本發(fā)明涉及負壓電弧焊接技術(shù)和負壓電弧增材制造，更具體地說，本發(fā)明涉及一種磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、負壓電弧是指在常規(guī)水平標準位置，電弧壓力為負壓狀態(tài)，在電弧中形成中心到周圍壓力遞增的反向壓力梯度，使電弧溫度分布在中心區(qū)域均勻迅速下降，從而增強電弧的工藝特性，改善傳統(tǒng)正壓電弧的物理屬性及其能量分布，有效規(guī)正壓電弧的不利影響，提高增材制造效率、成形精度和質(zhì)量。負壓電弧焊接是指在水平焊接位置，這也是電弧增材制造常用標準位置，相對于焊接熔池而言，焊接電弧壓力為負值，即電弧負壓力(吸引力)，電弧具有吸引(吸附)作用，稱之為負壓電弧，為區(qū)別于常規(guī)正壓電弧焊接，故將其新定義為負壓電弧焊接。負壓電弧焊接由外加縱向磁場控制電弧焊接方式產(chǎn)生，故定義其為磁控負壓電弧焊接，以示區(qū)別于常規(guī)磁控正壓電弧焊接。顯而易見，負壓電弧焊接與空心鎢極“微負壓”電弧焊接有著本質(zhì)區(qū)別，因為空心鎢極“微負壓”電弧焊接的“電弧整體壓力依然為正值、只是局部區(qū)域比常規(guī)電弧壓力低”，依然具有正壓電弧特征，不是全域負壓特征，完全屬于正壓電弧焊接科學技術(shù)范疇，不屬于真正意義上的負壓電弧焊接和負壓電弧增材制造技術(shù)體系。與常規(guī)實心鎢極電弧相比，空心鎢極電弧壓力降低，空心鎢極電弧能量分布和熱力輸出均發(fā)生改變，隨著局部壓力降低而減少，空心鎢極電弧特性與調(diào)控具有了靈活性，具有將空心鎢極應(yīng)用于同軸送絲電弧焊接、電弧-激光復合焊接、表面堆焊以及電弧增材制造領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿?。空心鎢極內(nèi)孔處于“微負壓”狀態(tài)降低了電弧區(qū)域的壓力值，具有了異于常規(guī)電弧的特性，但是，空心鎢極焊接電弧依然是正壓力焊接電弧，只是電弧壓力比常規(guī)電弧低，并未產(chǎn)生電弧負壓力，依然表現(xiàn)為正壓電弧焊接作用機制。采用磁場控制方法，可以很方便地促使gtaw焊接電弧形成從正壓力到負壓力、正壓力梯度到負壓力梯度的多種電弧特性，能夠?qū)崿F(xiàn)電弧增材制造(或者焊接)技術(shù)的靈活調(diào)控，目前外場技術(shù)為負壓電弧焊接技術(shù)提供了多樣化的控制手段和技術(shù)借鑒，能夠創(chuàng)新構(gòu)建磁控空心鎢極全域負壓電弧焊接技術(shù)和磁控空心鎢極全域負壓電弧增材制造技術(shù)。

2、通過實驗觀察、數(shù)值模擬和理論分析等手段，可以揭示負壓電弧的形成機理、電離過程和能量傳輸特性，為優(yōu)化和應(yīng)用負壓電弧焊接和增材制造提供了科學依據(jù)。對于負壓電弧的設(shè)計方法采用實驗方式、測量其規(guī)律、設(shè)計其特性的流程十分復雜和不理想，因此，采用數(shù)值模擬輔助設(shè)計的方式進行負壓電弧設(shè)計，但目前為止，未有經(jīng)濟、有效、可靠的磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法，以推動負壓電弧焊接技術(shù)和負壓電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用。

3、鑒于此，本發(fā)明提出一種磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的實施例提供一種磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、步驟1:計算空心鎢極電弧形態(tài)；所述步驟1包括以下步驟：

4、(1)建立負壓電弧下的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程確定電弧等離子體的速度和壓力分布：

