64 工程科学学报.第42卷，增刊1 表2不同电弧电流下鲍曼实验数据网与模拟数据中等离子体流速对比 Table 2 Comparison of the plasma flow rate between Bowman data and simulated data at different currents Distance from the cathode/mm Current/A 20 好 55 Bowman/(m's) Simulated/(ms) Bowman/(m's) Simulated/(m's) Bowman/(m's) Simulated/(m's) 520 520 548 230 254 180 160 1150 1400 1415 1000 942 600 585 2160 1500 1449 950 920 500 733 T10K) (a) (b) (c) 42086420 图4不同电流大小对电弧温度分布的影响.(a)30kA:(b)40kA:(c)50kA Fig.4 Effect of different currents on the arc temperature distribution:(a)30 kA;(b)40 kA;(c)50 kA 有利于加大与熔池的热量传递 10000 电流为40kA,弧长为400mm条件下的电弧 -30kA 40kA 速度进行分析，如图5所示.等离子体在阴极附近 8000 -50kA 被洛伦兹力加速，距阴极约70mm处达到最大速 6000 度7606ms,随后速度开始衰减，至阳极表面附 近由于阻碍作用等离子体速度急剧衰减，最终降 4000 为0.同时，在阳极表面处，距离中心轴线约50mm 处存在速度梯度较大区域，该区域直接影响阳极 2000 表面气体剪切力分布 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 u(m-s 2/m 0.1 图6不同电流大小对电弧中心轴线速度分布的影响 600 号02 Fig.6 Effect of different currents on the velocity distribution of the arc central axis 0.3 300 大而增大，而且主要集中在电弧轴线的中心位置， 为 500 -0.2 0 0.2 0.4 50kA时电弧压力峰值最大，达到3.4×10Pa.由于 m 电弧压力较大，会对熔池冲击产生一定深度的凹 图540kA-400mm工艺条件下电弧速度分布 坑.由图7(b)可知，剪切力先增大后减小，在距对 Fig5 Arc velocity distribution under 40kA-400 mm process conditions 称轴约50mm处达到最大值，这可能是由于该处 图6为不同电流大小对电弧中心轴线速度分 速度梯度最大（见图5），因此剪切力峰值出现在此 布的影响.由图可知，随着电流的增大，电弧中心 处.剪切力随着电流的增大而增大，整体变化趋势 轴线速度整体增大.这是由于随着电流的增大，阴 基本保持一致.气体剪切力驱动熔池流动的作用 极附近电势梯度增大，导致电流密度增大，由于磁 仅次于表面张力0，使熔池由内向外流动 场和电场的相互作用，产生的电磁力更大，从而阴 2.3不同弧长对电弧特性的影响 极射流更明显，中心轴线速度更大 固定电流大小为40kA.研究不同弧长(300、400 图7分别为阳极表面处电弧压力和气体剪切 和500mm)对电弧的影响. 力的径向分布图.由图7(a)可知，电弧压力呈高斯 图8为不同弧长情况下电弧温度分布云图 分布：在弧长不变的情况下，电弧压力随电流的增 由图可知，不同弧长情况下电弧温度分布基本保有利于加大与熔池的热量传递. 电流为 40 kA，弧长为 400 mm 条件下的电弧 速度进行分析，如图 5 所示. 等离子体在阴极附近 被洛伦兹力加速，距阴极约 70 mm 处达到最大速 度 7606 m·s−1，随后速度开始衰减，至阳极表面附 近由于阻碍作用等离子体速度急剧衰减，最终降 为 0. 同时，在阳极表面处，距离中心轴线约 50 mm 处存在速度梯度较大区域，该区域直接影响阳极 表面气体剪切力分布. 图 6 为不同电流大小对电弧中心轴线速度分 布的影响. 由图可知，随着电流的增大，电弧中心 轴线速度整体增大. 这是由于随着电流的增大，阴 极附近电势梯度增大，导致电流密度增大，由于磁 场和电场的相互作用，产生的电磁力更大，从而阴 极射流更明显，中心轴线速度更大. 图 7 分别为阳极表面处电弧压力和气体剪切 力的径向分布图. 由图 7（a）可知，电弧压力呈高斯 分布；在弧长不变的情况下，电弧压力随电流的增 大而增大，而且主要集中在电弧轴线的中心位置， 50 kA 时电弧压力峰值最大，达到 3.4×104 Pa. 由于 电弧压力较大，会对熔池冲击产生一定深度的凹 坑. 由图 7（b）可知，剪切力先增大后减小，在距对 称轴约 50 mm 处达到最大值，这可能是由于该处 速度梯度最大（见图 5），因此剪切力峰值出现在此 处. 剪切力随着电流的增大而增大，整体变化趋势 基本保持一致. 气体剪切力驱动熔池流动的作用 仅次于表面张力[30] ，使熔池由内向外流动. 2.3    不同弧长对电弧特性的影响 固定电流大小为 40 kA，研究不同弧长（300、400 和 500 mm）对电弧的影响. 图 8 为不同弧长情况下电弧温度分布云图. 由图可知，不同弧长情况下电弧温度分布基本保 表 2 不同电弧电流下鲍曼实验数据[28] 与模拟数据中等离子体流速对比 Table 2 Comparison of the plasma flow rate between Bowman data and simulated data at different currents Current/A Distance from the cathode/mm 20 38 55 Bowman/(m·s−1) Simulated/(m·s−1) Bowman/(m·s−1) Simulated/(m·s−1) Bowman/(m·s−1) Simulated/(m·s−1) 520 520 548 230 254 180 160 1150 1400 1415 1000 942 600 585 2160 1500 1449 950 920 500 733 T/(103 K) 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 (a) (b) (c) 图 4    不同电流大小对电弧温度分布的影响. （a）30 kA；（b）40 kA；（c）50 kA Fig.4    Effect of different currents on the arc temperature distribution: (a) 30 kA; (b) 40 kA; (c) 50 kA 0 0.1 0.2 0.3 0.4 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 z/m r/m u/(m·s−1) 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2000 1000 500 图 5    40 kA−400 mm 工艺条件下电弧速度分布 Fig.5    Arc velocity distribution under 40 kA−400 mm process conditions 10000 8000 6000 4000 2000 0.1 0.2 z/m 0.3 0.4 0 0 u/(m·s−1 ) 30 kA 40 kA 50 kA 图 6    不同电流大小对电弧中心轴线速度分布的影响 Fig.6    Effect of different currents on the velocity distribution of the arc central axis · 64 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1