磁场辅助电弧焊接旋转等离子体行为的数值模拟

母中彦，胡仁志，庞盛永

先进焊接与连接

磁场辅助电弧焊接旋转等离子体行为的数值模拟

母中彦，胡仁志，庞盛永

（华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074）

研究外加纵向磁场对倾斜电极TIG焊接的电弧温度分布、流动模式和工件所受热力作用的影响。建立磁场-电弧复合焊接热、电、磁、流动的三维数学模型。通过数值模拟和高速摄像实验，揭示倾斜电极电弧在外加磁场作用下的流动、形貌及温度演化机制。外加纵向磁场后，电弧流动速度明显增加，流动模式由沿电极方向喷射变为近似沿竖直方向旋转向下的流动模式；电弧对工件的热作用均匀性提高，热作用中心向电极正下方靠近，但在焊接横向方向上存在偏离；工件受到表面的电弧旋转拖拽力和内部的旋转洛伦兹力作用，最大洛伦兹力可达50 000 N/m3。基于所建立数学模型的模拟结果与实验电弧形貌吻合良好，结果表明，外加纵向磁场能够显著改变电弧的形态及流动模式，提高电弧热流密度的均匀性，并能够对熔池产生有效的搅拌作用。

复合焊接；电弧焊接；等离子体；磁场；数值模拟

现代装备对高服役性能的需求日益严苛，给现有电弧焊、激光焊为代表的焊接工艺带来了重大挑战。采用多能场复合焊接技术[1—4]，是实现高精度、高性能制造的有效途径。现有研究结果表明，在广泛应用的电弧焊接中引入外加磁场，能够提高焊接稳定性，改善焊缝组织，提高接头耐腐蚀性能[3—5]。……