钨极惰性气体保护焊熔池流动特性研究方法

李渊博，郑文星，叶 韬，麻帅川，赵锡龙

(兰州交通大学材料科学与工程学院，兰州 730070)

0 引 言

钨极惰性气体保护(tungsten inert gas,TIG)焊是利用钨极作为非熔化电极，惰性气体作为保护气的一种电弧焊方法，因具有工艺成熟、焊缝质量高、焊接稳定性较高等特点而在现代工业生产中得到大量应用。TIG焊熔池中的熔融金属在电弧压力、浮力、表面张力、洛伦兹力、等离子流力等的共同作用下发生剧烈流动，使熔池中的传热/传质过程得以进行。在焊接过程中，填充金属与母材混合不均匀会影响熔池流动，从而影响焊缝的几何形状[1-4]。熔池流动会影响熔池内部对流传热过程，继而影响熔池内部固态相变以及晶粒结构，并最终影响焊接接头的质量和性能[5-6]。此外，熔池流动也会影响熔池传质过程，熔池的传质直接决定着焊缝金属的成分分布，进而影响焊缝的耐腐蚀、抗疲劳等性能[7-9]。通过调控熔池流动改变熔池对流传热、流动速度、凝固速率、表面张力温度系数等参数，从而改善焊缝成形质量及接头性能是TIG焊应用的关键。目前，国内外学者对TIG焊熔池的流动特性进行了大量研究[10-14]，主要研究方法可分为试验测试、数值模拟和量纲分析3大类。试验测试法主要通过视觉传感器对熔池进行实时监测，或在熔池中加入示踪粒子，通过观察示踪粒子运动轨迹来分析熔池流动特性。近年来还有学者提出了一种使用物理模型模拟熔池流动特性的研究方法，可以在一定程度上还原出熔池的流动行为[15-16]。由于熔池处于高温状态，具有多物理场强耦合的动态变化特征，同时熔池在强烈弧光照射环境下会大幅增加视觉传感器采集图像信息的难度，从而给试验测量带来了巨大困难。数值模拟法通过建立熔池传热/传质数学模型，利用有限元方法计算出熔池温度场和流场等，对比分析不同焊接参数下熔池温度场及流场分布特征，研究熔池流动特性及流动机理。数值模拟法可以直观地展现熔池流动过程中的各种热力学现象，与试验测试法相互配合，有助于更加全面地了解熔池流动特性，因而被越来越多学者所采用[17-19]。量纲分析法是基于相似理论，通过不同系统传输方程的对比，确定描述传输过程的无量纲特征数，进一步基于特征数的比较，实现流动、传热及传质过程主要影响因素的定性分析。为了给相关科研人员提供参考，作者对国内外有关TIG焊熔池流动特性的研究方法进行了阐述，对比分析了不同研究方法的特点，并对今后研究方向进行了展望。

1 试验测试法

伴随各种检测技术的发展，熔池监测方法也逐渐丰富起来。熔池流动特性的试验测试法可以分为3类：第1类是利用光学系统和高速相机相结合的方式来实现流场可视化研究，然后通过对记录到的图像进行后期处理和分析，研究熔池流动特性；第2类是对熔池内部进行高能X射线扫描获得熔池二维或三维流动特性，这种方法一般都要在熔池中加入示踪粒子来表征运动轨迹；第3类是通过使用物理性质相似但更易于观察的其他材料来代替熔池金属，进行熔池内部流动特性的模拟试验研究。

