1、高气压环境等离子弧行为与工艺研究李勇1,2，佟浩东1,2，高辉1,2，周灿丰1,2(1.北京石油化工学院,北京,102600；2.北京市高等学校能源工程先进连接技术中心,北京,102600)摘要：等离子弧切割技术因其高效稳定的工艺优势被广泛应用于工业领域.文中以空气等离子弧为研究对象，通过 COMSOL Multiphysics 软件建立了喷嘴结构的二维轴对称有限元数学模型，并对电弧磁流体模型进行了优化.基于磁流体动力学和电弧等离子体理论，选用等离子平衡放电多物理场接口，并确立了空气等离子电弧模型的控制方程和边界条件，实现对电弧模型的编译求解.仿真结果表明，在引弧电流一致的条件下，随着环境压力
2、的增加，电弧在温度分布和速度分布上均呈现收缩的态势.基于 3 MPa 高压焊接试验舱，搭建了高压环境等离子弧切割实验系统，通过对气路和非高频引弧电路的优化设计，实现了环境压力为 0.1 0.7 MPa 的稳定起弧.并基于此开展了高压梯度下的等离子弧切割实验，并结合切割质量指标研究了环境压力对等离子弧电离行为的影响.创新点：(1)采用非高频引弧技术，通过系统优化实现 0.1 0.7 MPa 的稳定引弧；(2)通过理论仿真和高压梯度实验验证了文中所提出的关于等离子弧行为的结论.关键词：高压环境；等离子弧电离行为；引弧；切割工艺；仿真试验中图分类号：TG483文献标识码：Adoi：10.12073/
3、j.hjxb.202207120020序言等离子弧切割作为一种热切割方式，是以电离击穿的离子气为工作介质，将熔融金属吹除进而形成割缝的一种切割技术，激发的电弧收缩质量好，穿透能力强 1-2.同等条件下，相对于气割与电弧切割，等离子弧切割不仅效率高，而且在切割质量和切割精度上也优于前两种切割方式.此外切割材料的种类可以覆盖绝大部分的金属3-4.等离子切割电弧与 TIG(Tungsten inert gas)电弧本质相同，TIG 电弧被认为是等离子态，两者本质上是阴极与阳极之间的一种剧烈的气体电离行为.根据等离子体温度的分类，TIG 焊接电弧属于低温等离子体，而等离子切割电弧属于高温等离子体，因此
4、等离子弧被认为是焊接电弧的升级5-6.Matus 等人7使用等离子弧切割技术在 0.3 MPa 高压环境下完成了油管和套管的切割，提高了作业效率，降低了人力成本.陈林柯8采用高频高压引弧技术，实现了高压环境(0.4 MPa)下等离子弧的稳定切割，并通过试验得出了随环境压力的升高，电弧长度逐渐变短的结论.谷孝满等人9通过对高压环境(0.1 0.5 MPa)下脉冲 MIG 焊接电弧的研究，得出弧长与压力的变化量不成正比的结论.电弧电离行为的理论研究主要是应用数学建模的方法进行数值模拟，数学模型主要有磁流体动力学模型、流体模型、粒子模型等.胡辉等人10依据磁流体动力学理论，建立了等离子体的数学模型，
5、对脉冲放电的等离子弧温度场以及电流密度分布进行了数值计算.Baimbetov 等人11引出等离子体的粘性以及辐射能量等概念，并提出热导率、电导率等物性参数的相关计算方法，由此建立了等离子体流体模型.Herrebout 等人12通过等离子体的粒子化构思，构建了碰撞动力学模型，得到了氩气在电离过程中电子在鞘层区的分布状态.文中研究了非高频引弧技术下的等离子弧，建立并优化了电弧磁流体模型，通过 COMSOLMultiphysics 软件实现了数值模拟；并搭建了实验平台，实现了环境压力为 0.1 0.7 MPa 的稳定起收稿日期：20220712基金项目：盾构与镗孔技术国家重点实验室开放基金项目(SK
6、LST-2018-K01)；北京石油化工学院重要科研成果培育项目(PCF-011)；北京市属高校高水平教师队伍建设支持计划-高水平创新团队建设计划(BPHR20220110)；面向北京高端制造业的高水平应用型科研成果孵化转化平台建设(11000023T000002199202)第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):82 89June 2023弧，最终通过高压梯度试验验证了电弧形态及能量变化的规律.1磁流体动力学模型磁流体动力学(magnetohydrodynamics，
