超窄間隙TIG焊槍的建模與仿真

張 瑾，李繼明，張鵬賢，朱 亮

(1.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 有色金屬合金教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

超窄間隙TIG焊槍的建模與仿真

張 瑾1，李繼明2，3，張鵬賢2，3，朱 亮2，3

(1.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 有色金屬合金教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

針對超窄間隙TIG焊的焊接工藝要求，提出了一種基于實體建模和數值模擬仿真相結合的焊槍優化設計方法。首先，根據氣體在管道中的流動特性，建立了適用于超窄間隙TIG焊的STN和HTN型槍嘴的理論模型和實體模型，并進行了數值仿真分析；然后采用自行研制的銅絲網氣保護試驗裝置測定了這兩種槍嘴在不同的氣體流量范圍下的實際氣體保護效果。經試驗測定結果與模擬仿真結果對比分析表明，所研制的STN型槍嘴可滿足超窄間隙TIG焊氣體保護效果的工藝要求。基于數值模擬優化設計的方法，既可降低其開發成本，又可縮短研發周期。

超窄間隙TIG焊；實體模型；數值模擬；優化設計

0 前言

目前，在壓力容器、鋼結構等制造行業，中厚板的焊接主要采用埋弧自動焊工藝，焊前需要加工坡口，在大熱輸入下通過多層多道工藝方法實現連接，其焊前準備時間長，焊接金屬填充量大，熱影響區寬[1-3]，尤其是高強鋼等熱敏感性強的鋼材焊接時，出現難以克服的熱影響區脆化等現象，是目前急需解決的焊接問題。采用小熱輸入的超窄間隙焊接方法，可有效避免埋弧焊焊接中厚板所存在的問題，但這種焊接方法對設備及工藝過程提出了更高的要求。針對板厚30 mm以下，間隙不超過5 mm的I型坡口，提出了一種采用焊劑帶約束電弧的TIG焊工藝方法，并開展了其專用工藝設備和技術研究。超窄間隙TIG焊[4-5]專用焊槍需要解決的核心問題就是如何使鎢極和熔池得到有效的氣體保護，而在狹小的拘束空間內，保證和測定其氣體保護效果是非常困難的。因此，提出了一種基于數值模擬與仿真快速開發超窄間隙TIG焊槍的實現方法，其流程如圖1所示。根據超窄間隙TIG焊的工藝需求，提出了符合流體力學原理的焊槍槍嘴的理論模型。以此建立Pro／E的實體模型，采用CFD軟件進行了仿真分析，并通過實體加工的TIG焊槍嘴的氣體保護試驗驗證了仿真結果。

圖1 焊槍優化設計流程

1 超窄間隙TIG焊焊接工藝要求

實現超窄間隙TIG焊，在工藝上重點需要解決兩方面問題：其一，兩側壁金屬熔合塌陷問題，即在狹小間隙下，當鎢極到側壁的距離小于鎢極到間隙底部距離時，產生側壁引弧，導致金屬熔化坍塌；其二，氣體保護效果不良，保護氣經焊槍噴入狹小空間時，易產生紊流而卷入空氣，致使熔池和鎢極無法得到有效的保護。焊劑帶約束電弧的TIG焊在實現超窄間隙焊接時，采用焊劑帶自動鋪設在兩側壁來杜絕側壁引弧問題。因此研制了專用的TIG焊槍解決狹小空間下的氣保護問題，其工藝原理如圖2所示。該焊槍的鎢極被加工成扁平狀，使鎢極能夠伸入到被焊工件底部，產生電弧。氣體保護主要通過特制槍嘴提供一定壓力和流速的氬氣來實現。

針對這種工藝需求，根據氣體在管道內的流動特性[6-7]，提出了兩種槍嘴模型，即STN型槍嘴(1／4圓弧管道的直通式噴嘴)和HTN型槍嘴(擴張管道及收縮管道組合的喇叭式噴嘴)。這兩種槍嘴模型主要依據管道截面對氣體流速和壓力的影響規律而提出，STN型槍嘴所使用的直通式管道可以獲得較高的氣體流速和壓力，而HTN型槍嘴所用的喇叭式管道可獲得相對較低的氣體流速和較高的壓力。從理論上分析，這兩種管道形式提供的壓力和流速可滿足窄間隙環境下的氣體保護要求。

圖2 焊接工藝原理

2 槍嘴的建模和仿真

2.1 槍嘴的實體模型

采用Pro／ENGINEER Wildfire 4.0軟件，對STN和HTN型兩種槍嘴進行了實體建模。圖3為這兩種槍嘴的實體模型剖分圖，這兩種槍嘴結構形式基本相同，主要由送氣裝置、槍體、壓塊和陶瓷管四部分組成。送氣裝置主要實現兩個功能：中間部分用于夾持鎢極，外圍環狀部分將氣體均勻送入到下方的緩沖室。壓塊是可拆卸的，STN和HTN型槍嘴主要區別在于壓塊的形狀不同，STN型的壓塊為下部帶一定圓弧過渡的直通式，而HTN型為兩對稱弧面構成的喇叭式壓塊。壓塊通過螺釘固定在槍體上，壓塊外側的陶瓷管起絕緣和保護作用。

圖3 實體模型剖面圖

2.2 槍嘴的模擬分析

由于從槍嘴噴出的保護氣體在熔池區域的流態分布難以用氣體動力學加以描述和分析，基于STN和HTN型槍嘴的實體模型，嘗試采用數值模擬方法對超窄間隙下保護氣體流態進行仿真分析。將實體模型導入Phoenics3.5軟件，在采用理想層流方式送氣條件下，設置合理的邊界條件，將這兩種槍均分為70×70×85個單元網格。