1.1 光学系统辅助高速相机观测法

光学系统辅助高速相机观测法常用来对熔池表面的流动特性进行研究。ZHAO等[20]以316L不锈钢基板上的自然氧化层作为跟踪对象，利用高速摄像机成像和粒子图像测速技术重建了表面流场，对熔池表面流动特性进行了表征；用该技术将含有示踪粒子的连续流图像交叉关联，计算了熔池二维瞬时速度场及熔池表面最大流动速度和平均流动速度与雷诺数。在对熔池表面流动行为的观测试验中，明亮的弧辐射使得该观测任务变得复杂。ZHANG等[21]利用照明激光与电弧等离子体之间的传播差异，将激光照射到熔池表面后形成镜面反射，然后利用高速摄像机采集光谱并对其进行分析，试验结果表明该方法在低功率照明激光照射下可以获得清晰的熔池表面图像。随着焊接自动化的普及，大量学者开始通过监测熔池表面形貌来控制成形和熔化阶段焊道的几何特征。SMITH等[22]提出了一种基于实时视觉监测并控制熔池宽度的系统，利用带有镜头系统和近红外带通滤波器的电荷耦合器件(CCD)相机对熔池宽度进行监测，监测结果实时反馈至工艺控制器，再通过调节工艺参数来控制熔池宽度，以维持熔池宽度的一致性。上述几种方法都是在熔池二维尺寸的基础上进行的研究，可以直观展现出熔池形貌，但实际熔池表面并不是平面，而是由表面张力引起的三维曲面，并因表面振荡而随时发生变化。因此，二维测量仅限于熔池顶面接近平面或可以假设为平面的条件，由于缺少三维信息，在某些条件下会使熔池形貌出现较大误差。熔池表面的三维测量已经成为当前科研人员的重点研究方向[23-26]，目前学者对熔池图像进行三维重构的方法可分为双目立体视觉法、阴影恢复形状法、结构光立体视觉法三大类。

双目立体视觉法是将不同观测方向上所采集的熔池变化视频数据分帧，找到相同时间点上不同观测方向的熔池形貌，以这些图像数据为基础，对熔池三维形貌进行重建。肖心远等[27]设计了一种相交光轴的双目视觉装置对熔池形貌进行监测。但双镜头的双目视觉装置成本较高，需要两台相机及两组滤光系统，很难保证两台相机精确的同步性，且因观测区域太小，使得相机及滤光设备不好布置。为了解决上述问题，有学者提出了单相机双镜面反射装置[28]。ZHAO[29]采用了一个带有立体适配器的单台高速摄像机对熔池表面液态金属进行三维尺寸测量，该适配器包括两组平行镜像，可以从两个不同视点在同一帧中捕获两个图像，再基于机器视觉数学模型，精确获得熔池的三维表面轮廓及熔池流动速度。

结构光立体视觉法是基于数学假设模型的重构，使照射在熔池表面液态金属的点状激光被反射后在图像平面上生成点状矩阵，通过建立数学模型，重构熔池三维形貌[21]。SONG等[30]将结构激光点矩阵投影到镜面熔池表面，并在成像平面上成像，然后对反射图像进行捕获和处理，使用插值重建和外推重建两种方法重构熔池三维表面形貌，分析了TIG焊接过程中熔池表面形貌的变化。SAEED等[24]提出了一种基于激光镜面反射的熔池三维表面的计算方法，将激光投射进焊接熔池中，使用CCD工业相机观察熔池表面反射出的激光，利用包括光流和运动点跟踪在内的图像处理技术来跟踪这些反射图形。建立以光学理论为基础的三维表面测量数学模型，根据反射定律计算出表面斜率场，并通过斜率场重构熔池表面的三维形貌。

阴影恢复形状法的基本原理是利用单张图像中的灰度信息求解反射方程来恢复物体表面各点的相对高度，进而还原物体表面的几何形貌。ZHAO等[28]利用三维计算机视觉技术分析二维图像数据，重建了熔池表面三维数据，其具体过程是先通过光学传感器记录熔池图像，并用二维图像算法提取熔池平面形状，然后采用阴影恢复形状法重构熔池图像的表面高度，从而确定熔池的三维形状参数。李来平等[31]用阴影恢复形状法研究了熔池表面的形貌特征，通过复合滤光系统采集熔池表面图像，建立熔池反射图数学模型并对其进行求解，计算得到熔池表面高度，但因为反射和约束条件难以确定，利用阴影恢复形状法得到的重构结果精度不足。

