磁控焊接技术作为一种优化焊接工艺的方法通过对电弧与熔池施加外加磁场来改变电弧的能量分布以及熔池的流动与传热过程,对焊接质量的提高有着极为重要的作用。因此,采用科学的方法建立焊接电弧与熔池的数学模型,分析电弧在纵向磁场下的形态及能量分布以及熔池在电磁搅拌下的传热与流动特性,预测其对焊缝成形、熔池形貌的影响对实现焊接过程的智能化有着重要的理论意义与指导价值。本文基于能量守恒的基本原理,结合流体动力学方程和麦克斯韦方程组建立了GTAW二维轴对称电弧稳态模型与三维熔池瞬态模型。模拟了纵向磁场作用下镁合金焊接电弧与熔池的传热过程及流动特性,并采用无量纲分析法对熔池内浮力、自发电磁力、表面张力、外加电磁力等驱动力的相对作用强弱以及单独作用下对熔池形貌的影响进行了系统研究。通过完成合理的网格划分,设定合理的边界条件,编译复杂的源项程序后,采用SIMPLE系列算法对守恒方程进行求解,最后通过实验与已发表的文献数据来验证模型的合理性。模拟结果表明:施加外加纵向磁场后焊接电弧中心温度升高,等离子体流速下降,当纵向磁场强度达到0.03T时,高速旋转的电弧在其根部产生径向扩张和中心空洞,造成沿轴线的正压力梯度,从而产生对熔池的磁抽吸作用,使阴极弧根受压缩,阳极附近扩张。与此同时,电弧中心出现的负压将传递到熔池的热量汇聚到电弧内部,使其与熔池界面的热流分布与电流分布从常规的高斯分布向双峰分布转变,导致焊接热效率降低。熔池在纵向磁场作用下产生的电磁搅拌作用,使其内由Marangoni对流主导的发散式流动变成定向旋转流动,降低熔池内温度梯度,使其形貌变得宽而浅,整体呈非对称分布。随着磁感应强度的提高,熔池内流动速度增加,增大对熔化前沿的冲刷作用。通过无量纲常数分析得到熔池内驱动力相对作用强弱依次为表面张力,自发电磁力,外加电磁力,浮力,其中外加电磁力主要作用在熔池的前进端,使熔池的对流换热得到增强。