鎢極惰性氣體保護焊熔池流動特性研究方法

李淵博，鄭文星，葉 韜，麻帥川，趙錫龍

(蘭州交通大學材料科學與工程學院，蘭州 730070)

0 引 言

鎢極惰性氣體保護(tungsten inert gas,TIG)焊是利用鎢極作為非熔化電極，惰性氣體作為保護氣的一種電弧焊方法，因具有工藝成熟、焊縫質量高、焊接穩定性較高等特點而在現代工業生產中得到大量應用。TIG焊熔池中的熔融金屬在電弧壓力、浮力、表面張力、洛倫茲力、等離子流力等的共同作用下發生劇烈流動，使熔池中的傳熱/傳質過程得以進行。在焊接過程中，填充金屬與母材混合不均勻會影響熔池流動，從而影響焊縫的幾何形狀[1-4]。熔池流動會影響熔池內部對流傳熱過程，繼而影響熔池內部固態相變以及晶粒結構，并最終影響焊接接頭的質量和性能[5-6]。此外，熔池流動也會影響熔池傳質過程，熔池的傳質直接決定著焊縫金屬的成分分布，進而影響焊縫的耐腐蝕、抗疲勞等性能[7-9]。通過調控熔池流動改變熔池對流傳熱、流動速度、凝固速率、表面張力溫度系數等參數，從而改善焊縫成形質量及接頭性能是TIG焊應用的關鍵。目前，國內外學者對TIG焊熔池的流動特性進行了大量研究[10-14]，主要研究方法可分為試驗測試、數值模擬和量綱分析3大類。試驗測試法主要通過視覺傳感器對熔池進行實時監測，或在熔池中加入示蹤粒子，通過觀察示蹤粒子運動軌跡來分析熔池流動特性。近年來還有學者提出了一種使用物理模型模擬熔池流動特性的研究方法，可以在一定程度上還原出熔池的流動行為[15-16]。由于熔池處于高溫狀態，具有多物理場強耦合的動態變化特征，同時熔池在強烈弧光照射環境下會大幅增加視覺傳感器采集圖像信息的難度，從而給試驗測量帶來了巨大困難。數值模擬法通過建立熔池傳熱/傳質數學模型，利用有限元方法計算出熔池溫度場和流場等，對比分析不同焊接參數下熔池溫度場及流場分布特征，研究熔池流動特性及流動機理。數值模擬法可以直觀地展現熔池流動過程中的各種熱力學現象，與試驗測試法相互配合，有助于更加全面地了解熔池流動特性，因而被越來越多學者所采用[17-19]。量綱分析法是基于相似理論，通過不同系統傳輸方程的對比，確定描述傳輸過程的無量綱特征數，進一步基于特征數的比較，實現流動、傳熱及傳質過程主要影響因素的定性分析。為了給相關科研人員提供參考，作者對國內外有關TIG焊熔池流動特性的研究方法進行了闡述，對比分析了不同研究方法的特點，并對今后研究方向進行了展望。

1 試驗測試法

伴隨各種檢測技術的發展，熔池監測方法也逐漸豐富起來。熔池流動特性的試驗測試法可以分為3類：第1類是利用光學系統和高速相機相結合的方式來實現流場可視化研究，然后通過對記錄到的圖像進行后期處理和分析，研究熔池流動特性；第2類是對熔池內部進行高能X射線掃描獲得熔池二維或三維流動特性，這種方法一般都要在熔池中加入示蹤粒子來表征運動軌跡；第3類是通過使用物理性質相似但更易于觀察的其他材料來代替熔池金屬，進行熔池內部流動特性的模擬試驗研究。

