第15卷 第4期
氦−氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧特性数值分析
摘要：目的 研究激光+电弧复合焊中氦−氩混合保护气体成分对电弧等离子体物理特性的影响，从而改善焊接性能。方法 综合考虑角接头几何特性和氦−氩混合保护气体的物理特性，建立氦−氩混合保护气体角接头 旋转激光+电弧复合焊电弧行为的数值分析模型。使用 FLUENT 软件对不同体积比氦−氩保护气体下电弧等离子体的温度场、流场、压力场和电势场进行模拟计算，对比分析保护气体成分改变对电弧等离子体的影响规律，考虑其对焊接性能的影响，并将计算结果与高速摄影试验进行对比，验证数值分析模型的准确性与合理性。结果 保护气体分别为纯 Ar、95%Ar+5%He、90%Ar+10%He 时，电弧向激光侧偏移收缩，电弧整体形貌被压缩，位置 A 纵截面处电弧等离子体的峰值温度分别为 25 603、25 080、23 904 K，最大流速分别为 336.34、334.34、317.58 m/s，压力最大值分别为 899.08、943.40、957.67 Pa，电势梯度分别为 11.56、 12.17、13.18 V。结论 在氦−氩混合保护气体激光+电弧复合焊中，当保护气体中氦气体积分数增加到 5%和 10%时，随着氦气所占比例的增大，电弧处于动态变化过程，电弧被压缩，等离子体的峰值温度逐渐降低，最大流速下降，电弧压力和电势梯度增大，有利于焊缝熔深的增大。
图1 T 形接头示意图
图4 T 形接头旋转激光+电弧复合焊电弧模型边界条件示意图
图5 T 形接头旋转激光+电弧复合焊电弧模型网格划分示意图
图9 不同成分保护气体下电弧纵截面速度场分布（位置 A、B）
图10 不同成分保护气体下电弧纵截面压力分布（位置 A、B）
图11 不同成分保护气体下电弧纵截面电势分布（位置 A、B）
图12 不同成分保护气体下电弧高速摄像图
总结：
1）综合考虑接头几何特征、不同比例的氦−氩混合保护气体成分及旋转激光热源移动路径变化，建立了角接头旋转激光+电弧复合焊电弧数值分析模型；模拟计算了不同比例氦−氩混合保护气体成分下电弧等离子体的温度场、速度场、压力场及电势梯度分布；分析了不同成分保护气体对等离子体各特性的影响，并通过高速摄像试验验证了其合理性。
2）在激光旋转条件下，复合焊电弧物理行为处于动态变化过程；当激光旋转至不同位置时，电弧物理特性分布随之改变；当保护气体中氦气体积分数由 0 增至 10%时，电弧逐渐收缩，电弧峰值温度逐渐降低，等离子体最大流速降低，电弧压力和电势随之上升。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.018
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
苏霄阳，刘文，胥国祥，孙亚杰，朱杰，胡庆贤等.氦−氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧特性数值分析[J]. 精密成形工程, 2023, 15(4): 164-175.
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