超窄间隙TIG焊枪的建模与仿真

张 瑾，李继明，张鹏贤，朱 亮

(1.兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 有色金属合金教育部重点实验室，甘肃 兰州 730050；3.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，甘肃 兰州 730050)

超窄间隙TIG焊枪的建模与仿真

张 瑾1，李继明2，3，张鹏贤2，3，朱 亮2，3

(1.兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 有色金属合金教育部重点实验室，甘肃 兰州 730050；3.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，甘肃 兰州 730050)

针对超窄间隙TIG焊的焊接工艺要求，提出了一种基于实体建模和数值模拟仿真相结合的焊枪优化设计方法。首先，根据气体在管道中的流动特性，建立了适用于超窄间隙TIG焊的STN和HTN型枪嘴的理论模型和实体模型，并进行了数值仿真分析；然后采用自行研制的铜丝网气保护试验装置测定了这两种枪嘴在不同的气体流量范围下的实际气体保护效果。经试验测定结果与模拟仿真结果对比分析表明，所研制的STN型枪嘴可满足超窄间隙TIG焊气体保护效果的工艺要求。基于数值模拟优化设计的方法，既可降低其开发成本，又可缩短研发周期。

超窄间隙TIG焊；实体模型；数值模拟；优化设计

0 前言

目前，在压力容器、钢结构等制造行业，中厚板的焊接主要采用埋弧自动焊工艺，焊前需要加工坡口，在大热输入下通过多层多道工艺方法实现连接，其焊前准备时间长，焊接金属填充量大，热影响区宽[1-3]，尤其是高强钢等热敏感性强的钢材焊接时，出现难以克服的热影响区脆化等现象，是目前急需解决的焊接问题。采用小热输入的超窄间隙焊接方法，可有效避免埋弧焊焊接中厚板所存在的问题，但这种焊接方法对设备及工艺过程提出了更高的要求。针对板厚30 mm以下，间隙不超过5 mm的I型坡口，提出了一种采用焊剂带约束电弧的TIG焊工艺方法，并开展了其专用工艺设备和技术研究。超窄间隙TIG焊[4-5]专用焊枪需要解决的核心问题就是如何使钨极和熔池得到有效的气体保护，而在狭小的拘束空间内，保证和测定其气体保护效果是非常困难的。因此，提出了一种基于数值模拟与仿真快速开发超窄间隙TIG焊枪的实现方法，其流程如图1所示。根据超窄间隙TIG焊的工艺需求，提出了符合流体力学原理的焊枪枪嘴的理论模型。以此建立Pro／E的实体模型，采用CFD软件进行了仿真分析，并通过实体加工的TIG焊枪嘴的气体保护试验验证了仿真结果。

图1 焊枪优化设计流程

1 超窄间隙TIG焊焊接工艺要求

实现超窄间隙TIG焊，在工艺上重点需要解决两方面问题：其一，两侧壁金属熔合塌陷问题，即在狭小间隙下，当钨极到侧壁的距离小于钨极到间隙底部距离时，产生侧壁引弧，导致金属熔化坍塌；其二，气体保护效果不良，保护气经焊枪喷入狭小空间时，易产生紊流而卷入空气，致使熔池和钨极无法得到有效的保护。焊剂带约束电弧的TIG焊在实现超窄间隙焊接时，采用焊剂带自动铺设在两侧壁来杜绝侧壁引弧问题。因此研制了专用的TIG焊枪解决狭小空间下的气保护问题，其工艺原理如图2所示。该焊枪的钨极被加工成扁平状，使钨极能够伸入到被焊工件底部，产生电弧。气体保护主要通过特制枪嘴提供一定压力和流速的氩气来实现。

针对这种工艺需求，根据气体在管道内的流动特性[6-7]，提出了两种枪嘴模型，即STN型枪嘴(1／4圆弧管道的直通式喷嘴)和HTN型枪嘴(扩张管道及收缩管道组合的喇叭式喷嘴)。这两种枪嘴模型主要依据管道截面对气体流速和压力的影响规律而提出，STN型枪嘴所使用的直通式管道可以获得较高的气体流速和压力，而HTN型枪嘴所用的喇叭式管道可获得相对较低的气体流速和较高的压力。从理论上分析，这两种管道形式提供的压力和流速可满足窄间隙环境下的气体保护要求。

图2 焊接工艺原理

2 枪嘴的建模和仿真

2.1 枪嘴的实体模型

采用Pro／ENGINEER Wildfire 4.0软件，对STN和HTN型两种枪嘴进行了实体建模。图3为这两种枪嘴的实体模型剖分图，这两种枪嘴结构形式基本相同，主要由送气装置、枪体、压块和陶瓷管四部分组成。送气装置主要实现两个功能：中间部分用于夹持钨极，外围环状部分将气体均匀送入到下方的缓冲室。压块是可拆卸的，STN和HTN型枪嘴主要区别在于压块的形状不同，STN型的压块为下部带一定圆弧过渡的直通式，而HTN型为两对称弧面构成的喇叭式压块。压块通过螺钉固定在枪体上，压块外侧的陶瓷管起绝缘和保护作用。