1.1 光學系統輔助高速相機觀測法

光學系統輔助高速相機觀測法常用來對熔池表面的流動特性進行研究。ZHAO等[20]以316L不銹鋼基板上的自然氧化層作為跟蹤對象，利用高速攝像機成像和粒子圖像測速技術重建了表面流場，對熔池表面流動特性進行了表征；用該技術將含有示蹤粒子的連續流圖像交叉關聯，計算了熔池二維瞬時速度場及熔池表面最大流動速度和平均流動速度與雷諾數。在對熔池表面流動行為的觀測試驗中，明亮的弧輻射使得該觀測任務變得復雜。ZHANG等[21]利用照明激光與電弧等離子體之間的傳播差異，將激光照射到熔池表面后形成鏡面反射，然后利用高速攝像機采集光譜并對其進行分析，試驗結果表明該方法在低功率照明激光照射下可以獲得清晰的熔池表面圖像。隨著焊接自動化的普及，大量學者開始通過監測熔池表面形貌來控制成形和熔化階段焊道的幾何特征。SMITH等[22]提出了一種基于實時視覺監測并控制熔池寬度的系統，利用帶有鏡頭系統和近紅外帶通濾波器的電荷耦合器件(CCD)相機對熔池寬度進行監測，監測結果實時反饋至工藝控制器，再通過調節工藝參數來控制熔池寬度，以維持熔池寬度的一致性。上述幾種方法都是在熔池二維尺寸的基礎上進行的研究，可以直觀展現出熔池形貌，但實際熔池表面并不是平面，而是由表面張力引起的三維曲面，并因表面振蕩而隨時發生變化。因此，二維測量僅限于熔池頂面接近平面或可以假設為平面的條件，由于缺少三維信息，在某些條件下會使熔池形貌出現較大誤差。熔池表面的三維測量已經成為當前科研人員的重點研究方向[23-26]，目前學者對熔池圖像進行三維重構的方法可分為雙目立體視覺法、陰影恢復形狀法、結構光立體視覺法三大類。

雙目立體視覺法是將不同觀測方向上所采集的熔池變化視頻數據分幀，找到相同時間點上不同觀測方向的熔池形貌，以這些圖像數據為基礎，對熔池三維形貌進行重建。肖心遠等[27]設計了一種相交光軸的雙目視覺裝置對熔池形貌進行監測。但雙鏡頭的雙目視覺裝置成本較高，需要兩臺相機及兩組濾光系統，很難保證兩臺相機精確的同步性，且因觀測區域太小，使得相機及濾光設備不好布置。為了解決上述問題，有學者提出了單相機雙鏡面反射裝置[28]。ZHAO[29]采用了一個帶有立體適配器的單臺高速攝像機對熔池表面液態金屬進行三維尺寸測量，該適配器包括兩組平行鏡像，可以從兩個不同視點在同一幀中捕獲兩個圖像，再基于機器視覺數學模型，精確獲得熔池的三維表面輪廓及熔池流動速度。

結構光立體視覺法是基于數學假設模型的重構，使照射在熔池表面液態金屬的點狀激光被反射后在圖像平面上生成點狀矩陣，通過建立數學模型，重構熔池三維形貌[21]。SONG等[30]將結構激光點矩陣投影到鏡面熔池表面，并在成像平面上成像，然后對反射圖像進行捕獲和處理，使用插值重建和外推重建兩種方法重構熔池三維表面形貌，分析了TIG焊接過程中熔池表面形貌的變化。SAEED等[24]提出了一種基于激光鏡面反射的熔池三維表面的計算方法，將激光投射進焊接熔池中，使用CCD工業相機觀察熔池表面反射出的激光，利用包括光流和運動點跟蹤在內的圖像處理技術來跟蹤這些反射圖形。建立以光學理論為基礎的三維表面測量數學模型，根據反射定律計算出表面斜率場，并通過斜率場重構熔池表面的三維形貌。

陰影恢復形狀法的基本原理是利用單張圖像中的灰度信息求解反射方程來恢復物體表面各點的相對高度，進而還原物體表面的幾何形貌。ZHAO等[28]利用三維計算機視覺技術分析二維圖像數據，重建了熔池表面三維數據，其具體過程是先通過光學傳感器記錄熔池圖像，并用二維圖像算法提取熔池平面形狀，然后采用陰影恢復形狀法重構熔池圖像的表面高度，從而確定熔池的三維形狀參數。李來平等[31]用陰影恢復形狀法研究了熔池表面的形貌特征，通過復合濾光系統采集熔池表面圖像，建立熔池反射圖數學模型并對其進行求解，計算得到熔池表面高度，但因為反射和約束條件難以確定，利用陰影恢復形狀法得到的重構結果精度不足。

