等离子与钨极双面电弧焊接热过程数值模拟的文献学习体会

文献概况与技术背景

本文由山东大学孙俊生与哈尔滨工业大学武传松发表于2003年《金属学报》第39卷第5期，页码499至504，分类号TG444。研究针对由等离子电弧（PAW）与钨极电弧（TIG）构成的单电源双面电弧焊接（DSAW）工艺，综合考虑等离子流力、重力、表面张力等力学因素，建立了小孔形成过程的数学模型，并在此基础上建立了DSAW电流密度分布和焊接传热的控制方程，通过数值模拟定量分析了双面电弧焊接条件下的传热规律及热影响区性能。

双面电弧焊接是一种高效、低成本的先进焊接技术，可获得深宽比较大的焊缝，特别适用于厚板焊接。在钢管制造领域，大口径厚壁钢管的焊接对接缝质量和效率有较高要求，DSAW工艺具有潜在的应用价值。

数值模型构建

小孔形成机制

等离子弧焊接中，小孔的形成是熔深增大的关键。小孔的形成涉及多种力学因素的耦合：等离子流力将熔池金属向下推挤，重力使熔池金属下沉，表面张力则倾向于使熔池表面收缩。三种力的平衡决定了小孔的稳定存在与否。作者建立了小孔形成过程的数学模型，综合考虑了上述力学因素，为后续传热分析提供了物理基础。

电流密度分布与传热方程

DSAW工艺中，等离子弧和钨极弧分别作用于工件的正面和背面，形成双面加热。正面等离子弧提供主要的热输入和熔深，背面TIG弧起到辅助加热、改善背面成形和减少背面变形的作用。作者建立了DSAW电流密度分布模型，考虑了两种电弧的叠加效应，并在此基础上建立了焊接传热的控制方程，采用数值模拟技术进行耦合求解。

模拟结果分析

传热规律与熔深特征

模拟结果表明，DSAW工艺相比单一PAW焊接，能够大幅度增加熔深。这是因为背面TIG弧的加热作用降低了工件背面的散热，使得正面等离子弧的热量更多地集中在熔池区域，从而促进了小孔的深入延伸。同时，DSAW的热影响区宽度得到了改善，热输入分布更加均匀，有利于减少焊接残余应力和变形。

热影响区性能改善机理

DSAW工艺改善热影响区性能的机理主要体现在两个方面：一是背面加热减缓了冷却速度，有利于减少马氏体转变等脆性相的形成；二是双面加热使温度场分布更加对称，减少了焊接变形和残余应力。这些结论为DSAW工艺的推广应用提供了理论依据。

与工程实践的结合

在钢管制造中，大口径厚壁钢管的焊接通常采用多层多道焊工艺，焊接效率和质量控制是核心问题。DSAW工艺的单电源双面加热特点，使其在厚壁管焊接中具有独特优势：减少了焊接层数，提高了焊接效率；改善了热影响区性能，降低了焊接裂纹风险。然而，DSAW工艺的实现需要专门的双面焊接设备和夹具，对工件的翻转或双面可达性有要求，这在现场焊接中可能受到限制。

关键思考与展望

笔者在研读本文后产生了以下思考：第一，DSAW工艺的理论模型虽然完善，但在实际工程中，工件的约束条件、夹具的热传导效应等因素如何纳入模型？第二，对于钢管焊接，管壁曲率和管径大小对焊接过程的影响如何体现？第三，DSAW工艺在不锈钢管、合金管等特殊材料焊接中的适用性如何？这些问题值得进一步深入研究。

本文的研究方法体现了焊接数值模拟从单因素分析向多因素耦合分析的发展趋势，为先进焊接工艺的理论研究和工程应用提供了重要参考。在焊接技术不断发展的今天，数值模拟与实验验证相结合的研究方法仍然是推动焊接技术进步的有效途径。