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钨极惰性气体保护焊(简称 TIG焊)是采用钨作为非熔化电极,惰性气体作为保护气体的电弧焊方法,在现代工业中广泛应用,几乎可以应用于所有金属的连接。电磁搅拌焊接技术是一种改进和优化焊接工艺的有效方法,通过在焊接过程中添加外加磁场,控制电弧形态,进而影响母材的加热和熔化,同时对焊接熔池进行搅拌,改变熔池金属的结晶状况,从而提高焊接质量。本文以外加纵向磁场下 TIG焊接作为研究对象,通过间接耦合的方法研究外加纵向磁场下焊接电弧和熔池的变化情况,分析焊接过程中纵向磁场的作用机理。 首先,采用ANSYS中的Fluent软件,建立了基于磁流体动力学的电弧数值模型,采用SIMPLE算法求解出电弧的温度场,流场等。数值模拟结果表明在焊接电流I为200A和300A时,电弧最高温度分别为20000K、25000K。随着外加纵向磁场强度的增加,焊接电弧由钟形向钟罩形变化,阳极表面电流密度由高斯分布逐渐过渡为双峰分布。当磁场强度增加到0.03T时,在焊接电弧中心下部出现一个10000K-15000K的低温区,与普通TIG焊相比该区域温度低4000K,同时在低温区出现一个顺时针的环流和负压区,此时阳极表面电流密度分布为对称型双峰分布。我们以17000K等温线的轴向变化量为标准来表述焊接电弧的转变过程,并建立了判断临界磁场强度的公式。在本文的模拟条件下临界纵向磁场强度为0.022T。 其次,根据电弧的数值模拟结果,通过MATLAB拟合出焊接熔池的热输入,将拟合出的热输入以热对流边界条件的形式加载到熔池的上表面,利用 Fluent熔化/凝固模型,求解出AZ91镁合金TIG焊熔池的温度场与速度场。数值模拟结果表明,在外加磁场的作用下,焊接熔池的最高温度由1100K降低到920K,但是熔池宽度变宽,深度变浅,温度梯度减小,使得焊接熔池温度变得更加平均。同时熔融金属的流动方向发生改变,流动速度增加到0.3m/s。这些变化可以显著的提高焊接接头质量。