1.2 X射線透射及示蹤劑軌跡分析法

光學系統輔助高速相機觀測法更多用于描述熔池二維及三維表面形貌特征，但不能直觀地對熔池內部運動狀況進行描述，而X射線透射及示蹤劑軌跡分析可以直觀地觀察焊接過程中熔池內液態金屬的流動情況。WU等[32]通過X射線透射法觀察了TIG焊熔池流動特性，碳化鎢顆粒作為速度測量的示蹤顆粒包含在試樣中，鎢極垂直固定在試樣上方，將試樣置于X射線與成像檢測器之間，試驗時X射線束穿過試樣，射向成像檢測器，經過鏡片折射后由相機記錄碳化鎢顆粒運動軌跡。張瑞華等[33]通過X射線實時焊縫數字觀察系統和鎢粒子示蹤法測試了活性化TIG焊接過程中304不銹鋼熔池流動特性，活性劑采用該課題組研制的氧化物活性劑；該課題組還在示蹤劑軌跡分析法的基礎上，采用在熔池底部放置鎢制薄擋板的方法研究了涂敷氧化物活性劑時熔池流動特性，利用鎢粒子在熔池中的分布情況分析熔池中流體流動的方向，結果表明，涂敷氧化物活性劑可使熔池流體向內對流，從而增加熔深[34]。黃健康等[35]利用熔池鏡面反射的性質研究了TIG焊接過程中304不銹鋼和Q235碳鋼熔池流動特性，在試驗過程中為了更加直觀地反映熔池流動情況，在焊道上均勻涂敷了示蹤粒子，利用CCD工業相機進行實時記錄，計算了示蹤粒子在熔池中的運動速度。安亞君等[36]以粉煤灰作為活性劑，鉍粒子作為示蹤粒子，采用線掃描的方法確定了熔池中鉍粒子的分布，從而得到焊縫的表面形貌以及熔池的截面形貌等。

1.3 物理模型模擬熔池流動的可視化研究

流體流動的可視化是研究流體流場的一種重要方法，但由于熔融金屬不透明，該方法僅限于焊接過程中的熔池表面，而且即使在熔池表面，在電弧亮度的影響下，流體的觀測仍然很困難。雖然鎢粒子示蹤劑可以較為直觀地表現出熔池內部流動的運動規律，但因為粒子數目較少且顆粒較大，只能粗略地表示熔池運動狀態，對熔池流動速度的計算誤差較大；若是示蹤顆粒數目較多，又會導致粒子間產生團聚效應，影響示蹤粒子運動軌跡，導致試驗數據出現誤差，所以有學者設計了合理的物理模型來模擬研究熔池的流動特性。KOU等[37]設計了驗證浮力和洛倫磁力單獨作用時熔池流動特性的試驗，即采用一個銅棒作為熱源與低熔點的伍德合金相互接觸，此時伍德合金中的液態金屬只受到浮力的作用，然后將熱源通入75 A的電流，電流從伍德合金向熔池表面中心匯集，洛倫茲力向內向下，沿著熔池軸線向下推動液體金屬，從而觀察到的熔池深度顯著增加；與浮力相比，洛倫茲力引起的熔池對流可以攜帶熱量從熔池中心傳遞向熔池底部，從而使熔深大大增加。

KOU等[38]和LIMMANEEVICHITR等[39]首次將NaNO3引入到熔池流動特性的研究中，以對模型熔池內流體進行可視化觀測，選擇NaNO3作為流動顯示材料主要有以下原因：第一，NaNO3熔體是透明的，表面張力隨溫度變化明顯，且熔點低；第二， NaNO3熔池的Marangoni數與鋼和鋁熔池的Marangoni數接近，如果Marangoni數值相近，則兩種流體系統之間的Marangoni對流具有相似性；第三，NaNO3的輻射傳輸范圍為0.353 μm，對于激光輻射是相對不透明的。