7、MHD)模型本质是一种求解基本流体方程以及耦合的电磁场方程的数学模型.切割电弧等离子体不同于一般流体，需要考虑其中存在的磁场和电场作用.MHD 模型符合电弧流体的基本参数要求，通过构建合理的电弧几何模型，结合电弧的控制方程，进而达到对电弧流体研究的目的.MHD 方程组是由一组非线性偏微分方程组成，其中包含基本流体方程、Maxwell 电磁方程以及广义欧姆定律13-14.1.1几何模型及基本假设等离子切割电弧是一种压缩电弧，具有电离程度高、挺度好、放电持久、电弧形态稳定的优点.为便于研究高压环境等离子切割电弧的特性，在不影响仿真目标的前提下，假定切割电弧流体域呈轴对称分布，进而达到电弧模型简化的
8、目的.等离子弧割炬模型如图 1 所示.ABC DEFGHIJKML空气域电极工件 图1等离子弧割炬模型Fig.1Plasmaarccuttingtorchmodel 为便于进一步分析高压环境下等离子切割电弧的电离行为，对等离子切割电弧的模型做如下基本假设15-17.假设 1：等离子切割电弧是由逆变电源产生的直流电弧，电弧是稳定的二维轴对称结构，忽略电弧流动的粘性，其电场为有势场；假设 2：认为等离子切割电弧是连续的流体，其流动与传热特性可用 N-S 方程来描述.等离子体电弧的热力学参数以及电导率是仅为温度的函数，不考虑等离子体辐射的自吸收效应，认为等离子电弧是光学薄的；假设 3：等离子切割电弧
9、处于化学平衡状态，满足准电中性条件，电弧整体对外不显电性；假设 4：等离子切割电弧的阳极处于不活跃状态，不考虑金属蒸汽对电弧的影响；假设 5：等离子切割电弧为理想气体，不考虑重力作用.1.2MHD 控制方程组等离子切割电弧不仅具有一般流体的流动特性，而且因其受到电磁场的作用，其流动特性更加复杂.MHD 方程组的合理简化与求解，有利于问题的简化，电弧数学模型的构建依赖于 MHD 方程组的求解18-24.pjnjTj(1)状态方程，认为等离子切割电弧符合理想气体状态方程，每种组分的分压，数密度，温度满足式(1)，即p=pj=(njkBTj)=nkBT(1)kBkB=1.3811023J/KpnT式
10、中：是玻尔兹曼常数()；为气体总压；是总粒子数密度；是气体总温度.(2)质量守恒方程可表示为t+()=0(2)式中：是气体混合物的质量密度；为气体混合物速度.(3)动量守恒方程可表示为(jj)t+(jj)=Pj+jFjMj(3)PjjMjjFjjjjj式中：是 组分的应力张量；为 组分动量损失率；是作用于 粒子的体积力；为速度分量；是组分的质量密度.(4)能量守恒方程可表示为DDt(+v2/2)=q+(pv)+vjjFj+jjFjUj+Sh(4)J/kgShUjq式中：是单位质量体积的内能，单位；其中为体热源；为扩散速度；为热流量.(5)广义欧姆定律可表示为 j=(E+V B)(5)jEVB式
11、中：为电流密度；为电导率；为电场强度；为速度矢量；为磁场强度.1.3边界条件电弧模型的求解需要不同的物理边界条件和初始值.边界条件是电弧流体方程具有解的基本条件，描述的是待求量和其相关导数在流体边界上的取值情况，此外控制方程在计算域中的各个边界条件也均有不同.边界条件如下表 1 所示.表 1 中电流密度可根据电流值与电极截面积计算得出；热通量选用对流热通量，自定义传热系第6期李勇，等：高气压环境等离子弧行为与工艺研究83数和外部温度值；热源选择自定义广义源；流体场中边界壁类型均为无滑移；入口为速度边界，出口为压力边界，两者可根据压力差与环境压力等具体条件计算得出.2仿真及分析2.1网格剖分等离