1.2 X射线透射及示踪剂轨迹分析法

光学系统辅助高速相机观测法更多用于描述熔池二维及三维表面形貌特征，但不能直观地对熔池内部运动状况进行描述，而X射线透射及示踪剂轨迹分析可以直观地观察焊接过程中熔池内液态金属的流动情况。WU等[32]通过X射线透射法观察了TIG焊熔池流动特性，碳化钨颗粒作为速度测量的示踪颗粒包含在试样中，钨极垂直固定在试样上方，将试样置于X射线与成像检测器之间，试验时X射线束穿过试样，射向成像检测器，经过镜片折射后由相机记录碳化钨颗粒运动轨迹。张瑞华等[33]通过X射线实时焊缝数字观察系统和钨粒子示踪法测试了活性化TIG焊接过程中304不锈钢熔池流动特性，活性剂采用该课题组研制的氧化物活性剂；该课题组还在示踪剂轨迹分析法的基础上，采用在熔池底部放置钨制薄挡板的方法研究了涂敷氧化物活性剂时熔池流动特性，利用钨粒子在熔池中的分布情况分析熔池中流体流动的方向，结果表明，涂敷氧化物活性剂可使熔池流体向内对流，从而增加熔深[34]。黄健康等[35]利用熔池镜面反射的性质研究了TIG焊接过程中304不锈钢和Q235碳钢熔池流动特性，在试验过程中为了更加直观地反映熔池流动情况，在焊道上均匀涂敷了示踪粒子，利用CCD工业相机进行实时记录，计算了示踪粒子在熔池中的运动速度。安亚君等[36]以粉煤灰作为活性剂，铋粒子作为示踪粒子，采用线扫描的方法确定了熔池中铋粒子的分布，从而得到焊缝的表面形貌以及熔池的截面形貌等。

1.3 物理模型模拟熔池流动的可视化研究

流体流动的可视化是研究流体流场的一种重要方法，但由于熔融金属不透明，该方法仅限于焊接过程中的熔池表面，而且即使在熔池表面，在电弧亮度的影响下，流体的观测仍然很困难。虽然钨粒子示踪剂可以较为直观地表现出熔池内部流动的运动规律，但因为粒子数目较少且颗粒较大，只能粗略地表示熔池运动状态，对熔池流动速度的计算误差较大；若是示踪颗粒数目较多，又会导致粒子间产生团聚效应，影响示踪粒子运动轨迹，导致试验数据出现误差，所以有学者设计了合理的物理模型来模拟研究熔池的流动特性。KOU等[37]设计了验证浮力和洛伦磁力单独作用时熔池流动特性的试验，即采用一个铜棒作为热源与低熔点的伍德合金相互接触，此时伍德合金中的液态金属只受到浮力的作用，然后将热源通入75 A的电流，电流从伍德合金向熔池表面中心汇集，洛伦兹力向内向下，沿着熔池轴线向下推动液体金属，从而观察到的熔池深度显著增加；与浮力相比，洛伦兹力引起的熔池对流可以携带热量从熔池中心传递向熔池底部，从而使熔深大大增加。

KOU等[38]和LIMMANEEVICHITR等[39]首次将NaNO3引入到熔池流动特性的研究中，以对模型熔池内流体进行可视化观测，选择NaNO3作为流动显示材料主要有以下原因：第一，NaNO3熔体是透明的，表面张力随温度变化明显，且熔点低；第二， NaNO3熔池的Marangoni数与钢和铝熔池的Marangoni数接近，如果Marangoni数值相近，则两种流体系统之间的Marangoni对流具有相似性；第三，NaNO3的辐射传输范围为0.353 μm，对于激光辐射是相对不透明的。

2 数值模拟法

数值模拟法是建立求解区域模型，采用一组满足整个求解域的偏微分方程组和合理边界条件，模拟计算TIG焊过程中的各种物理现象[34,40-45]。随着硬件计算能力的提升以及通用流体力学计算软件的普及，数值模拟法已成为研究TIG焊热过程与熔池流动特性的主要手段之一。