2 數值模擬法

數值模擬法是建立求解區域模型，采用一組滿足整個求解域的偏微分方程組和合理邊界條件，模擬計算TIG焊過程中的各種物理現象[34,40-45]。隨著硬件計算能力的提升以及通用流體力學計算軟件的普及，數值模擬法已成為研究TIG焊熱過程與熔池流動特性的主要手段之一。

2.1 電弧熔池耦合的數值模擬

XU等[46-47]對TIG焊中活性劑對焊縫成形的影響進行了模擬，數學模型采用層流流動模型，將層流換熱與熔池內流體流動相耦合，結果表明活性劑可以改變表面張力溫度系數，從而改變流體流動的模式，并且通過控制活性元素的種類和數量來獲得不同種類的焊縫形狀。ZHANG等[45]采用瞬態數值模型模擬了TIG焊過程中熔池的傳熱和流體流動，在模擬過程中考慮了電磁力、表面張力等熔池中常見驅動力的影響，并采用了經典的焓-孔隙法對熔池邊界進行處理[48]，結果表明焊縫熔合區和熱影響區的幾何形狀以及焊縫熱循環與試驗結果吻合較好。UNNI等[49]用FLUENT軟件對316LN不銹鋼TIG焊熔池的流動特性進行了三維數值模擬，研究了主要表面活性元素氧含量對焊縫幾何形狀的影響，結果表明含氧量的增加可以改變表面張力溫度系數的正負，從而改變熔池的對流方向，且模擬結果與試驗結果吻合較好。

為了獲取模擬結果，以上研究均將焊接電弧施加在熔池表面的等離子流力、電流密度和熱通量等作出了假設，這些假設在一定程度上是合理的，但并不具有普遍性。事實上，在焊接過程中，電弧和熔池是一個整體，將電弧和熔池耦合可使模擬結果更加精確。CHOO等[41,50]建立了電弧熔池耦合的統一模型，即電弧和熔池部分單獨計算，以電弧和熔池界面數據作為熔池邊界條件求解熔池物理場。GOODARZI等[51-52]也采用上述方法，在考慮表面張力和湍流效應的前提下模擬了鎢極尖端角度對熔池流動的影響。不同于上述學者，TANAKA等[53]將鎢極、電弧、工件、熔池4部分處理成一個完整統一的數學模型，電弧和熔池同時計算，模型內部界面為等離子體與陰極和熔池的界面，電弧與電極之間的鞘層處理則基于熱力學平衡。TRAIDIA等[54]建立了鎢極、電弧和熔池耦合的TIG焊有限元模型，考慮了磁場隨時間變化而產生的渦流，模擬得到的熔池流動特性與用紅外攝像機得到的試驗結果吻合較好，但在焊接的最后階段，試驗結果和模擬結果之間出現了較大的差異，這是因為此時熔池表面產生的金屬蒸氣也會對焊接電弧的熱-力分布產生顯著影響， 這與金屬原子較 氬、氦等保護氣體原子具有更低的激活能和更高的輻射系數有關。樊丁等[55]對考慮金屬蒸氣的TIG焊進行了數值模擬，建立了電弧與熔池耦合的三維數值模型，發現金屬蒸氣會改變氬弧等離子體的物理特性，從而影響熔池流動特性。

在TIG焊過程中，不同物性參數的惰性氣體對電弧的熱導率、電導率、伏安特性和溫度等特性有著重要的影響[56]，電弧特性的改變又會對熔池流動特性產生直接影響。MOUGENOT等[57-58]考慮了等離子體與熔池的相互作用，建立了包含鎢極、電弧、熔池在內的三維物理耦合TIG焊模型，研究了所使用的氬氣和氦氣的混合氣體對等離子體熱特性和熔池流動特性的影響。TANAKA等[59]通過模擬發現，在氬氣等離子體中加入氦氣、氫氣和氮氣后，TIG焊接的電弧溫度、陽極熱通量密度以及陽極溫度都有所上升。

為了控制熔池流動特性，許多學者通過對電弧的直接調控來實現[60-63]。YIN等[64]模擬了在外加磁場的作用下，等離子電弧和熔池的流動特性，建立了軸向磁場作用下TIG焊電弧和熔池的三維數值模型。

