窄间隙摆动电弧数值模拟

徐 刚， 张天雷， 何林基， 沈艳涛， 马春伟

(1.上海工程技术大学 材料工程学院， 上海 201620； 2.北京遥感设备研究所， 北京 100854；3.北京海基科技发展有限责任公司， 北京 100192)

窄间隙焊接是一种采用较小坡口角度的高效焊接方法，具有填充焊材量少，热输入低，焊缝力学性能好，生产效率高及制造成本低等优点[1-2]。但是，窄间隙焊接容易产生根部和侧壁未熔合的现象[3]。所以研究窄间隙焊接电弧的物理特性就变得十分重要。但电弧的物理过程十分复杂，通过试验手段很难对其进行分析，而流体仿真计算提供了较好的分析途径。

目前，国内外学者已经对等离子弧焊及非熔化极惰性气体保护电弧焊(tungsten inert gas welding, TIG)电弧做了大量数值计算相关工作。殷凤良等[4-5]建立了完善的等离子焊的电弧模型，并建立了等离子弧焊电弧反翘模型。贾剑平等[6]建立了旋转TIG电弧模型，但目前没有开展与窄间隙焊接电弧相关的数值计算工作。

课题组借鉴了众多学者对等离子弧焊及TIG焊电弧的模拟计算分析思路，使用流体计算软件FLUENT，并对其用户自定义函数(UDF)进行二次开发，求解磁流体动力学相关方程。不考虑金属蒸气，不考虑熔滴过度，简化保护气化学成分，研究窄间隙焊接的电弧特性。

1 数学模型

1.1 基本假设

基本假设：电弧区域为导电的纯氩气环境，等离子体参数仅为温度的函数；电弧处于稳态，且不可压缩；电弧处于层流状态，为稳定的连续介质；电弧关于中心平面对称；电弧等离子体处于局部热平衡(local thermal equilibrium，LTE)状态；……