基于Fluent的窄間隙TIG焊槍結構優化設計

楊寬， 高輝， 周燦豐

(北京石油化工學院，能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心，北京 102617)

0 前言

近年來在盾構、核電、海洋石油等工業領域中，大壁厚鋼結構的使用量逐漸增加。相對于傳統V形坡口，采用窄間隙U形坡口可在大厚壁鋼結構焊接中極大的減少焊材消耗、提高焊接效率。窄間隙焊槍作為窄間隙焊接中的重要裝備之一，其結構設計的合理性對于保證焊接電弧穩定、改善表面成形、減少焊接缺陷具有重要意義[1-3]。

常見的窄間隙焊接方法主要包括：窄間隙埋弧焊(NG-SAW)、窄間隙熔化極氣體保護焊(NG-GMAW)及窄間隙鎢極氬弧焊(NG-TIG)[4-6]。其中，NG-TIG因其繼承了傳統TIG焊接所具有的熱輸入低、電弧穩定性高、焊接缺陷少、焊縫成形美觀及可實現全位置自動焊的特點[7-8]，特別適合用于核電主管路、隨鉆測井工具等對焊接質量要求較高的零部件制造。然而，相對于其它2種窄間隙焊接方法，目前國內在NG-TIG焊接裝備及焊接工藝的研究相對較少[9]。

文中在對NG-TIG焊槍機械結構開展初步設計和試驗分析的基礎上，采用Fluent流體力學有限元仿真計算軟件，以傳統TIG焊槍的保護氣流場為依據，針對焊槍保護氣通道及其出口布局進行了優化設計，有效的提高了焊接電弧穩定性，獲得了成形美觀、無缺陷的窄間隙填充及蓋面焊縫。

1 NG-TIG焊槍整體機械結構設計

針對圖1所示的坡口形式初步開展了NG-TIG焊槍的機械結構設計。坡口深度15 mm，寬度10 mm，側壁傾角3°。焊槍本體總長120 mm，高度100 mm，槍體探進坡口部分的厚度為8 mm。焊槍結構如圖2所示，主要包括電機、機架、左右送氣管路、冷卻管路、送絲裝置、氣罩等部分組成。

整個窄間隙焊接過程主要包括打底焊、填充焊及蓋面焊3個階段[10-11]。為了驗證焊槍結構的合理性，文中主要針對打底焊和蓋面焊這2種極限工況開展了焊接試驗研究。

2 初步焊接試驗與結果分析

在焊接電流分別為80 A，100 A，120 A，保護氣流量分別為15 L/min，25 L/min，焊接速度100 mm/min的條件下，分別在窄間隙坡口內和管道表面進行無填充焊接試驗，試驗結果存在的問題如圖3所示。

試驗結果表明,在坡口內部焊接時，雖然存在電弧不穩定現象，但無明顯飛濺。在坡口外部焊接時，飛濺較大且焊縫有大量氣孔存在。究其原因，應為焊接保護氣通道及其出口布局不合理導致的氣罩內部氣流紊亂。尤其是在坡口外部焊接時，氣罩保護效果變差，罩內紊亂氣流產生的渦流引起外部空氣的卷入，進而形成飛濺和氣孔。

3 保護氣通道及其出口布局的優化設計

針對坡口外部焊接試驗過程中表現出的保護氣罩保護效果欠佳問題，采用Fluent流體力學有限元計算軟件開展了建模、數值計算與分析研究。

3.1 原方案的有限元建模與分析

3.1.1有限元建模

焊接試驗中采用純度為99.99%的氬氣作為保護氣體。其相關的物性參數見表1。

表1 氬氣物性參數

氣體在保護氣罩的內的流動狀態較為復雜，采用k-ε湍流計算模型，對其運動軌跡進行預測[12-13]。其輸運方程為：

(1)

(2)

式中：k為湍流動能；ε為耗散率；σk，σε分別為湍流動能k和耗散率e對應的普朗特數,分別為1.0，1.3；μ為動力黏度；μt為湍流黏度；Gk為由平均速度梯度產生的湍流動能；Gb為由浮力影響產生的湍流動能；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；C1ε，C2ε，C3ε為經驗常數,分別取1.44，1.92，0.99；Sk和Sε為用戶自定義源項。

