10、气体保护金属电弧焊电弧的数值模拟

气体保护金属电弧焊电弧的数值模拟

1. 引言

气体保护金属电弧焊（GMAW）是一种重要且流行的焊接技术，它利用连续的可消耗填充金属电极与熔池之间的等离子弧进行焊接。在GMAW过程中，会出现非常复杂的传输现象，包括电弧等离子体、电极熔化和熔池动力学等。传统上，工业中采用试错法来确定关键焊接参数和开发GMAW技术，但这种方法不仅昂贵且耗时，还无法深入理解传输现象对焊接质量（如焊缝熔深、焊缝形状和气孔形成）的影响。

为了模拟GTAW和GMAW中电弧等离子体的传热和流体流动，已经开发了许多模型。例如，Mckelliget和Szekely、Choo等人以及Goodarzi等人通过假设GTAW中阴极表面的电流密度分布来模拟电弧柱；Fan等人使用阴极尖端的固定温度边界条件来计算GTAW中的电弧柱；Zhu等人开发了统一模型来模拟GTAW中的电弧柱、阴极和阴极鞘；Lowke等人简化了统一模型以处理电极效应或忽略电极鞘，简化模型将计算时间减少到原始统一模型的1%，并在选择合适的网格尺寸时与实验结果相符。这些简化模型被许多研究人员使用和进一步发展。

虽然GTAW使用惰性钨阴极作为电极，而GMAW的电极是熔化金属且通常设置为阳极，但GTAW电弧模型可用于模拟GMAW电弧。Jonsson采用GTAW电弧模型计算GMAW中的电弧柱；Zhu等人将简化电弧模型纳入一维传导模型来计算GMAW中阳极的温度分布；Haidar和Lowke扩展简化电弧模型来模拟GMAW中的熔滴形成，但他们的模型存在一些局限性，如熔滴脱离电极后立即消除、忽略熔池动力学等。Zhu等人开发了综合模型来模拟GMAW过程中的电弧柱、熔滴形成、脱离、转移和撞击工件以及熔池动力学，但模拟的电弧等离子体与实验结果和其他电弧模型的模拟结果匹配不佳。此外，许多数学