設定槍嘴距被焊工件表面距離為2 mm，保護氣流量15 L／min，對STN和HTN型槍嘴氣體流態分布進行了仿真。圖4為Phoenics輸出仿真結果，圖中所示的左邊條帶表示氣體流速，不同的灰度帶表示流速的漸變范圍，右邊Probe value表示圖中探頭所指處的氣體流速，也恰為熔池區；Average value表示被仿真區域的氣體平均流速。圖中不同灰度處的箭頭代表氣體流動的矢量方向。

圖4 Phonics輸出仿真結果

圖4a中STN型槍嘴在間隙內的保護氣體流速為0.898 3～1.797 0 m／s，而HTN型槍嘴的保護氣在間隙內流速為0～1.372 0 m／s，且氣體進入間隙以后流速急劇變小。在間隙內同一點(如圖中熔池處)，STN型槍嘴的氣體流速為0.154 4 m／s，而HTN型槍嘴則為0.078 6 m／s。這表明在相同條件下，STN型槍嘴的氣體保護效果要優于HTN型槍嘴。

圖4最下方有一特殊區域，該區域也正是弧柱區，從灰度分布判斷為氣體低速流動區域，為了探明這樣的流速能否保證完全排開空氣，對其進行了壓力場仿真分析。仿真結果如圖5所示，被模擬區域雖為低速流動區，其壓力卻高達1.784 0×105Pa，高于正常的大氣壓，而周圍區域為低壓區，這表明保護氣體在壓力差的作用下完全可以對弧柱區和熔池區形成有效的保護。

圖5 壓力場仿真結果

模擬結果如圖6所示，S1、H1分別表示STN和HTN型槍嘴在間距1 mm獲得的模擬保護寬度和長度，其他類推。在同樣間距條件下，STN型槍嘴模擬保護長度和寬度優于HTN型槍嘴，但隨著保護氣體流量的增加，氣體平穩流動性減弱，形成紊流的趨勢增加，易將空氣卷入，不利于排開空氣形成保護區域，甚至喪失氣體保護效果。

3 實驗驗證

為驗證仿真結果的正確性，加工了STN和HTN型兩種槍嘴，圖7為兩種槍嘴加工實體圖。采用試驗方法考評這兩種槍嘴在超窄間隙環境下的氣保護效果，采用銅絲網裝置鋪設在間隙底部，對該銅絲網持續通電加熱，使銅絲網處于紅熱狀態，待5 s后切斷電流，將銅絲網冷卻至室溫時切斷保護氣體。通過銅絲網未被氧化變黑區域的大小來判定間隙處的氣體保護效果。采用上述試驗方法，分別對STN和HTN型槍嘴以及常規使用的TIG焊的氣體保護區域進行了測定。圖8為采用銅絲網裝置測定的氣體保護區域的平均長度和寬度。該數值是在將槍嘴設定在距離被焊工件上表面1 mm處，隨不同氣體流量變化的測定結果。數據表明，常規TIG焊槍在超窄間隙環境下，氣體所提供的平均保護長度和寬度幾乎為零。而在5～20 L／min的保護氣體流量范圍內，STN型槍嘴在間隙內可提供的平均保護長度和寬度分別為8.34 mm和4.06 mm；HTN型槍嘴的平均保護長度和寬度為5.13 mm和2.38 mm，可見STN型槍嘴的保護效果要優于HTN型槍嘴。隨著保護氣體流量的增加，平均保護長度和寬度下降(甚至為零)，這是由于隨著氣流量的增大，氣體流態由低速層流漸轉變為高速紊流形態而造成的，這與仿真分析結果相符。

圖6 模擬結果

圖7 槍嘴實體

圖8和圖6對比表明，在相同間距條件下，有效保護長度和寬度隨氣流量的變化規律基本相同，但由于仿真時氣體的流動形態以及間隙底部熔池區域條件與實際試驗時存在差別，致使有效長度和寬度的仿真結果均大于試驗測定結果。

4 結論

(1)研制的STN和HTN型槍嘴在超窄間隙環境下都能獲得一定的氣體保護區域，而STN型槍嘴提供的氣體保護效果明顯優于HTN型槍嘴，能夠滿足超窄間隙TIG焊工藝要求。(2)提出的數值模擬優化設計方法，應用于超窄間隙TIG焊焊槍的研制是可行的，采用這種方法既可以降低開發成本，又可縮短開發周期，且為焊接工藝裝備的研發提供了一條捷徑。

圖8 保護區域的試驗測定值

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Modeling and simulation of the torch for ultra-narrow gap TIG welding

ZHANG Jin1，LI Ji-ming2，3，ZHANG Peng-xian2，3，ZHU Liang2，3
(1.College of Mechano-Electronic Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys，The Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；3.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

For the technical requirement of the ultra-narrow gap TIG welding，a method of optimization design is put forward based on numerical simulation and entity model.First，according to the gas flowing characteristics in pipeline，the theoretical model and entity model of STN and HTN for Ultra-Narrow gap TIG welding torch are established，and numerical simulation for them is carried out.Second，the two developed torches＇gas protection was tested by the special copper wire nets in different gas flow range.The comparative analysis of the test results and the numerical simulation results show，the STN can ensure the technical requirement of gas protection for ultra-narrow gap TIG welding.At the same time，the optimization design method not only can reduce its design cost，but also can make the design cycle shorten.

ultra-narrow gap TIG welding；entity model；numerical simulation；optimization design

TG431

A

1001-2303(2011)09-0061-04

2010-07-15

國家自然科學基金資助項目(50775105)

張 瑾(1970—)，女，甘肅慶陽人，講師，碩士，主要從事機械設計及理論的教學與科研工作。