钨极惰性气体保护焊(Gas Tungsten arc welding,GTAW)具有焊接过程稳定、焊缝质量高、适应性强、操作环境好、焊接成本低等优点,因而在现代薄壁结构件的制造中(如焊接钢管)得到广泛应用。提高焊接速度是提高焊接生产率的主要途径,然而,当焊接速度和焊接电流超过某一临界值时,其焊缝成形变差,极易出现咬边和驼峰焊道等焊缝成形缺陷。为此,本课题组基于自主研发的外加复合磁场装置,通过外加磁场调控TIG电弧以及熔池行为,抑制了高速焊过程中的焊缝成形缺陷,提高了临界焊接速度。但外加复合磁场对TIG电弧行为和熔池受力流动的调控作用机理至今仍未明确,还有待更深入分析。基于此,本课题针对定点TIG建立了电弧-熔池一体化三维数值模型,为了解决焊接电弧与母材之间存在的非局部热平衡区域的难题,采用“局部热平衡-扩散近似法”,基于计算流体动力学和电磁学理论,模拟计算了 TIG焊接过程中金属蒸气的产生和分布以及对电弧特性的影响。建立了外加复合磁场数值模型,考虑工件材料(409L)的铁磁特性,计算了不同励磁电流下电弧与工件内部外加电磁场分布,并与实验测量值进行验证。建立了外加磁场作用下的“电弧-熔池”耦合一体化数值模型,分析了有无磁场作用下TIG焊接过程中温度场、流场、电势场、电流密度、自感应电磁力以及外加电磁力等多物理场特性。研究发现,各个物理场不再相对于钨极轴线对称分布,而是偏向钨极一侧。由于外加电磁力导致电弧、熔池在前后、左右方向上受到的合力不为零,焊接电弧无法保持正常的垂直状态,表现为在焊接前进方向上始终前倾,在垂直焊接方向上周期性左右偏转,并且磁场作用下的熔池温度场不再关于钨极轴线对称,表面液态金属在电弧剪切力、压力的作用下向电弧偏转的一侧流动,随后沿着固液界面回流到焊缝中心,流速大约为0.28m/s。另外考虑金属蒸气的影响,计算磁控TIG焊接过程中金属蒸气的产生和分布以及对电弧特性和熔池行为的影响,发现金属蒸气呈现非对称分布,并且电弧的周期性摆动降低了熔池表面温度,熔池表面产生的金属蒸气量减少,同时削弱了金属蒸气向电弧中的扩散。开展了磁控高速TIG焊接工艺试验,开展了 4mm厚409L不锈钢TIG焊接实验,对磁控TIG过程中焊接电弧形态进行了测量,模拟结果与实验结果吻合良好。