焊接间隙对AH36钢MAG焊接电弧形态影响的数值研究及其在船舶制造中的应用

本研究通过COMSOL 6.1软件建立了集成焊接间隙和熔池结构的三维MAG（金属活性气体）焊接电弧模型，系统分析了0-2 mm间隙下电弧温度场、速度场和压力场的稳态特性。结果表明，焊缝截面方向电弧呈对称分布，间隙增大会导致电弧宽度和面积分别增加23.6%和29.7%；而焊接前进方向因熔池结构影响呈现不对称性，间隙扩大使电弧面积增长53.9%、位置下移0.29 mm。研究为船舶制造中焊接工艺参数优化提供了重要理论依据。

　　

焊接间隙对电弧形态的多物理场影响机制

数学建模与基本假设

研究团队建立了包含焊接间隙和熔池结构的三维MAG焊接电弧模型，基于COMSOL 6.1软件平台进行数值模拟。模型采用局部热力学平衡（LTE）假设，忽略金属蒸汽影响，并设定电弧等离子体为光学薄介质。控制方程涵盖质量守恒、动量守恒（含X/Y/Z三方向纳维-斯托克斯方程）和能量守恒方程，同时引入电磁场控制方程描述电流连续性、欧姆定律和电磁力分布。

创新性地采用"LTE扩散近似法"处理电极鞘层非平衡态问题，在近电极区域设置0.1 mm网格以匹配电子扩散距离。阴极鞘层能量源项考虑电子热发射冷却效应（含Richardson-Dushman方程计算电子/离子电流密度）、离子碰撞释热和辐射损失；阳极鞘层则主要计算电子复合传热效应。

物理模型与实验验证

模型以8 mm厚AH36船用钢板为基材，采用单边25°Y型坡口设计，熔池深度4.5 mm、余高1.5 mm。保护气体为80%Ar-20%CO₂混合气，通过高速摄像验证模型准确性。实验系统配备LSQ-5焊机、Fanuc机械臂和AcutEye高速相机（4000 fps帧率），实测数据与模拟结果误差小于5%。

多物理场分布规律

温度场分析显示，焊缝截面方向电弧呈"钟形"结构，最高温度位于焊丝正下方（约30,200 K）。当间隙从0 mm增至2 mm时，电弧宽度从2.97 mm扩展至3.67 mm，面积从5.56 mm²增至7.21 mm²。焊接前进方向因熔池金属堆积形成不对称形态，在2 mm间隙时前后宽度差达8.24 mm（前部1.63 mm/后部9.87 mm）。

速度场特征表明，焊丝尖端下方形成高速等离子体流（峰值速度281 m/s），沿坡面产生涡流。间隙增大导致流速降低，0.5 mm位置轴向速度下降18%，涡流强度减弱。压力场分布显示，最大压力区随间隙扩大向焊丝根部偏移，2 mm间隙时峰值压力降低15%至850 Pa。

电流参数耦合效应

在120-180 A电流范围内，电弧形态变化呈现显著电流依赖性：180A电流下1 mm间隙的电弧面积（33.43 mm²）较120A（22.33 mm²）增大49.7%。高电流会加剧前进方向的不对称性，并使电弧根部位置下移，增加焊透风险。

工程应用价值

该研究揭示了焊接间隙通过改变电磁收缩力和等离子体约束条件影响电弧特性的内在机制，为船舶制造中接头间隙控制提供了量化依据。特别是发现当间隙超过1.5 mm时，电弧不稳定性显著增加，这与实际焊接中产生烧穿缺陷的临界阈值高度吻合。研究结果可直接指导机器人MAG焊接的自适应参数调节系统开发。