双钨极TIG电弧-熔池传热与流动数值模拟

王新鑫¹，樊丁^1,2，黄健康^1,2，黄勇^1,2

1. 兰州理工大学材料科学与工程学院2. 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室

摘 要：针对双钨极TIG电弧热源,在已建立的双钨极电弧-熔池统一的三维数学模型的基础上,以SUS304不锈钢为母材,模拟得到了双钨极TIG电弧和熔池的温度、速度、电流密度、磁通密度和电磁力等分布,模拟结果与已有的实验结果吻合良好.考虑了熔池所受浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力以及湍流效应,分析了熔池热输入的分布和熔池表面剪切力的变化,并分别比较了这几个力单独作用下的熔池流动与传热,同时结合无量纲数Pe,比较了熔池热传导和热对流的相对强弱.结果表明,双钨极电弧的非轴对称特性导致熔池表面的电流密度、热流密度、等离子流拉力和Marangoni剪切力等出现非轴对称分布,最终形成了熔池的非轴对称形貌,而熔池的发展演化对电弧行为无明显影响.与TIG电弧相比,双钨极TIG电弧的等离子流拉力明显减小.Marangoni剪切力决定不锈钢熔池的流动状态,且对流传热主导不锈钢熔池的热传递,这两者的共同作用决定熔池的传热过程,是形成不同熔池形貌的根本原因.

关键词：双钨极;数值模拟;传热;非对称;无量纲数;