2.1 电弧熔池耦合的数值模拟

XU等[46-47]对TIG焊中活性剂对焊缝成形的影响进行了模拟，数学模型采用层流流动模型，将层流换热与熔池内流体流动相耦合，结果表明活性剂可以改变表面张力温度系数，从而改变流体流动的模式，并且通过控制活性元素的种类和数量来获得不同种类的焊缝形状。ZHANG等[45]采用瞬态数值模型模拟了TIG焊过程中熔池的传热和流体流动，在模拟过程中考虑了电磁力、表面张力等熔池中常见驱动力的影响，并采用了经典的焓-孔隙法对熔池边界进行处理[48]，结果表明焊缝熔合区和热影响区的几何形状以及焊缝热循环与试验结果吻合较好。UNNI等[49]用FLUENT软件对316LN不锈钢TIG焊熔池的流动特性进行了三维数值模拟，研究了主要表面活性元素氧含量对焊缝几何形状的影响，结果表明含氧量的增加可以改变表面张力温度系数的正负，从而改变熔池的对流方向，且模拟结果与试验结果吻合较好。

为了获取模拟结果，以上研究均将焊接电弧施加在熔池表面的等离子流力、电流密度和热通量等作出了假设，这些假设在一定程度上是合理的，但并不具有普遍性。事实上，在焊接过程中，电弧和熔池是一个整体，将电弧和熔池耦合可使模拟结果更加精确。CHOO等[41,50]建立了电弧熔池耦合的统一模型，即电弧和熔池部分单独计算，以电弧和熔池界面数据作为熔池边界条件求解熔池物理场。GOODARZI等[51-52]也采用上述方法，在考虑表面张力和湍流效应的前提下模拟了钨极尖端角度对熔池流动的影响。不同于上述学者，TANAKA等[53]将钨极、电弧、工件、熔池4部分处理成一个完整统一的数学模型，电弧和熔池同时计算，模型内部界面为等离子体与阴极和熔池的界面，电弧与电极之间的鞘层处理则基于热力学平衡。TRAIDIA等[54]建立了钨极、电弧和熔池耦合的TIG焊有限元模型，考虑了磁场随时间变化而产生的涡流，模拟得到的熔池流动特性与用红外摄像机得到的试验结果吻合较好，但在焊接的最后阶段，试验结果和模拟结果之间出现了较大的差异，这是因为此时熔池表面产生的金属蒸气也会对焊接电弧的热-力分布产生显著影响， 这与金属原子较 氩、氦等保护气体原子具有更低的激活能和更高的辐射系数有关。樊丁等[55]对考虑金属蒸气的TIG焊进行了数值模拟，建立了电弧与熔池耦合的三维数值模型，发现金属蒸气会改变氩弧等离子体的物理特性，从而影响熔池流动特性。

在TIG焊过程中，不同物性参数的惰性气体对电弧的热导率、电导率、伏安特性和温度等特性有着重要的影响[56]，电弧特性的改变又会对熔池流动特性产生直接影响。MOUGENOT等[57-58]考虑了等离子体与熔池的相互作用，建立了包含钨极、电弧、熔池在内的三维物理耦合TIG焊模型，研究了所使用的氩气和氦气的混合气体对等离子体热特性和熔池流动特性的影响。TANAKA等[59]通过模拟发现，在氩气等离子体中加入氦气、氢气和氮气后，TIG焊接的电弧温度、阳极热通量密度以及阳极温度都有所上升。

为了控制熔池流动特性，许多学者通过对电弧的直接调控来实现[60-63]。YIN等[64]模拟了在外加磁场的作用下，等离子电弧和熔池的流动特性，建立了轴向磁场作用下TIG焊电弧和熔池的三维数值模型。

