30565

شبيه سازي قوس الكتريكي در فرآيند جوشكاري قوسي پلاسما

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي- استخراج فلزات

1399

1402/8/23

مسعود گودرزي

مهندسي مواد و متالورژي

در اين پژوهش تلاش شده است تا جوشكاري قوسي پلاسما به كمك شبيه سازي رايانه¬اي براي تعيين اثر اندازه¬ي قطر دهانه¬ي نازل روي قوس الكتريكي، مورد بررسي قرار گيرد. در اين راستا، عوامل مؤثر بر كيفيت جوش حاصل از اين فرآيند مانند شكل و اندازه¬ي نازل، سرعت و جريان جوشكاري، نرخ و تركيب جريان گاز محافظ و روزنه و ويژگي¬هاي الكترود بيان شدند. شبيه سازي عددي قوس پلاسما در حين جوشكاري براي پيش¬بيني رفتار قوس و همچنين مقايسه¬ي نتايج حاصل براي سه هندسه با اندازه¬ي قطر دهانه¬هاي متفاوت، براي بررسي اثر اندازه¬ي قطر دهانه بر قوس حاصل از اين جوشكاري ارائه شد. شبيه سازي عددي به كمك نرم افزار Ansys Fluent انجام شد. گام نخست، براي انجام شبيه سازي طراحي هندسه¬ي مورد بررسي يا دامنه¬ي محاسباتي بود. در قدم بعد هندسه¬ي طراحي شده شبكه بندي شد. در اين مرحله، تمامي فرضيات مسئله از جمله مدل¬هاي مورد بررسي (معادلات حاكم شامل معادله¬ي پيوستگي جرم، معادلات سرعت، معادله¬ي انرژي، معادله¬ي پتانسيل الكتريكي و معادله¬ي ميدان مغناطيسي)، شرايط مرزي براي هر معادله و تغييرات چگالي، گرانروي، ظرفيت گرمايي ويژه، رسانش حرارتي و الكتريكي سيال جاري (گاز آرگون خالص) در دامنه¬ي محاسباتي با دما به عنوان گاز پلاسما و گاز محافظ تعيين شدند. پس از تنظيم نحوه¬ي حل مسئله (روش حل، تعداد حل¬هاي متوالي و باقي¬مانده¬ي مورد انتظار براي همگرايي پاسخ) و انجام محاسبات با كمك نرم افزار، نتايج حاصل از حل مسئله براي تمامي معادلات، براي مقايسه¬ي قوس حاصل از سه نازل با قطر دهانه¬ي mm 8/1، mm 4/2 و mm 3 ارائه شدند. نتايج حاصل در مورد دما، سرعت، فشار، نيروي مغناطيسي، چگالي جريان و پتانسيل الكتريكي براي هر سه نازل با قطرهاي متفاوت، به صورت كانتورهاي جداگانه ارائه شدند. بنابر نتايج بدست آمده، طراحي دهانه¬ي نازل بر قوس الكتريكي تأثير مستقيم داشته به گونه¬اي كه با كاهش قطر دهانه¬ي نازل، قوس الكتريكي انقباض بيشتري پيدا كرده و در پي اثر مستقيم تمام ويژگي¬هاي قوس بر يكديگر، آن¬ها را تحت تأثير قرار مي¬دهد. انقباض قوس سبب بالا رفتن فشار قوس و به صورت متقابل بالا رفتن سرعت جريان پلاسما در طول قوس و همچنين افزايش دما مي¬شود.

1402/12/15

Electric arc simulation in plasma arc welding process

1/1/1900 12:00:00 AM

In this research, an attempt has been made to investigate plasma arc welding with the help of computer simulation to determine the effect of the size of the nozzle orifice on the electric arc. In this regard, the factors affecting the quality of welding resulting from this process, such as the shape and size of the nozzle, the speed and current of welding, the rate and composition of the flow of shielding gas and the orifice, and the characteristics of the electrode, were stated. Numerical simulation of plasma arc during welding was presented to predict the behavior of the arc, as well as comparing the results for three geometries with different diameters of the orifices, to investigate the effect of the orifice diameter on the arc resulting from this welding. Numerical simulation was done using Ansys Fluent software. The first step was to simulate the design of the studied geometry or computational domain. In the next step, the designed geometry was meshed. At this stage, all the assumptions of the problem, including the investigated models (governing equations including mass continuity equation, velocity equations, energy equation, electric potential equation and magnetic field equation), boundary conditions for each equation and changes in density, viscosity, specific heat capacity, thermal and electrical conductivity of flowing fluid (pure argon gas) were determined in the calculation range with temperature as plasma gas and shielding gas. After setting the method of solving the problem (solution method, number of consecutive solutions and the expected residual for the convergence of the answer) and performing calculations with the help of the software, the results of solving the problem for all equations, for comparison the arc obtained from three nozzles with the orifice diameter of 1.8 mm, 2.4 mm and 3 mm were provided. The results regarding temperature, velocity, pressure, magnetic force, current density and electric potential for all three nozzles with different diameters were presented as separate contours. According to the obtained results, the design of the nozzle orifice has a direct effect on the electric arc in such a way that by reducing the diameter of the nozzle orifice, the electric arc becomes more contracted and due to the direct effect of all the features of the arc on each other, it affects. The contraction of the arc causes an increase in the arc pressure and a reciprocal increase in the plasma flow rate during the arc, as well as an increase in temperature.

جوشكاري قوسي پلاسما , قوس الكتريكي , گاز پلاسما , شبيه سازي قوس

Plasma Arc Welding (PAW) , electric arc , Plasma Gas , Arc Simulation

Sajjad Dehghani

Dr. Masood Goodarzi