关于对称片状钨阴极配置对电弧非平衡特性影响的数值模拟研究

对称片状钨阴极焊接电弧两温度模型研究，揭示了顶角角度与平台尺寸对非平衡物理场分布的影响规律。通过求解电流密度、洛伦兹力及温度场分布，证实小放电间隙和扩展的热力学非平衡区域可增强阴极射流与等离子体相互作用，优化窄间隙焊接稳定性。

　　

李远波|慧瑞良|张伟林|刘星

兰州交通大学材料科学与工程学院，中国兰州市安宁区安宁西路88号，730070

摘要

在本文中，我们开发了一个用于焊接中对称片状钨阴极电弧的数学模型，该模型采用了双温度（2T）方法。解决了不同对称片状钨阴极配置参数下电弧物理场的分布特性，并进行了比较。阐明了钨阴极的顶角与平台长度对钨电弧非平衡特性的影响。对称片状钨阴极配置对电弧放电间隙的调节效应是影响电弧非平衡特性的主要因素。对称片状钨阴极的顶平台与阳极之间的放电间隙最小化，使得电流密度优先沿着顶平台分布。随着顶角的增大或顶平台尺寸的增大，钨阴极顶部的电流密度分布范围沿对称片状钨阴极的宽度方向显著扩展。这导致洛伦兹力分布范围的增加，有利于实现更大的有效范围的磁吸效应。在这些条件下，阴极射流的范围扩大，增强了带电粒子向电弧边缘的运动。因此，带电粒子的空间数密度场以及电子和重粒子温度场的分布范围也随之扩大。

引言

电弧代表了气体放电技术的巅峰。电弧具有高能量密度的特点，并且维持电压的要求较低。此外，电弧是一种安全且理想的焊接热源[1]，[2]。TIG（钨惰性气体）电弧使用由高熔点钨材料及其合金制成的电极。这些电极与惰性气体一起作为保护气氛，用于保护焊接区域[3]，[4]。TIG焊接过程稳定可控，冶金损伤最小，几乎适用于所有金属材料的焊接。

圆柱形钨电极是最常用的钨电极配置之一。圆柱形钨电极的顶端通常需要磨削成锥形角度，以保持顶端放电效果，从而实现更高的电流密度[5]。然而，圆柱形钨电极配置并不适用于所有焊接条件。针对窄间隙和超窄间隙焊接过程的特点，作者设计并使用了一种具有矩形横截面的对称片状钨阴极进行焊接。这种设计增加了电极与沟槽侧壁之间的距离，抑制了电弧电流向侧壁的分流，改善了沟槽内的电弧热传递和流动行为，从而保证了焊缝的质量[6]，[7]。

然而，由于对称片状钨阴极配置的影响以及电弧惯性拖拽效应，在焊接过程中电弧容易发生偏转并变得不稳定。为了解决这个问题，作者进一步设计了对称片状钨电极。因此，有必要系统地研究对称片状钨电极对电弧特性的影响模式和控制机制。

目前，电弧特性的分析主要采用数值模拟和实验测量的结合研究方法。大多数数值模拟考虑了局部热力学平衡（LTE）条件。基于流体动力学方程、麦克斯韦方程和能量守恒方程，并结合合理的边界条件，建立了电弧数学模型[8]。在此基础上，解决了电弧物理场的分布问题，并通过这些物理场的分布特征描述了电弧特性的变化模式。同时，通过将模拟结果与电弧温度和电弧压力等关键物理量的实验测量数据相结合，验证了模拟结果的可靠性[9]。对于圆柱形钨电极电弧，使用热力学平衡条件仍然是合适的。

这是因为圆柱形钨电极电弧的热力分布更加集中。传输过程主要沿着电弧长度方向进行，其他方向的传输成分相对较小。电弧轴附近的热平衡区域在动量和热传递中起着重要作用。

然而，初步研究结果表明，与圆柱形钨电极相比，片状钨电极的电弧形状显著扩大[10]。这意味着钨电极配置的变化可能会显著增加传输成分，从而改变热平衡区域的分布。同时，电弧流动和热传递特性也会相应改变。这些问题无法用局部热平衡的假设来解释。因此，科学地阐明非热力学平衡条件下的电弧非平衡特性是必要的。