2.2 考虑自由表面的熔池流动数值模拟

在熔池的数值模拟中，自由表面是一个重要的边界条件，当焊接电流较小时，TIG焊熔池的自由表面变形较小，一般可认为是一个平面，但当焊接电流较大时，熔池表面会表现出强烈的振荡，此时有限元法和边界元法在模拟焊接过程中的局限性便会暴露出来，即难以模拟焊接中遇到的高变形和自由表面行为，从而给多相复杂系统中各种物理过程的耦合带来困难，这时基于平面假设的模拟已不再适用[65-68]。为了解决这些问题，不少学者开始采用流体体积法[65,69-71]以及平滑粒子流体动力学(SPH)等方法跟踪自由表面，以获得互不相融的两相或多相流体交界面。

流体体积法的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数来确定自由面，以追踪流体的变化，而非追踪自由液面上质点的运动。HUANG等[72]采用流体体积法建立了脉冲TIG焊的三维瞬态数值模型，模拟了熔池的表面振荡，研究了熔池振荡频率与熔深的关系，用于实现熔池熔深控制。JIAN等[73]研究了等离子弧焊熔池流动特性，将电弧等离子、熔池和小孔耦合，建立了统一的流体流动和传热模型，用流体体积法跟踪电弧与熔池边界，研究了电弧等离子体与熔池之间的相互作用及动态演化。PAN等[74]将钨极、电弧等离子体、母材、小孔和熔池都耦合在一个统一的模型中，采用流体体积法追踪电弧等离子体与熔池之间的界面，研究电弧和熔池之间的传热及熔池流动特性。

平滑粒子流体动力学方法最初由GINGOLD等[75]提出，是一种无网格拉格朗日技术，通过根据纳维尔-斯托克斯方程运动的粒子来表达流体运动，需要研究的模型被离散成代表特定物质体积的“粒子”，即使是实心区域也可以用不移动的粒子来表示。因此，平滑粒子流体动力学方法对界面变形大的过程，如TIG焊熔池中液态金属的流动具有很好的适应性[76]。SHIGETA等[77]采用了平滑粒子流体动力学方法模拟了TIG焊熔池流动行为，研究了表面张力、浮力、电磁力和等离子流拉力对熔池流动特性的单独影响，还介绍了硫含量对流动行为和焊缝熔深的影响。ITO等[78]用平滑粒子流体动力学方法模拟了熔池的动态形成过程，在模拟过程中考虑了阳极金属的熔化和凝固过程、熔池的自由表面运动、Marangoni对流以及液体表面的气体阻力、浮力和洛伦兹力。质点运动直接代表了包括表面变形在内的流体运动，所以平滑粒子流体动力学方法在处理自由表面方面具有鲁棒性。DAS等[79]使用平滑粒子流体力学方法来模拟三维电弧焊接结构中的传热和残余应力，分析了填充材料的流动模式、熔池冷却过程产生的塑性应变以及在相应电弧配置下熔池的温度分布。现有的平滑粒子流体动力学模型中颗粒尺寸较大，且忽略了电弧压力、剪切应力等对熔池表面变形的影响。TRAUTMANN等[80]在考虑剪切应力和电弧压力的前提下，介绍了一种基于平滑粒子流体动力学方法的TIG焊三维熔池模型，用以描述电弧特性对熔池表面变形和穿透的影响。