根據初始方案中的焊槍結構建立保護氣部分的流體域并進行網格劃分；采用速度入口作為入口邊界條件，根據保護氣流量計算并設置氣體的入口速度為13 m/s；將焊槍的前后左右4個方向設置為自由出口邊界條件；其余邊界設置為無滑移的壁面邊界，網格模型如圖4所示。

3.1.2計算結果與分析

圖5為計算獲得的保護氣罩內部的氣體速度矢量圖。在鎢極尖端部位，有大量矢量箭頭指向保護氣罩內部，從而證明了焊接過程中在電弧附近存在反向氣流，容易導致外部空氣卷入，進而產生飛濺與氣孔缺陷。

3.2 優化設計及驗證試驗

為了提高焊接電弧的穩定性，減少焊接缺陷,文中以傳統TIG焊槍的保護氣場為參照，通過調整氣罩內的保護氣通道及其出口布局，對NG-TIG焊槍結構進行了優化設計,并開展了相關驗證試驗。

3.2.1傳統TIG焊槍保護氣場的仿真計算

采用Fluent軟件對WP12型傳統TIG焊槍的保護氣狀態進行了數值模擬，在鎢極伸出長度為7 mm，鎢極尖端距離母材垂直高度為5 mm，鎢極軸線與母材平面的夾角為45°，保護氣體流量為15 L/min參數條件下的仿真結果如圖6所示。計算結果表明：傳統WP12焊槍鎢極處保護氣的運動方向幾乎和鎢極軸線方向一致且分布均勻。

3.2.2NG-TIG焊槍的送氣結構優化與試驗驗證

基于傳統TIG焊槍的保護氣流動狀態，文中針對多種送氣通道及其出口布局結構進行了仿真分析，最終確定的優化后NG-TIG焊槍送氣結構及其流場的仿真計算結果分別如圖7、圖8所示。

仿真計算結果表明，優化后保護氣罩內氣體的整體流向呈現由上向下的狀態，氣室內大部分氣體流向一致，僅在靠近壁面邊界的位置出現小范圍的局部湍流，不會對電弧穩定性造成明顯影響。另外，文中提取了優化后NG-TIG保護氣罩內部垂直于母材表面以鎢極尖端為端點的5mm范圍內的保護氣速度并與傳統TIG焊槍進行了對比分析，如圖9、圖10所示。對比結果表明，2種焊槍在電弧附近的保護氣流速基本一致，進一步確定了優化焊槍結構的合理性。

3.2.3優化焊槍的試驗驗證

針對優化后的NG-TIG焊槍分別開展了坡口內、坡口外、無填絲和有填絲條件下的焊接試驗驗證。試驗結果表明：對管道窄間隙坡口內無填絲與填絲焊接的試驗過程中，在焊接電流120 A，氣體流量25 L/min，焊接速度100 mm/min，送絲速度50 cm/min焊接工藝參數下的焊縫效果美觀無缺陷，如圖11所示。

對管道表面在焊接電流為120 A，氣體流量為25 L/min,焊接速度為100 cm/min，送絲速度為100 mm/min的焊接工藝參數下進行蓋面無填絲與填絲焊接試驗過程中，同樣得到了外觀較為理想的焊縫其試驗結果如圖12所示。

4 結論

為解決NG-TIG焊槍在焊接測試過程中出現的電弧不穩定等工藝問題，筆者結合經驗及理論采用Fluent軟件對傳統TIG焊槍的保護氣狀態進行仿真，并作為參照對NG-TIG焊槍的送氣結構進行優化設計。通過對比兩焊槍保護氣的速度及運動軌跡可知，優化后的NG-TIG焊槍保護氣狀態與傳統TIG焊槍的效果接近。最后對NG-TIG焊槍進行參數化處理，通過大量試驗，分析不同焊接工藝參數對電弧穩定性及焊縫形貌的影響，并在窄間隙坡口內外焊接中都得到了美觀無缺陷的焊縫。