电弧增材制造技术是基于传统的焊接技术,主要的物理化学过程非常复杂,包括等离子弧燃烧、熔滴过渡、熔池流动和凝固以及复杂的热循环、应力应变等。这些宏观现象最终会影响微观组织的演变过程、晶粒形貌,从而影响成形件力学性能。为了实现结构件“控形”与“控性”并行制造的目标就必须探究电弧和熔池金属输运的内部机理,本文着重通过多物理场耦合数值计算的方法来解释其中的热质传递过程。本文通过合理的假设,建立了GTAW电弧的三维模型,并将模型导入到Fluent软件中进行求解。工艺条件为,焊接电流200A,焊接电压19V,焊丝半径1.6mm,送丝速度1.8m/min,焊接速度200mm/min,高纯氩气保护气(15.5L/min)。计算结果表明,电弧温度在18000K以上、电弧压力最大为900Pa、电弧等离子体流速最大为220m/s,电势差为9V(若考虑到鞘层区压降的作用,进行修正之后为20V左右,并且在等离子平衡状态下得到电磁力在X、Y正负方向上互相抵消)。高速摄像拍摄的电弧形貌与文中模拟的电弧轮廓大体相近,光谱法测得的电弧温度场分布规律和数值大小也与模拟的温度结果相同。在熔池金属输运模型中,采用与电弧模型相同的坐标系建立物理模型,且焊枪固定,金属流动。通过简化模型,将熔滴看成球状,并且以固定频率射入熔池的质量源,从而实现了质量输运。模型中需充分考虑多种因素的影响,包括电磁力、浮力、电弧压力等,还要考虑电弧的传热、熔滴的高温以及金属凝固过程的相变潜热,其中电弧的作用主要通过UDS插值和CSF方法加载到熔池模型中。最后结合自主编程,加载了上述综合的热力边界条件和气液两相的相互作用,得到了熔滴冲击下的焊道形貌及焊道表面和熔池的温度场分布(最大值为2200K)。最后通过红外摄像拍摄焊道的温度分布,得到的数值大小和模拟结果相同。本文基于实际模型,采用数值计算的手段,对电弧模型和金属输运模型中的传热传质的本质进行求解分析,揭示了其中的多物理场耦合结果,并且从热力学、流动力学、电磁学等多方面进行了机理研究,为今后的工艺优化以及零件的控形控性研究打下了基础。