来自各国的学者们专注于使用双温度（2-T）模型研究电弧的非平衡特性。Murphy等人采用了Devoto开发的解耦方法来准确计算单种和混合气体等离子体的传输系数[11]，[12]。这些成就在等离子体数值模拟领域成为了关键的支持点[6]。Hsu等人在开发具有高自由度和强度的氩弧2-T模型方面处于领先地位。他们的模型与光谱温度测量结果的高度一致性验证了其理论优越性，特别是与基于局部热力学平衡假设的模型相比[13]。Freton等人精细地描述了电离和反应热导率系数的分布，并将其适当地应用于电弧模型。理论预测和实验观察结果达到了高度一致[14]。Liu[15]和Huang[16]为TIG电弧等离子体开发的二维2-T数学模型为探索气体流量、焊接电流、耦合效应、电弧长度和喷嘴设计对等离子体非平衡特性的影响提供了工具，并深入分析了等离子体内的非弹性碰撞机制[15]，[16]。Zhang等人提出的电弧柱模型结合了电离过程与热力学非平衡状态，从而加深了对控制电弧等离子体行为的物理原理的理解[17]。

K. C. Hsu等人建立了自由燃烧氩弧的2-T模型，研究发现LTE模型在低电子密度区域高估了峰值温度[13]。他们随后表明，重粒子的温度明显低于外围区域的电子温度，与光谱测量结果更为吻合[18]。D. M. Chen等人建立了2-T模型，考虑了靠近阳极的阳极和阴极射流之间的相互作用，展示了在高强度电弧中重粒子与电子之间的温度差异随着向阳极表面的靠近而增加[19]。然后D. M. Chen等人揭示了在冷流注入位置，重粒子或电子的温度差异最为严重[20]。Kyohei Konishi等人使用双温度模型来表征受限TIG电弧中的热源[21]。Kaminska和Bialek观察到，在电流低于20 A时，平衡区域缩小，而电子与重粒子的温度比在靠近壁面的地方增加[22]。M. Baeva和D. Uhrlandt观察到，与非LTE模型相比，非LTE模型产生了更宽且更长的高温区域[23]。Pang等人揭示了2-T电弧模型预测了微工件表面的电流密度分布，表明随着电弧电流的增加，主要加热区域扩大[24]。K. Konishi证明在纯氦电弧中，电子温度显著高于重粒子温度，而在纯氩电弧中，两者通过（2-T）模型的预测值几乎相同[25]。Rodion Zhukovskii等人表明2-T模型比LTE模型更准确地预测了阴极电流密度分布、热流和电压降以及等离子体分布[26]。Zelong Zhang开发了一个3D稳定的非局部热平衡模型，非平衡分析揭示了冷流-等离子体相互作用区域附近和阳极表面前的显著非平衡区域[27]。Li等人揭示了片状阴极电弧的电流密度、流体流动和洛伦兹力，确定了电弧物理场的分布[28]。

本文开发了一种具有矩形横截面的对称片状钨阴极。这种特定的钨阴极旨在便于焊接窄间隙和超窄间隙。与对称片状钨阴极相比，对称片状钨阴极提供了更好的电弧稳定性。研究了对称片状钨阴极的配置与电弧非平衡特性之间的关系。基于2-T模型，解决了对称片状钨阴极电弧的非平衡物理场问题。比较研究了不同配置下的对称片状钨阴极的非平衡物理场。该研究探讨了对称片状钨阴极配置对电弧非平衡物理场的影响。

部分摘录

简要总结

数学模型的详细内容在之前的工作中已有详细描述[28]，这里提供了简要总结。假设系统处于非局部热力学平衡（NLTE）和局部化学平衡（LCE）状态。假设电弧等离子体保持准中性状态。这里电弧等离子体由电子、Ar以及Ar⁺组成[23]。在大气压下，电弧等离子体内的传输和热力学性质是重粒子和电子的函数

对称片状钨顶角对电弧非平衡特性的影响

本文比较了不同顶角下的对称片状钨阴极电弧的非平衡物理场分布特性，并分析了顶角对热传递和流动特性的影响。图2和图3展示了顶角为60°的对称片状钨阴极电弧的非平衡物理场分布。

实验验证

TIG焊接光谱采集系统主要由PG2000光谱仪、12.5mm平凸透镜、针孔光圈、石英光纤、定位屏（收集透镜）和双轴高精度运动控制器组成，如图11所示。从电弧发出的光通过凸透镜聚焦到光谱仪的收集透镜上，使PC能够捕获光谱线

结论

对称片状钨阴极配置在调节放电间隙和顶端放电效应方面是影响电弧非平衡特性的主要因素。由于顶端放电效应，电流密度在对称片状钨阴极顶部的尖角处最高。对称片状钨阴极的顶平台与阳极之间的放电间隙最小，因此电流密度可以优先在那里扩散

CRediT作者贡献声明

慧瑞良：可视化、方法论、研究、数据整理。张伟林：写作——审阅与编辑、验证。刘星：写作——审阅与编辑、软件。李远波：写作——初稿、监督、资源获取、项目管理、资金争取、概念化

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号：51605384）和甘肃省自然科学基金（编号：25JRRA180）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

非常感谢清华大学陈曦教授、李和平教授以及张晓宁博士提供的宝贵指导。