卓金管件有限公司钛管高速双枪TIG焊电弧和熔池动态行为数值模拟的文献学习体会
文献概况与研究背景
本文发表于《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》2023年第33卷第6期，作者来自上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室，联合张家港华裕有色金属材料有限公司共同完成。钛及钛合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、海洋工程、化工、医疗等领域得到广泛应用。钛焊管的制造是钛材加工中的关键环节，传统单枪TIG焊效率较低，难以满足大批量生产需求。高速双枪TIG焊通过双钨极、双电弧同时焊接，显著提高了焊接效率，但其电弧和熔池的动态行为比单枪焊接复杂得多。本研究建立了双钨极、双电弧和熔池耦合数学模型，系统研究了高速双枪TIG焊的电弧等离子体、熔池流动和能量传输行为。
核心技术内容解读
双枪TIG焊的工艺优势
高速双枪TIG焊的核心优势在于：
| 对比项目 | 单枪TIG焊 | 高速双枪TIG焊 |
|---|---|---|
| 焊接效率 | 基准 | 显著提高 |
| 电弧数量 | 1个 | 2个 |
| 熔池尺寸 | 较小 | 较大 |
| 热输入分布 | 单点 | 双点耦合 |
| 焊接速度 | 较低 | 较高 |
| 接头质量 | 较好 | 需要优化参数保证 |
双枪TIG焊通过两个电弧同时作用于工件，增大了有效加热区域，提高了焊接速度，从而显著提升制造效率。但双电弧之间的相互作用使得电弧形态、熔池流动和热输入分布比单枪焊接复杂得多。
电弧等离子体行为
研究建立了双钨极、双电弧耦合数学模型，发现当电弧极性相同时，在电磁力作用下，前后电极下方的电弧等离子体相向流动。这一发现揭示了双电弧之间的电磁相互作用机制：
- 同极性电弧产生相互排斥的电磁力
- 但在特定几何条件下，等离子体流动方向可能相向
- 这种流动模式影响电弧的稳定性和热输入分布
电弧热效率的计算结果为79.8%，这一数据对于焊接工艺参数的优化和能量平衡计算具有重要参考价值。
熔池流动行为
熔池流动是决定焊缝成形和接头质量的关键因素。研究发现，熔池Marangoni力远高于电弧剪切力，是熔池上表面液态金属后向流动的主要驱动力。
Marangoni力是由熔池表面温度梯度引起的表面张力梯度力，其方向取决于温度系数：
- 当表面张力随温度升高而降低时（正温度系数），Marangoni力驱动液态金属从中心向边缘流动
- 当表面张力随温度升高而升高时（负温度系数），Marangoni力驱动液态金属从边缘向中心流动
在钛合金焊接中，表面张力系数受氧含量影响显著，微量氧的存在可以改变表面张力的温度系数，从而影响熔池流动模式和焊缝成形。
能量传输行为
双枪TIG焊的能量传输涉及电弧等离子体加热、熔池对流、凝固传热等多个过程。数值模拟可以揭示这些过程的耦合关系，为工艺参数优化提供理论指导。
与工程实践的结合思考
钛焊管制造的效率需求
在航空航天和海洋工程领域，钛焊管的需求量日益增长，传统单枪TIG焊的效率难以满足大规模生产需求。高速双枪TIG焊通过提高焊接速度来增加生产效率，但需要解决以下工程问题：
- 双电弧的稳定性控制
- 熔池流动模式对焊缝成形的影响
- 热输入分布对接头性能的影响
- 焊接变形控制
- 焊接残余应力管理
数值模拟在焊接工艺优化中的应用
本研究采用数值模拟方法研究双枪TIG焊的电弧和熔池动态行为，体现了计算焊接学在工艺优化中的重要作用。数值模拟的优势在于：
- 可以揭示实验难以观测的内部场分布（温度场、速度场、压力场）
- 可以进行参数扫描，快速确定最优工艺窗口
- 可以预测不同条件下的焊接行为，指导实验设计
- 可以降低工艺开发的试错成本
钛合金焊接的特殊性
钛合金焊接有其特殊性，需要在工艺优化中特别关注：
- 钛对氧、氮、氢的强亲和力：微量气体元素可以显著改变钛合金性能
- 钛的导热系数低：热影响区宽度大，接头软化严重
- 钛的高温强度低：焊接残余应力和变形需要严格控制
- 钛的焊接热裂敏感：需要控制凝固模式和晶粒取向
质量控制与工艺评定
高速双枪TIG焊作为新工艺，其焊接工艺评定需要按照相关标准（如AWS D10.9、ASME BPVC Section IX等）进行，包括：
- 力学性能试验：拉伸、弯曲、冲击
- 金相分析：观察焊缝、热影响区、熔合线的组织特征
- 无损检测：RT/UT检测内部缺陷
- 腐蚀性能：评估焊接接头的耐腐蚀性能
- 疲劳性能：评估焊接接头在循环载荷下的可靠性
学习心得与启示
该研究通过数值模拟揭示了高速双枪TIG焊的电弧等离子体和熔池动态行为，为这一高效焊接技术的工艺优化提供了理论基础。电弧等离子体相向流动和Marangoni力主导熔池流动这两个关键发现，对于理解双枪TIG焊的焊接行为具有重要指导意义。电弧热效率79.8%的数据为能量平衡计算和工艺参数优化提供了重要参考。
对于从事钢管、管件焊接的技术人员，虽然钛焊管与碳钢、不锈钢管在材料特性上有很大差异，但双枪焊接技术的核心理念——通过多热源耦合提高焊接效率——对碳钢、不锈钢管的焊接效率提升同样具有借鉴意义。在厚壁钢管的多道焊中，双枪或多枪焊接可以显著减少道数，提高生产效率。同时，数值模拟方法在焊接工艺优化中的应用越来越广泛，掌握基本的焊接数值模拟知识已经成为现代焊接技术人员的必备素养。未来的研究方向应聚焦于：建立双枪TIG焊的电弧-熔池-凝固全耦合模型、开发双枪焊接的在线监测与自适应控制技术、以及在管道焊接标准中纳入双枪焊接的工艺评定要求。