12、子切割电弧作为特殊流体，其电弧由压缩空气电离产生，其物性参数不同于空气，文中采用空气等离子体的热物性参数作为电弧的基本参量.仿真过程中高质量的网格剖分有利于提高流体动力模型的收敛性和计算效率，因此选择用户自定义网格，其中空气域选择极细化网格剖分；电极域和工件域选择细化网格剖分；边界 JK，KM，DI 和GI 选择超细化网格剖分；空气域全部边界选择角细化网格剖分.网格剖分如图 2 所示.2.2电弧温度场及速度场分析采用基于环境压力的控制变量法进行仿真.对比 0.1 0.7 MPa 环境压力下的电弧形态有利于研究电弧电离行为.由温度场分布图 3 和图 4 可以看出，0.1 0.7 MPa 的电弧在
13、整体温度分布上呈现逐渐收缩趋势.电弧整体呈射流状，经喷嘴射出电弧呈发散状，几何平面形态呈梯形.此外，电弧中心温度较高，径向与轴向梯度较大.表1求解域边界条件Table1boundaryconditionsofsolutiondomain 边界电场条件磁场条件传热条件T1/K流体条件AB绝缘绝缘300壁BC绝缘绝缘300壁CD绝缘绝缘热通量出口DE接地绝缘热通量EF接地绝缘热通量FG接地绝缘热通量GH绝缘绝缘热通量出口GI热源壁ID热源壁HJ对称对称对称对称JK热源壁KM热源壁JL对称对称对称LM电流密度绝缘300AM绝缘绝缘300入口 图2网格剖分Fig.2meshgeneration(c)0
14、.3 MPa等值线温度 T1/104 K温度场温度 T2/104 K1.61.41.21.00.80.60.40.2最大 1.65 1041.551.351.150.940.740.540.340.13最大 1.55 104最小 299最小 1.31 103(d)0.4 MPa等值线温度 T1/104 K温度场温度 T2/104 K1.61.41.21.00.80.60.40.2最大 1.64 1041.541.341.140.940.730.530.330.13最大 1.54 104最小 299最小 1.31 1031.651.441.221.000.790.570.350.14(a)0.1
15、 MPa最大 1.65 104等值线温度 T1/104 K温度场温度 T2/104 K1.61.41.21.00.80.60.40.2最大 1.76 104最小 299最小 1.38 103(b)0.2 MPa等值线温度 T1/104 K温度场温度 T2/104 K1.621.411.200.980.770.560.350.14最大 1.62 1041.61.41.21.00.80.60.40.2最大1.73 104最小 299最小 1.36 103 图30.10.4MPa 环境压力下电弧温度场Fig.3Arc temperature field under 0.1 0.4 MPaambien
16、tpressure.(a)0.1MPa;(b)0.2MPa;(c)0.3MPa;(d)0.4MPa84焊 接 学 报第44卷电弧的速度场分布如图 5 和图 6 所示，切割电弧中心处速度最大，径向梯度较大.随着环境压力的升高，速度逐渐收敛，整体速度下降；速度收敛，进而导致了电弧的动量降低，吹除能力下降，因此导致工件上的挂渣增多.最终可知环境压力越大，对其熔融金属流动的阻碍作用力越强.等离子切割电弧主要依靠其高温熔化金属，进而吹除形成切口，最终达到切割工件的目的.因此，分析不同环境压力下切割试件的温度场分布规律，有助于研究工件切口宽度等切割质量指标的变化情况，从而进一步研究电弧电离行为.工件与电弧的接触面上温度较高，温度由高到低，由近及远整体呈现扩散式分布.由图 7 和图 8可知，随着环境压力的提高，工件温度最大值超过5 000 K，远超过了 Q235 碳钢的熔点.此外结合图 3 和图 4 可知，0.1 0.7 MPa 的温度范围逐渐增大，这就导致了在切割试验过程中，上部金属熔化较多，切口增大；而 0.1 0.7 MPa 环境压力下的工件底部温度范围逐渐减小，但整体差异性较小.由此可见，在