Numerical Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow for Arc-weld Pool in TIG Welding

摘要： 针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas，TIG)焊，采用一组满足整个求解域的偏微分方程组和合理的边界条件，建立包括钨极、电弧和母材的三维瞬态统一模型。以SUS304不锈钢为母材，求解获得电弧-电极(熔池)的温度场、流场、压力、电流密度、电磁力等结果，并与已有的试验结果和其他相关的研究结果做对比。在此基础上，通过分析阳极热输入，求得焊接热效率为86.3%。重点比较浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力单独作用下的熔池流动特性，并将计算结果和格拉晓夫数Gr、磁雷诺数Rm和表面张力雷诺数Ma相结合，分析了这几种驱动力的相对作用大小，将计算结果和Peclet数Pe相结合强调了熔池热对流与热传导的相对作用。结果表明，与等离子拉力和Marangoni剪切力相比，浮力和电磁力对熔池对流的作用较小；等离子拉力和Marangoni剪切力处于同一数量级，而Marangoni剪切力大于等离子流拉力，两者共同作用使熔池表面金属由内向外流动。与热传导相比，熔池金属这种向外流动导致的热对流主导传热过程，是造成TIG焊宽而且浅的焊缝形貌的本质原因。