2.2 考慮自由表面的熔池流動數值模擬

在熔池的數值模擬中，自由表面是一個重要的邊界條件，當焊接電流較小時，TIG焊熔池的自由表面變形較小，一般可認為是一個平面，但當焊接電流較大時，熔池表面會表現出強烈的振蕩，此時有限元法和邊界元法在模擬焊接過程中的局限性便會暴露出來，即難以模擬焊接中遇到的高變形和自由表面行為，從而給多相復雜系統中各種物理過程的耦合帶來困難，這時基于平面假設的模擬已不再適用[65-68]。為了解決這些問題，不少學者開始采用流體體積法[65,69-71]以及平滑粒子流體動力學(SPH)等方法跟蹤自由表面，以獲得互不相融的兩相或多相流體交界面。

流體體積法的基本原理是通過研究網格單元中流體和網格體積比函數來確定自由面，以追蹤流體的變化，而非追蹤自由液面上質點的運動。HUANG等[72]采用流體體積法建立了脈沖TIG焊的三維瞬態數值模型，模擬了熔池的表面振蕩，研究了熔池振蕩頻率與熔深的關系，用于實現熔池熔深控制。JIAN等[73]研究了等離子弧焊熔池流動特性，將電弧等離子、熔池和小孔耦合，建立了統一的流體流動和傳熱模型，用流體體積法跟蹤電弧與熔池邊界，研究了電弧等離子體與熔池之間的相互作用及動態演化。PAN等[74]將鎢極、電弧等離子體、母材、小孔和熔池都耦合在一個統一的模型中，采用流體體積法追蹤電弧等離子體與熔池之間的界面，研究電弧和熔池之間的傳熱及熔池流動特性。

平滑粒子流體動力學方法最初由GINGOLD等[75]提出，是一種無網格拉格朗日技術，通過根據納維爾-斯托克斯方程運動的粒子來表達流體運動，需要研究的模型被離散成代表特定物質體積的“粒子”，即使是實心區域也可以用不移動的粒子來表示。因此，平滑粒子流體動力學方法對界面變形大的過程，如TIG焊熔池中液態金屬的流動具有很好的適應性[76]。SHIGETA等[77]采用了平滑粒子流體動力學方法模擬了TIG焊熔池流動行為，研究了表面張力、浮力、電磁力和等離子流拉力對熔池流動特性的單獨影響，還介紹了硫含量對流動行為和焊縫熔深的影響。ITO等[78]用平滑粒子流體動力學方法模擬了熔池的動態形成過程，在模擬過程中考慮了陽極金屬的熔化和凝固過程、熔池的自由表面運動、Marangoni對流以及液體表面的氣體阻力、浮力和洛倫茲力。質點運動直接代表了包括表面變形在內的流體運動，所以平滑粒子流體動力學方法在處理自由表面方面具有魯棒性。DAS等[79]使用平滑粒子流體力學方法來模擬三維電弧焊接結構中的傳熱和殘余應力，分析了填充材料的流動模式、熔池冷卻過程產生的塑性應變以及在相應電弧配置下熔池的溫度分布。現有的平滑粒子流體動力學模型中顆粒尺寸較大，且忽略了電弧壓力、剪切應力等對熔池表面變形的影響。TRAUTMANN等[80]在考慮剪切應力和電弧壓力的前提下，介紹了一種基于平滑粒子流體動力學方法的TIG焊三維熔池模型，用以描述電弧特性對熔池表面變形和穿透的影響。