图3 实体模型剖面图

2.2 枪嘴的模拟分析

由于从枪嘴喷出的保护气体在熔池区域的流态分布难以用气体动力学加以描述和分析，基于STN和HTN型枪嘴的实体模型，尝试采用数值模拟方法对超窄间隙下保护气体流态进行仿真分析。将实体模型导入Phoenics3.5软件，在采用理想层流方式送气条件下，设置合理的边界条件，将这两种枪均分为70×70×85个单元网格。

设定枪嘴距被焊工件表面距离为2 mm，保护气流量15 L／min，对STN和HTN型枪嘴气体流态分布进行了仿真。图4为Phoenics输出仿真结果，图中所示的左边条带表示气体流速，不同的灰度带表示流速的渐变范围，右边Probe value表示图中探头所指处的气体流速，也恰为熔池区；Average value表示被仿真区域的气体平均流速。图中不同灰度处的箭头代表气体流动的矢量方向。

图4 Phonics输出仿真结果

图4a中STN型枪嘴在间隙内的保护气体流速为0.898 3～1.797 0 m／s，而HTN型枪嘴的保护气在间隙内流速为0～1.372 0 m／s，且气体进入间隙以后流速急剧变小。在间隙内同一点(如图中熔池处)，STN型枪嘴的气体流速为0.154 4 m／s，而HTN型枪嘴则为0.078 6 m／s。这表明在相同条件下，STN型枪嘴的气体保护效果要优于HTN型枪嘴。

图4最下方有一特殊区域，该区域也正是弧柱区，从灰度分布判断为气体低速流动区域，为了探明这样的流速能否保证完全排开空气，对其进行了压力场仿真分析。仿真结果如图5所示，被模拟区域虽为低速流动区，其压力却高达1.784 0×105Pa，高于正常的大气压，而周围区域为低压区，这表明保护气体在压力差的作用下完全可以对弧柱区和熔池区形成有效的保护。

图5 压力场仿真结果

模拟结果如图6所示，S1、H1分别表示STN和HTN型枪嘴在间距1 mm获得的模拟保护宽度和长度，其他类推。在同样间距条件下，STN型枪嘴模拟保护长度和宽度优于HTN型枪嘴，但随着保护气体流量的增加，气体平稳流动性减弱，形成紊流的趋势增加，易将空气卷入，不利于排开空气形成保护区域，甚至丧失气体保护效果。

3 实验验证

为验证仿真结果的正确性，加工了STN和HTN型两种枪嘴，图7为两种枪嘴加工实体图。采用试验方法考评这两种枪嘴在超窄间隙环境下的气保护效果，采用铜丝网装置铺设在间隙底部，对该铜丝网持续通电加热，使铜丝网处于红热状态，待5 s后切断电流，将铜丝网冷却至室温时切断保护气体。通过铜丝网未被氧化变黑区域的大小来判定间隙处的气体保护效果。采用上述试验方法，分别对STN和HTN型枪嘴以及常规使用的TIG焊的气体保护区域进行了测定。图8为采用铜丝网装置测定的气体保护区域的平均长度和宽度。该数值是在将枪嘴设定在距离被焊工件上表面1 mm处，随不同气体流量变化的测定结果。数据表明，常规TIG焊枪在超窄间隙环境下，气体所提供的平均保护长度和宽度几乎为零。而在5～20 L／min的保护气体流量范围内，STN型枪嘴在间隙内可提供的平均保护长度和宽度分别为8.34 mm和4.06 mm；HTN型枪嘴的平均保护长度和宽度为5.13 mm和2.38 mm，可见STN型枪嘴的保护效果要优于HTN型枪嘴。随着保护气体流量的增加，平均保护长度和宽度下降(甚至为零)，这是由于随着气流量的增大，气体流态由低速层流渐转变为高速紊流形态而造成的，这与仿真分析结果相符。

图6 模拟结果

图7 枪嘴实体

图8和图6对比表明，在相同间距条件下，有效保护长度和宽度随气流量的变化规律基本相同，但由于仿真时气体的流动形态以及间隙底部熔池区域条件与实际试验时存在差别，致使有效长度和宽度的仿真结果均大于试验测定结果。

4 结论

(1)研制的STN和HTN型枪嘴在超窄间隙环境下都能获得一定的气体保护区域，而STN型枪嘴提供的气体保护效果明显优于HTN型枪嘴，能够满足超窄间隙TIG焊工艺要求。(2)提出的数值模拟优化设计方法，应用于超窄间隙TIG焊焊枪的研制是可行的，采用这种方法既可以降低开发成本，又可缩短开发周期，且为焊接工艺装备的研发提供了一条捷径。

图8 保护区域的试验测定值

[1] Zhang F J，Xu W G，Wang Y T，et al.Effect of welding heat input on HAZ chanmcter in ultra-fine grain steelwelding[J].China Welding，2003，12(2)：122-127.

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[4]郑韶先，朱 亮，张旭磊，等.焊剂带约束电弧在超窄间隙焊接中的加热特性[J].焊接学报，2008，29(5)：57-60.

[5]郑韶先，朱 亮，张旭磊，等.焊剂带约束电弧用于超窄间隙的焊接[J].机械工程学报.2009，45(2)：219-223.

[6]张兆顺，崔桂香.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2006.

[7]王新月，杨清真.热力学与气体动力学基础[M].西安：西北工业大学出版社，2004.

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

国家自然科学基金资助项目(50775105)

张 瑾(1970—)，女，甘肃庆阳人，讲师，硕士，主要从事机械设计及理论的教学与科研工作。