交变磁场作用下的GTAW非稳态电弧数值模拟

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件Fluent,建立钨极惰性气体保护焊(Gas tungsten arc welding,GTAW)电弧非稳态三维数值模型,研究交变磁场作用下的非稳态电弧特性,为交变磁场在磁控焊接技术中的应用提供理论支撑。计算获得了外加交变轴向磁场作用下GTAW焊接电弧的温度场、速度场和压力场等结果,揭示了等离子体最高温度、阳极表面压力分布、阳极表面电流密度分布与时间的关系。对比分析磁场方向改变前后的计算结果发现,当外加磁场方向改变时,在反向旋转力作用下等离子体最大加速度能够达到6×10~7 m/s~2,在此加速度作用下,距离钨极较近的等离子体迅速改变旋转方向,而远离钨极的等离子体则来不及改变方向。当外加磁场磁感应强度为0.03 T、频率小于100 k Hz时电弧均能实现正反往复旋转,且阳极表面压力及电流密度分布不再是单一的双峰分布而是呈现单/双峰交替的周期性变化。试验中采用高速摄像系统拍摄了磁场方向改变后的电弧形态,焊接电弧先收缩后扩张,与模拟结果一致。