3 量纲分析法

在对熔池流动、传热、传质的分析过程中，采用试验测试法很难明确浮力、洛伦兹力、表面张力、等离子流力以及热传导和热对流等参数在熔池流动行为研究中的重要性。一些研究者采用量纲分析法来研究熔池流动行为，该方法基于相似原理，通过传输方程的对比，获得无量纲特征数。特征数通常可以表征为影响传输过程物理因素的组合，通过特征数变化可对影响熔池流动、传热和传质过程的物理因素进行定性判断。熔池内流体流动的驱动力包括浮力、洛伦兹力、熔池表面张力梯度引起的剪切应力、电弧等离子体作用于熔池表面的剪切应力以及电弧压力，这些驱动力可引起熔池中流体复杂的流动[81-83]。特征数可用来定性描述这些驱动力的相对重要性，其中格拉晓夫数、磁雷诺数、表面张力雷诺数等可用来表征焊接熔池中的浮力、洛伦兹力、表面张力、等离子流力等驱动力对熔池流动的影响程度。在此基础上，进一步结合不同驱动力对流动特性的影响规律，预测熔合区和热影响区的大小和形状，例如：如果电磁力是主导驱动力，则产生的熔池深而窄；如果表面张力梯度力为负，则产生的熔池宽而浅。OREPER等[43]给出了TIG焊过程中熔池瞬态发展的数学表达式，考虑了轴对称系统以及浮力、电磁力和表面张力作用，对无量纲形式的控制方程进行适当的处理来估计一些特征数的数量级，并以此评估物理过程影响因素的相对重要性。ZHANG等[45]也通过该方法评估了焊接熔池演化过程中各阶段导热和对流传热的重要性，以及各种驱动力对熔池内对流的相对作用。王新鑫等[84]采用该方法分析了熔池中浮力、洛伦兹力、表面张力和等离子流拉力，验证了TIG焊电弧和熔池耦合数值模拟结果中熔池所受到驱动力的相对大小，并分析了TIG焊焊缝宽而浅的本质原因。

4 结束语

TIG焊熔池流动特性的研究对提高焊接接头质量和实现TIG焊接自动控制有着重要的意义。流体流动影响熔池传质、传热，是影响熔池形状和元素分布的重要因素。光学系统辅助高速相机法监测熔池的二维及三维流动特性具有速度快、精度高，且不会对目标熔池造成接触性损伤的特点，所以该方法得到研究人员的广泛应用；但该方法不能描述熔池内部关键信息，且高温辐射以及强烈弧光等会给测量带来巨大阻碍。X射线透射及示踪轨迹分析法可以获取熔池内部流动信息，不受强烈弧光影响，缺点是很难进行实时监测，且熔池振荡及示踪粒子团聚等因素会给观测结果带来误差。物理模型模拟熔池流动可视化研究可以还原出熔池流动特性，但因为替代材料和实际金属之间的属性差别导致还原精度不足，只能分析熔池宏观流动特性。钨极-电弧-熔池耦合的数值模拟方法是目前研究TIG焊熔池流动特性的一个重要手段，在大电流以及等离子弧焊的模拟中，可以考虑用流体体积法以及平滑粒子流体动力学来追踪熔池自由表面；但在实际焊接过程中，熔池中涉及传热、流动、光、声、电和磁等复杂的物理现象。数值模拟的计算结果都是基于对控制方程和边界条件在一定程度上的假设及简化，因此仅用数值模拟的方法很难对其进行完整描述。量纲分析法可以根据自身性质间接描述熔池中浮力、等离子流拉力、表面张力等驱动力的相对数量级，评估熔池中热传导和热对流的相对重要性。综合来看，试验测试方法和数值模拟方法相结合，可以对熔池流动特性及其调控机理给出科学合理的理论解释，且能够满足指导工艺优化的需要。

试验测试法研究熔池流动特性的主要缺点在于获取熔池流动信息手段较单一，数据还原精度及稳定性差，测量数据不能及时处理等。在未来研究中可以搭建多传感器联合检测平台，对熔池流动特性不同参数进行统一监控，并结合深度学习算法建立实时熔池数据处理模型，研究熔池流动特性与焊缝成形质量之间的映射关系。钨极-电弧-熔池耦合数值模拟是未来研究熔池流动特性的重要方法，在研究过程中应结合实际应用场景对模型作出合理假设和优化，要综合考虑传热、液态金属流动、熔池自由表面变形以及熔池金属蒸气等的影响。在未来的研究中，应将试验测试法与数值模拟法相结合，取长补短，减小试验误差，对熔池流动特性进行全方位多维度的精确检测，这对焊缝质量的控制具有重大意义。