3 量綱分析法

在對熔池流動、傳熱、傳質的分析過程中，采用試驗測試法很難明確浮力、洛倫茲力、表面張力、等離子流力以及熱傳導和熱對流等參數在熔池流動行為研究中的重要性。一些研究者采用量綱分析法來研究熔池流動行為，該方法基于相似原理，通過傳輸方程的對比，獲得無量綱特征數。特征數通常可以表征為影響傳輸過程物理因素的組合，通過特征數變化可對影響熔池流動、傳熱和傳質過程的物理因素進行定性判斷。熔池內流體流動的驅動力包括浮力、洛倫茲力、熔池表面張力梯度引起的剪切應力、電弧等離子體作用于熔池表面的剪切應力以及電弧壓力，這些驅動力可引起熔池中流體復雜的流動[81-83]。特征數可用來定性描述這些驅動力的相對重要性，其中格拉曉夫數、磁雷諾數、表面張力雷諾數等可用來表征焊接熔池中的浮力、洛倫茲力、表面張力、等離子流力等驅動力對熔池流動的影響程度。在此基礎上，進一步結合不同驅動力對流動特性的影響規律，預測熔合區和熱影響區的大小和形狀，例如：如果電磁力是主導驅動力，則產生的熔池深而窄；如果表面張力梯度力為負，則產生的熔池寬而淺。OREPER等[43]給出了TIG焊過程中熔池瞬態發展的數學表達式，考慮了軸對稱系統以及浮力、電磁力和表面張力作用，對無量綱形式的控制方程進行適當的處理來估計一些特征數的數量級，并以此評估物理過程影響因素的相對重要性。ZHANG等[45]也通過該方法評估了焊接熔池演化過程中各階段導熱和對流傳熱的重要性，以及各種驅動力對熔池內對流的相對作用。王新鑫等[84]采用該方法分析了熔池中浮力、洛倫茲力、表面張力和等離子流拉力，驗證了TIG焊電弧和熔池耦合數值模擬結果中熔池所受到驅動力的相對大小，并分析了TIG焊焊縫寬而淺的本質原因。

4 結束語

TIG焊熔池流動特性的研究對提高焊接接頭質量和實現TIG焊接自動控制有著重要的意義。流體流動影響熔池傳質、傳熱，是影響熔池形狀和元素分布的重要因素。光學系統輔助高速相機法監測熔池的二維及三維流動特性具有速度快、精度高，且不會對目標熔池造成接觸性損傷的特點，所以該方法得到研究人員的廣泛應用；但該方法不能描述熔池內部關鍵信息，且高溫輻射以及強烈弧光等會給測量帶來巨大阻礙。X射線透射及示蹤軌跡分析法可以獲取熔池內部流動信息，不受強烈弧光影響，缺點是很難進行實時監測，且熔池振蕩及示蹤粒子團聚等因素會給觀測結果帶來誤差。物理模型模擬熔池流動可視化研究可以還原出熔池流動特性，但因為替代材料和實際金屬之間的屬性差別導致還原精度不足，只能分析熔池宏觀流動特性。鎢極-電弧-熔池耦合的數值模擬方法是目前研究TIG焊熔池流動特性的一個重要手段，在大電流以及等離子弧焊的模擬中，可以考慮用流體體積法以及平滑粒子流體動力學來追蹤熔池自由表面；但在實際焊接過程中，熔池中涉及傳熱、流動、光、聲、電和磁等復雜的物理現象。數值模擬的計算結果都是基于對控制方程和邊界條件在一定程度上的假設及簡化，因此僅用數值模擬的方法很難對其進行完整描述。量綱分析法可以根據自身性質間接描述熔池中浮力、等離子流拉力、表面張力等驅動力的相對數量級，評估熔池中熱傳導和熱對流的相對重要性。綜合來看，試驗測試方法和數值模擬方法相結合，可以對熔池流動特性及其調控機理給出科學合理的理論解釋，且能夠滿足指導工藝優化的需要。

試驗測試法研究熔池流動特性的主要缺點在于獲取熔池流動信息手段較單一，數據還原精度及穩定性差，測量數據不能及時處理等。在未來研究中可以搭建多傳感器聯合檢測平臺，對熔池流動特性不同參數進行統一監控，并結合深度學習算法建立實時熔池數據處理模型，研究熔池流動特性與焊縫成形質量之間的映射關系。鎢極-電弧-熔池耦合數值模擬是未來研究熔池流動特性的重要方法，在研究過程中應結合實際應用場景對模型作出合理假設和優化，要綜合考慮傳熱、液態金屬流動、熔池自由表面變形以及熔池金屬蒸氣等的影響。在未來的研究中，應將試驗測試法與數值模擬法相結合，取長補短，減小試驗誤差，對熔池流動特性進行全方位多維度的精確檢測，這對焊縫質量的控制具有重大意義。