Thermophysical Analysis and Weld Pool Morphology Study of the Wire Arc Additive Manufacturing Process based on CFD Model

YUN Ze; LI Yan; WU Juanhui; ZHU Jianjun

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2026.02.02

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Thermophysical Analysis and Weld Pool Morphology Study of the Wire Arc Additive Manufacturing Process based on CFD Model
Vol. 56, Issue 2, Pages: 19-29(2026)
Received：28 May 2025，

Revised：2025-10-14，

Published：20 February 2026
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.02.02
稿件说明：

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云泽，李岩，吴娟慧，等.基于CFD模型的电弧焊接增材制造过程热物理分析及焊道形态研究［J］.电焊机，2026，56（2）：19-29. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.02.02.

YUN Ze, LI Yan, WU Juanhui, et al.Thermophysical Analysis and Weld Pool Morphology Study of the Wire Arc Additive Manufacturing Process based on CFD Model[J].Electric Welding Machine, 2026, 56(2): 19-29. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.02.02.

摘要

电弧焊接增材制造过程中，熔滴过渡与熔池流动是决定焊道形貌的关键因素。本研究基于三维瞬态计算流体动力学模型，通过耦合质量守恒、能量守恒、动量守恒方程和流体体积法，建立了涉及熔滴过渡、重力、熔池流动以及固液相变的数值模型，定量分析了焊接速度、熔滴温度与焊接位置对TIG工艺下Q235钢单层/多层焊道熔覆形貌的影响。结果表明，焊接速度从8 mm/s提升至28 mm/s时，单位时间热输入减少导致熔池高度显著下降59.14%，且高速焊接加剧了熔池流动的不稳定性；熔滴温度从2 300 K升高至3 100 K，对应单位时间热输入增加，熔池流体量增多，熔池高度上升19.86%、宽度上升11.64%，同时熔池流动性增强使焊道表面更平滑；焊接位置变化改变重力作用方向，对熔池流动倾向产生较大影响，多层熔覆过程中焊道普遍呈现熄弧位置低、起弧位置高的特征。通过平焊、横焊以及仰焊位的单道多层（5层）焊道熔覆形貌的模拟结果与实验数据进行比较，验证了模型的准确性。

Abstract

In wire arc additive manufacturing

droplet transfer and molten pool dynamics are critical factors influencing weld bead morphology. This study develops a three-dimensional transient computational fluid dynamics model that incorporates mass

energy

momentum

and volume of fluid equations. The model captures droplet transfer

gravity

molten pool flow

and solid-liquid phase transitions. Using this framework

we quantitatively analyze the effects of welding speed

droplet temperature

and welding position on the morphology of single-layer and multi-layer weld beads under the TIG process. The results indicate that increasing the welding speed reduces the molten pool height by 59.14% (from 8 mm/s to 28 mm/s) and intensifies the instability of molten pool flow at higher speeds. A higher droplet temperature corresponds to increased heat input per unit time

resulting in a larger molten pool volume. The molten pool height increases by 19.86%

while its width expands by 11.64% (from 2 300 K to 3 100 K). Changes in welding position

which alter the gravitational direction

significantly affect molten pool flow patterns. During multi-layer deposition

the weld bead morphology exhibits a lower profile at the arc extinction point and a higher profile at the arc initiation point. The accuracy of the model is validated by comparing the simulated multi-layer weld bead morphology in flat

horizontal

and overhead welding positions with experimental data.

关键词

Keywords

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