微束等离子弧焊是一种小电流焊接工艺,适用于汽车制造、航空航天等领域的薄壁件修复及增材制造中,但由于薄壁特征及制造过程中的往复热累积,堆焊层将出现向两侧“下塌”的现象,导致其成形精度降低、综合性能变差。文中提出使用外加横向磁场辅助焊接过程的方法,利用非接触电磁力调控电弧对熔池的热输入与力输入,最终达到改善堆焊层形貌与提高堆焊层性能的目的,为薄壁件的磁场辅助电弧增材制造技术提供一定的理论依据。根据磁流体动力学方程组,建立微束等离子电弧三维数值模型,应用多物理场耦合分析软件COMSOL进行求解。仿真结果表明:电弧中心温度分布从钨针至焊件整体呈“毛笔”状,其中喷嘴下方电弧形态呈“钟罩”形,在焊件上温度分布符合高斯分布特征;电弧等离子体在喷嘴内部速度较大,离开喷嘴后,其方向由喷嘴内的竖直向下逐渐变为到达工件时的向四周扩散;电流由焊件表面流出,经过弧柱区域流入钨针下端面,在钨针下端面附近取得最大值;电弧磁通密度分布呈“肺叶”状,自身感应产生的洛伦兹力由四周斜向下指向电弧中心。为探讨外加横向磁场对微束等离子电弧的影响,文中将外加磁场简化为背景场加入模型,将附加电磁力以源项的形式添加至动量方程,建立了电-磁-热-流四场耦合模型。仿真结果表明:稳态磁场作用时,喷嘴内部电弧等离子体未发生明显变化,喷嘴下方电弧等离子体受到洛伦兹力被推向x负方向,导致电弧温度、等离子速度、电流密度均发生偏转,且随磁场强度增加,偏转程度增大。熔池随电弧偏转发生相应地移动,电弧对焊件热输入及电弧压力减小;交变磁场作用时,电弧在电磁力作用下来回摆动,但电弧摆动与磁场之间具有一定的“延迟”,频率越高,“延迟”越大。熔池并未随电弧摆动而移动,相较于无磁与外加稳态磁场,在一个周期内电弧对熔池热输入更小且更分散,电弧压力总体值减小。在薄壁件上进行了不同横向磁场作用下的熔焊及堆焊试验。熔焊试验过程中拍摄的电弧形态与仿真结果吻合良好。稳态磁场作用时:随着磁场强度增加,焊缝熔深及熔宽减小,余高增加;交变磁场作用时:随着磁场频率增加,焊缝熔深与余高增大,熔宽减小。通过金相分析发现,稳态磁场对改善焊缝微观组织具有一定的效果,但交变磁场改善焊缝微观组织的效果更佳。在薄壁件上进行了多层堆焊试验,发现外加稳态磁场与交变磁场均可抑制焊缝向两侧“下塌”的现象。