基于Fluent软件的Keyhole-TIG焊接电弧数值模拟学习心得

文献概况与核心创新点

该文献由上海工程技术大学、天津大学、图卢兹第三大学等单位合作完成，发表于《热处理》2023年第2期，以自由燃烧的Keyhole-TIG电弧为研究对象，建立了统一电弧-钨极-阳极的二维轴对称模型，采用Fluent软件对焊接电流为520A的稳态Keyhole-TIG电弧进行了模拟。Keyhole-TIG是一种高能量密度的焊接方法，通过形成贯穿工件的匙孔实现单面焊双面成形，在厚板焊接中具有独特优势。本文的创新之处在于将匙孔几何形状纳入电弧模拟的边界条件，分析了匙孔对电弧温度、速度、压强和电流密度分布的影响。

关键技术参数与模拟结果分析

电弧温度与速度场

模拟结果显示，钨极下方电弧的最高温度达到36000K，远高于常规TIG电弧（约20000K）。高温区的出现与电流密度集中有关。电弧出现强烈的阴极喷射效应，高速等离子体从钨极尖端射向阳极，速度可达数百米每秒。这种高速等离子体流产生的动压力是形成匙孔的主要驱动力。

匙孔对电弧行为的影响

匙孔的泄压作用使得阳极表面附近的压力分布更加均匀，避免了局部压力过高导致的飞溅。同时，约19%的电流和17%的热量通过匙孔进入工件，这意味着匙孔不仅是一个物理通道，还是一个能量传输通道。这一发现对于理解Keyhole-TIG的熔深形成机制具有重要意义。

电弧收缩与能量集中

由于匙孔的存在，电弧的几何形状发生改变。电弧被拉长并部分进入匙孔内部，导致电弧更加收缩，能量密度进一步提高。这种自聚焦效应是Keyhole-TIG能够实现深熔透的根本原因。

工程实践启示与思考

对钢管环焊缝深熔焊的指导意义

在厚壁钢管（如LSAW直缝埋弧焊管）的焊接中，常采用多道焊或窄间隙焊。Keyhole-TIG技术若能应用于钢管环焊缝的根部焊道，有望实现单面焊双面成形，减少焊道数量，提高焊接效率。然而，钢管环焊缝的曲率与坡口形状对匙孔稳定性有影响，需要针对具体管径与壁厚进行工艺优化。

模拟方法的局限性

• 二维轴对称假设：实际焊接中，匙孔形状并非完全轴对称，特别是在有侧向气流或工件倾斜的情况下。
• 稳态假设：焊接过程中，匙孔是动态变化的，存在开启、稳定、塌陷等过程。稳态模型无法捕捉这些瞬态行为。
• 材料蒸发与反冲压力：模型中未考虑金属蒸发产生的反冲压力对电弧的影响，这是影响匙孔稳定性的重要因素。

学习心得与展望

本文通过数值模拟，系统揭示了Keyhole-TIG电弧的温度、速度、压力与电流分布规律，特别是匙孔对电弧行为的调控机制。这些结果为Keyhole-TIG工艺参数的优化提供了理论依据。未来研究应发展三维瞬态模型，耦合熔池流动、匙孔动力学与电弧行为，以更准确地预测焊接过程中的缺陷形成，如匙孔塌陷导致的气孔与咬边。对于焊接工程师而言，理解电弧与匙孔的相互作用，有助于在工艺设计阶段合理选择焊接电流、电弧长度与保护气体流量，从而提高焊接质量与生产效率。