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）是一种重要且常用的焊接技术，在焊接过程中会出现复杂的传输现象，如电弧等离子体、电极熔化和熔池动力学等。过去工业上常采用试错法来确定关键焊接参数和开发相关技术，但这种方法不仅昂贵且耗时，还难以深入理解传输现象对焊接质量的影响。

此前已有许多模型用于模拟GTAW和GMAW中电弧等离子体的传热和流体流动。例如，Mckelliget和Szekely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等人使用固定温度边界条件计算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、阴极和阴极鞘层；Lowke等人简化了统一模型以减少计算时间。这些简化模型被许多研究人员采用和进一步发展。

虽然GTAW和GMAW都有电极与工件之间的等离子体电弧，但GTAW使用惰性钨阴极，而GMAW的电极是熔化金属且通常为阳极。不过，GTAW电弧模型仍可用于模拟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计算GMAW中阳极温度分布；Haidar和Lowke扩展简化模型模拟GMAW中的熔滴形成，但他们的模型存在一些局限性，如忽略熔滴脱离电极后的情况和熔池动力学等。Zhu等人开发了综合模型模拟GMAW过程中的传输现象，但模拟的电弧等离子体与实验结果匹配不佳。此外，还有许多数学模型在不考虑电弧等离子体的情况下模拟GMAW过程的传输现象，这些模型往往局限于焊接过程的一部分或进行了大量简化。

2. 数学模型

GMAW系统是一个二维轴对称系统，计算域内有固相、液相和气相三种相态。固相包括未熔化的电极和部分工件，液