交流脉冲TIG电弧增材制造熔池数值模拟学习体会

文献概况

杨胜波等发表于《材料热处理学报》2026年第47卷第1期的论文，基于Fluent计算流体动力学软件建立了交流脉冲TIG电弧增材连续熔积的三维瞬态数值仿真模型，系统分析了熔池形貌、温度场、流动状态随脉冲电流周期性变化的动态规律。该研究由三峡大学机械与动力学院和石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心共同完成，获得了多项基金资助。

核心模拟结果

熔池动态行为

数值模拟揭示了熔池在脉冲电流周期下的典型动态特征。当电流处于脉冲极大值时，熔池具有较高的温度，在电弧压力与电磁力的主导作用下，熔融金属受到挤压而下沉形成凹陷的弧坑。当电流处于脉冲极小值时，熔池峰值温度降低，电弧压力与电磁力减弱，表面张力占主导作用，使熔池向上收缩形成凸起。

这一动态过程可归纳为以下力学平衡关系：

焊道成形特征

电流脉冲的周期变化使得焊道形成了明显且规律的鱼鳞纹。这一发现具有重要的工程意义——鱼鳞纹的规律性表明，脉冲参数的控制可直接影响焊道表面形貌，为增材制造中通过工艺参数调控成形质量提供了理论依据。

模拟验证

在相同工艺参数下，试验焊道的形貌和截面轮廓与模拟焊道的形貌和截面轮廓吻合较好，证明了数值模拟的可靠性。这一验证结果表明，所建立的三维瞬态模型能够准确捕捉脉冲TIG增材制造中熔池传热传质的关键特征。

工程应用价值

该研究对电弧增材制造的实际工程应用具有多重价值。首先，通过数值模拟可以预测不同脉冲参数下的熔池行为，从而在实验前优化工艺参数，减少试错成本。其次，熔池动态行为的理解有助于解释增材制造中常见的缺陷形成机理，如层间结合不良、表面波纹异常等。

从增材制造工艺开发的角度看，该研究为脉冲参数的优化设计提供了理论指导。脉冲频率、峰值电流与谷值电流的比值（脉冲比）等参数直接影响熔池的周期性动态行为，进而影响层间结合质量、残余应力分布和最终成形件的力学性能。在实际生产中，应根据具体材料和构件要求，通过数值模拟指导脉冲参数的选择。

此外，该研究的方法论也值得借鉴。将计算流体动力学方法应用于焊接增材制造的数值模拟，能够深入揭示熔池内部的传热传质机制，这是仅靠实验手段难以实现的。随着计算能力的提升，此类模拟将成为增材制造工艺开发的重要工具。