3.1.5 氩气的热物性性质 (13)3.2 计算结果 (13)3.2.1 温度场云图 (17)3.2.2速度分布 (18)3.2.3 速度矢量分布 (19)3.2.4 电势分布 (19)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (24)第 1 章绪论1.1 课题研究背景及意义作为先进制造技术的重要组成部分，焊接在国民经济的发展和国家建设中发挥了重要的作用。
焊接技术己经广泛应用于国民经济的各个部门，如机械工程、桥梁工程、建筑工程、压力容器、船舶工程、电子工程以及尖端的航天、航海和动力工程等领域，所以焊接技术的研究和发展水平，标志着一个国家工业和科技的现代化进程[1]。
在各种焊接方法中，电弧焊是应用最广泛的一种焊接方法，其中钨极氩弧焊是现代工业生产中应用十分广泛的电弧焊方法之一。
随着脉冲钨极氩弧焊的发展，对焊接生产的质量和效率提出了越来越高的要求。
然而在焊接过程中，电弧等离子体是一个电、热、光、磁、力等共同作用且相互制约的粒子流平衡体，依靠消耗外界的能量和质量维持其电热转换的过程[2]，因此电弧过程有许多未被认知的领域而受到国内外研究者广泛研究[3-5]。
由于焊接电弧是一个高温等离子体，难以通过常规的手段对其进行观察测量。
因此仅通过一系列实验或根据经验来获得可靠而经济的焊接结构是不精确的。
焊接过程是一个非常复杂的过程，国内对焊接过程的模拟与仿真主要围绕焊接熔池中的流体流动和热过程，焊接金属凝固和焊接接头的相变过程及焊后焊件变形的分析，而从事焊接电弧模拟的人很少，国内关于电弧模拟的资料更是少之又少。
TIG焊由于其稳定的电弧长度和较高的焊接质量应用越来越广泛，是较为理想的研究对象，因此我们对TIG焊接电弧进行模拟和研究，建立符合实际的电弧模型，提高和完善国内焊接电弧的理论水平，为工艺应用分析提供理论依据。
随着现代科学技术的发展，数学模型和数值模拟技术的地位显得越来越重要。
焊接的数值模拟有助于人们从更深层次上理解焊接过程的物理实质，模拟的结果有利于实现对焊接过程的控制。
利用数值方法计算焊接热过程，还可为合理的选择焊接方法和工艺参数以及进一步进行冶金分析和动态应力应变分析奠定基础。
1.2 国外对TIG焊接电弧的研究在国外自七、八十年代就开展了对焊接电弧完整体系的数值研究和模拟。
K.C.Hsu[6,7]等对自由燃烧的高密度氩弧进行了研究。
尽管高电流密度、自由燃烧的氩弧已应用了很多年，但是对于综合模拟这种电弧的尝试受到了一些与电、磁、流体动力和热效应相互作用相关问题的阻碍，特别是在阴极附近，这种作用使得为模型分析选择现实的边界条件变得特别困难。
与低电流密度电弧相比，高电流密度电弧受由电弧自身引起的流体动力效应的支配。
电弧电流与自身的磁场导致等离子流喷射。
自由电弧的阴极区起到电磁管道的作用，不断的从周围环境中吸入气体以气流的形式喷射到阳极。
阴极气流撞击到阳极，在阳极表面形成一个停滞层，最终导致钟形的自由燃烧的高密度电弧。
文中提出守恒方程来解决整个自由燃烧的电弧，包括阴极和阳极压降区。
最敏感的边界条件，近阴极区电流密度从测量熔化阴极尖端的尺寸导出。
因为等离子体的速度比声速低的多，忽略气体的压缩特性[8]，K.C.Hsu 等对于电弧模型的研究基于下面的假定：(1) 电弧是局部热动态平衡的。
(2) 电弧是稳定的、连续的、对称的并且是光学薄的，流动是处于层流状态的（所谓光学薄的是指辐射热的重新吸收与总的辐射热损失相比是可以忽略的：对于电弧稳定性的理解是电弧在某一特定的条件下，长时间地、连续地保持其宏观状态和性能不变[9]）(3) 重力和由于粘性效应导致的热损失忽略不计。
J.McKELLIGET等[11]对焊接电弧的热传递和流体流动做了认真的分析和研究。
其建立的电弧模型与上述K.C.Hsu建立的模型近似。
区别是J.McKELLIGET将阴极表面假定为平表面。
在对阴极区的处理上假定通过阴极表面的电流密度是恒定的。
J.McKELLIGET等人考虑了阳极区行为，进行必要的处理：由于熔池表面的流体速度(~0.5m/s)要比等离子气体在熔池表面的速度(~10m/s)小的多，这样熔化表面相对于气体喷射是稳定的。
阳极表面温度为1000K 。
从等离子气流到阳极进行的热传递有对流热传递电子流动热传、递辐射热传递、热损失是由于阳极材料的蒸发造成的，在文中将其忽略。
M.C.TSAI等[12]基于不同电极形状对电弧的热传递和流体流动做了分析。