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为了分析钨极氩弧焊(GTAW)焊接电弧电场、磁场、流场、压力场以及热场在三维电弧空间内的分布规律,本文以直流钨极氩弧焊电弧为研究对象,根据磁流体动力学理论建立了基于自由燃烧的GTAW焊接电弧的流体流动和传热过程的三维瞬态数值模型,对AZ61A镁合金GTAW焊电弧的动态行为进行了研究。 首先,根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律以及麦克斯韦方程,建立了描述GTAW焊接电弧传热传质过程的控制微分方程组,并给出了相应的边界条件和初始条件。计算区域包括了电极、电弧区和工件。然后采用控制容积积分法对控制方程进行了离散化,并采用附加源项法对电场、磁场、流场以及热场中的边界条件进行了离散。在模型中,采用分离变量法来分别求解电场、磁场、流场和热场的值并依次改进,成功地处理了电场、磁场、流场和热场的耦合问题。最后,用Fortran语言编写了一套模拟镁合金GTAW焊电弧电磁场以及电弧等离子体瞬时流体流动和传热过程的计算程序。 利用所建立的数值模型,对镁合金GTAW焊电弧的动态行为进行了数值分析。通过对电场、磁场、流场和热场多耦合问题的求解,模拟并分析了电弧的电势、电流密度、磁感应强度、电磁力、流动速度、温度以及压力在三维空间内的分布特征。还研究了电弧对阴极工件表面热能特性和力学特性的影响,并得到了阴极工件表面上的电流密度、热流密度以及压力分布。将模拟结果与已有的实测数据进行了对比分析,结果表明模拟得到的电场、温度场以及压力场与已有的实测数据吻合良好。以电弧电场、磁场以及温度场等电弧特性为参考对象,计算了不同焊接工艺参数(弧长、焊接电流)条件下电弧特性的变化规律。 本文的工作能够为GTAW焊接电弧物理传输机制的分析提供理论依据和基础数据,也能为焊接工艺参数的优化提供理论指导,并且也是对GTAW焊熔池行为及其热过程进行数值分析的前提和基础。