等离子弧焊(PAW)是主要的高能密度焊接方法之一,能量高度集中、电弧力强,能直接穿透被焊工件,实现单面焊双面成形;焊缝深宽比大,焊接质量好,在造船、航空、航天以及军事工业等领域有着广泛的应用和广阔的发展前景。近年来,随着电子计算机技术的飞速发展,等离子弧焊接过程的数值模拟成为焊接过程计算机模拟的一个重要方向。本文根据流体力学、流体动力学及传热学理论,建立了运动等离子弧作用下焊接熔池流场、温度场的三维瞬态数值分析模型。该模型综合考虑了熔池内部液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面通过对流和辐射向周围环境的散热以及熔化/凝固相变潜热等对熔池流场与温度场的影响。采用三维锥体热源对等离子弧焊接过程进行了流体动力学分析,利用ANSYS有限元软件及其二次开发对所建立的模型进行了求解。分别计算了三维静态热源及三维移动热源作用下PAW焊接熔池温度场及其动态变化过程;研究了三维锥体热源作用下焊接熔池流体流场、熔池内金属的流动方式以及熔池流体运动速度的变化;分析了焊接工艺参数对等离子弧焊接温度场的影响。通过PAW焊接实验,对数值模拟结果进行了验证和对比分析。研究结果表明,本文建立的等离子弧焊接熔池温度场及流场的数值分析模型是正确的,所采用的数值求解方法是可靠的;在数值模拟研究中,采用三维锥体热源计算的结果比高斯表面热源更接近于等离子弧焊接熔池实际。