5、

6、式中，ρ為密度；v為速度矢量；p為壓力；μ為粘度；i為單位矩陣；f為動量源項；

7、根據(jù)能量守恒方程求解電弧溫度t：

8、

9、式中，k為熱傳導系數(shù)；t為溫度；cp為比熱容；q為能量守恒方程源項；

10、根據(jù)電流連續(xù)性方程和歐姆定律計算電勢和磁矢勢分布：

11、

12、式中，v為電勢，a為磁矢勢，σ為電導率；

13、根據(jù)v和a求得電流密度j和磁感應(yīng)強度b：

14、

15、電弧能量源項由焦耳熱、電子焓傳遞和電弧輻射損失三個部分組成：

16、

17、式中kb是玻爾茲曼常數(shù)；e是電子電荷；t為電弧形態(tài)的溫度場；q是熱量源項；qrad為電弧輻射損失；

18、根據(jù)電弧自感應(yīng)磁場強度b、電流密度j以及動量守恒方程，求解動量守恒方程中的動量源項：

19、f＝j(luò)×b

20、(2)定義空心鎢極電弧初始工藝參數(shù)，材料熱物性參數(shù)，邊界條件；

21、(3)根據(jù)電弧形態(tài)的溫度場t、壓力p、速度v和電流密度j獲得空心鎢極電弧物理特征；

22、步驟2：計算外加縱向磁場下的空心鎢極電弧；所述步驟2包括以下步驟：

23、(1)通過改變動量源項的方式添加外加電磁力：

24、f＝j(luò)×(b+b0)

25、式中，b0為外加縱向磁場的磁感應(yīng)強度；

26、(2)根據(jù)外加磁場下的電弧物理特征變化研究外加縱向磁場對電弧溫度、壓力、速度和電流密度的影響，進而得到外加磁場下電弧壓力和工件表面負壓力的變化規(guī)律；

27、步驟3：通過將計算結(jié)果與相同條件下實驗結(jié)果進行對比，驗證計算結(jié)果是否與相同條件下的實驗結(jié)果相符合，若符合，進行下一步驟；反之，重新回到步驟1，調(diào)整模型或邊界條件或初始條件，重新進行建模和數(shù)值模擬計算的循環(huán)過程，直至計算結(jié)果與相同條件下的實驗結(jié)果相符合，完成模型準確性驗證；固定模型，改變其他條件或者參數(shù)，求解多種條件和情況下的電弧結(jié)果。

28、步驟4：通過改變空心鎢極電弧其他條件或者參數(shù)研究外加磁場對電弧溫度、壓力、速度和電流密度的影響規(guī)律；進而得到和分析總結(jié)在不同參數(shù)下對電弧物理特征的主導作用和工件表面壓力的變化規(guī)律；完成磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計。

29、本發(fā)明一種磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法，無抽氣只是外加磁場改變時，鎢極空心腔的存在促進了電弧等離子體回流的產(chǎn)生，外加縱向磁場總會降低空心鎢極電弧焊接工件表面壓力，并在工件表面形成負壓力，實現(xiàn)磁控空心鎢極負壓電弧的構(gòu)建。

30、本發(fā)明一種磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法，抽氣壓力與外加磁場改變時，當抽氣壓力接近-20kpa時，磁感應(yīng)強度小于0.03t時的壓力變化值小，磁感應(yīng)強度大于0.04t時，壓力快速下降，磁感應(yīng)強度小于0.03t時，抽氣壓力對電弧中心壓力起主要作用，磁感應(yīng)強度大于0.04t時，外加磁場對電弧中心壓力起主要作用。

31、本發(fā)明一種磁控空心鎢極全域負壓電弧設(shè)計方法的技術(shù)效果和優(yōu)點：通過數(shù)值模擬仿真磁場控制以及改變抽氣壓力，控制工件表面溫度，使得熔池更均勻穩(wěn)定，通過增加體積力的方法加載外加電磁力實現(xiàn)外加磁場對電弧的控制，添加陰極陽極熱源邊界條件的方法實現(xiàn)了陰極陽極鞘層區(qū)的模擬，使得數(shù)值模擬結(jié)果更加符合實際情況，提供了完整的數(shù)值模擬輔助負壓電弧設(shè)計的新思路，有利于負壓電弧焊接技術(shù)和負壓電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展。

32、本發(fā)明適用于負壓電弧焊接技術(shù)，或者負壓電弧增材制造技術(shù)，或者負壓電弧-激光同軸復合焊接技術(shù)，或者負壓電弧-激光旁軸復合焊接技術(shù)，或者負壓電弧-激光復合熔覆技術(shù)，或者負壓電弧-激光復合增材制造技術(shù)，或者負壓電弧-高能束復合焊接技術(shù)，或者負壓電弧-高能束復合熔覆技術(shù)，或者負壓電弧-高能束復合增材制造技術(shù)。