等离子弧焊接具有能量密度高,刚直度好,热影响区小等优点,在航空航天、汽车制造等领域有了广泛的应用。等离子焊接电弧作为等离子焊接的热源,由于其极端的温度条件,对其进行实验测量以便了解其特性在目前来讲是不能实现的。近年来不断发展的数值分析方法,使得研究等离子焊接电弧成为了可能。我们采用ANSYS作为数值分析软件,应用磁流体动力学理论、流体动力学方程和麦克斯韦方程,建立了直流等离子焊接电弧的数学模型。建模时首先将计算模型根据不同的区域分成阴极区、阳极区、弧柱区、保护气区等区域,然后再根据计算要求进行网格划分,对于比较重要的区域,如弧柱区等进行了网格细化,以便得到较好的计算精度。在ANSYS程序中,将计算分为温度场、电磁场和流场三个模块,耦合计算。计算结果首先与相同参数下的TIG电弧进行了对比,结果表明,在相同焊接参数下,等离子焊接电弧的温度场较TIG电弧有所提高,电弧形状也比TIG电弧直径小,阳极的热流密度更高。模拟了氩氮混合工作气体的等离子焊接电弧。模拟结果显示,采用混合工作气体时的电弧体现出的是多种气体的电弧特性。氩氮电弧较纯氩时直径收缩,温度最高区向阳极偏移,阳极热流密度提高。可见,采用氩氮混合工作气体在不改变其它焊接参数的情况下对提高等离子焊接电弧的阳极热输入作用较明显。双弧作为导致等离子焊接电弧不稳定的情况,对等离子焊接有很大的影响。根据产生双弧的三种主要因素,即喷嘴压缩孔径过小、焊接电流过大和钨极偏心,分别模拟了双弧现象。模拟结果表明,双弧现象的产生,使得等离子焊接电弧的主弧的电流密度降低,这直接导致了主弧温度的降低。三种因素导致的双弧的温度场分布类似,造成喷嘴烧毁的根本原因相同即在喷嘴形成了阴极斑点。本文所建立的三维等离子焊接电弧模型为研究运动状态下的焊接电弧打下了基础,为研究阳极与电弧的统一模型提供了重要的阳极表面电流密度及热能输入的边界条件。