乌克兰巴顿焊接研究所在《Applied Mathematical Modelling》期刊发表了一篇题为《Comparative numerical analysis of electromagnetic forces in DC and HFPC TIG welding》的论文。本文主要研究了洛伦兹力对直流TIG焊和高频脉冲TIG焊电弧等离子体和熔池金属的影响。本文提出了一个详细的理论分析电弧等离子体和熔池金属在钨极惰性气体（TIG）焊接在直流（DC）和高频脉冲电流（HFPC）调制频率为10 kHz的电磁力。作用在电弧等离子体和金属上的电磁（洛伦兹）力通过电势（磁压力）和旋转（等效电磁力）分量来表示。这种方法使我们能够大大简化分析的洛伦兹力对电弧等离子体和熔池金属在不同的电弧燃烧模式下的效果。结果表明，在HFPC TIG焊与给定的频率，调制电流对电弧等离子体的效果是固有的非平稳的，而对熔池金属的效果是由整个电流调制期间的电磁力的时间平均大小。所提出的方法作为电弧等离子体和焊接熔池金属在直流和HFPC模式的焊接过程中的电磁力的数值分析的基础。建立了HFPC调制的应用促进了焊接电弧中的气体动力学过程的更大强度，从而显著增加了焊池表面上的压力，以及从焊池表面附近的最热中心区域朝向焊池底部的对流传热。这两个因素导致在HFPC模式的情况下与DC模式相比电弧穿透性的增加，所有其他条件相同。
TIG焊接中电弧电流与自身磁场相互作用产生的电磁力（洛伦兹力）对电弧等离子体和熔池金属中的质量、动量和能量传递有重要影响。同时，电磁力影响熔深和形状、焊缝金属和热影响区的显微组织和机械性能。
在弧柱中，洛伦兹力是主导力。它决定了电弧等离子体流的结构和特性（鉴于等离子体密度低，浮力可以忽略不计）。电弧等离子体流提供对流传热和传质，并且还在焊接池表面上形成诸如等离子体法向应力和剪切应力的特征。沿着电磁力、粘性力和浮力（后者最不重要），还有表面力驱动熔池中的熔体流动。表面力包括毛细管力（由Marangoni剪切应力和Laplace压力引起的力）和由等离子体剪切应力和电弧压力引起的电弧等离子体流施加的力。电磁力在熔池流动结构的形成以及电弧等离子体中的作用被证明是相当重要的。近年来，采用高频电流调制的TIG焊新技术得到了广泛的应用。许多研究TIG焊接中传热和传质过程的文献都采用了(1)形式的洛伦兹力表示。然而，由式(1)确定的洛伦兹力矢量场不能定性地分析该力对载流流体的影响。这是因为在受限不可压缩流体中，只有洛伦兹力的旋转部分才会引发涡流，而潜在部分会导致静压的重新分布。
(1)
因此，在本工作中，我们提出了另一种分析电磁力密度的方法，该方法基于磁压力梯度和一个只有一个方向的等效力的表示。它成为可能的框架内提出的方法，以单独的洛伦兹力组件负责启动电涡流在熔池。这种方法使我们能够分析焊接电流对熔池金属的力效应，而不需要求解整个Navier-Stokes系统。在目前的研究中，我们使用了一个平坦自由曲面的假设，这大大简化了分析过程。
部分数据及图表如下：
主要结论：
在本研究中，我们对直流和高频TIG焊接过程中电弧等离子体和焊缝金属中的电磁过程进行了数值分析。洛伦兹力可以表示为势分量和转动分量的和。电磁力的势分量不参与载流介质中的流动激励。它的作用只导致流体中静压的再分配。提出的洛伦兹力的分解允许我们引入只有轴向的等效电磁力。通过对不同TIG模式下等效电磁力的分析，我们可以比较电弧电流对熔池金属的力效应，而无需求解整个Navier-Stokes系统。实验证实了HFPC TIG焊接中熔池表面电弧压力的增加。这些结果证实在目前的工作中采用数学模型进行的类似估计是适当的。综上所述，与施加在熔池金属上的其他力不同，电磁力是很容易控制的。有许多技术方法可以达到这一目的，例如，激活剂的应用和激光辐射对电弧等离子体的影响。在TIG焊接中，通过增加电磁效应，可以强化熔池中的对流能量传递，从而增加熔深。HFPC调制技术的应用也可以达到同样的技术效果。从而增加TIG焊的熔深。HFPC调制技术的应用也可以达到同样的技术效果。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apm.2023.12.016
来源：学术期刊
