楊寬， 高輝， 周燦豐

(北京石油化工學(xué)院，能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 102617)

0 前言

近年來在盾構(gòu)、核電、海洋石油等工業(yè)領(lǐng)域中，大壁厚鋼結(jié)構(gòu)的使用量逐漸增加。相對于傳統(tǒng)V形坡口，采用窄間隙U形坡口可在大厚壁鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性對于保證焊接電弧穩(wěn)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(tǒng)TIG焊接所具有的熱輸入低、電弧穩(wěn)定性高、焊接缺陷少、焊縫成形美觀及可實現(xiàn)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(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)開展初步設(shè)計和試驗分析的基礎(chǔ)上，采用Fluent流體力學(xué)有限元仿真計算軟件，以傳統(tǒng)TIG焊槍的保護氣流場為依據(jù)，針對焊槍保護氣通道及其出口布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，有效的提高了焊接電弧穩(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計。坡口深度15 mm，寬度10 mm，側(cè)壁傾角3°。焊槍本體總長120 mm，高度100 mm，槍體探進(jìn)坡口部分的厚度為8 mm。焊槍結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(nèi)和管道表面進(jìn)行無填充焊接試驗，試驗結(jié)果存在的問題如圖3所示。

試驗結(jié)果表明,在坡口內(nèi)部焊接時，雖然存在電弧不穩(wěn)定現(xiàn)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(yīng)為焊接保護氣通道及其出口布局不合理導(dǎo)致的氣罩內(nèi)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(nèi)紊亂氣流產(chǎn)生的渦流引起外部空氣的卷入，進(jìn)而形成飛濺和氣孔。

3 保護氣通道及其出口布局的優(yōu)化設(shè)計

針對坡口外部焊接試驗過程中表現(xiàn)出的保護氣罩保護效果欠佳問題，采用Fluent流體力學(xué)有限元計算軟件開展了建模、數(shù)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(guān)的物性參數(shù)見表1。

表1 氬氣物性參數(shù)

氣體在保護氣罩的內(nèi)的流動狀態(tài)較為復(fù)雜，采用k-ε湍流計算模型，對其運動軌跡進(jìn)行預(yù)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(yīng)的普朗特數(shù),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(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力影響產(chǎn)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(jīng)驗常數(shù),分別取1.44，1.92，0.99；Sk和Sε為用戶自定義源項。

根據(jù)初始方案中的焊槍結(jié)構(gòu)建立保護氣部分的流體域并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；采用速度入口作為入口邊界條件，根據(jù)保護氣流量計算并設(shè)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(shè)置為自由出口邊界條件；其余邊界設(shè)置為無滑移的壁面邊界，網(wǎng)格模型如圖4所示。

3.1.2計算結(jié)果與分析

圖5為計算獲得的保護氣罩內(nèi)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(nèi)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(dǎo)致外部空氣卷入，進(jìn)而產(chǎn)生飛濺與氣孔缺陷。

3.2 優(yōu)化設(shè)計及驗證試驗

為了提高焊接電弧的穩(wěn)定性，減少焊接缺陷,文中以傳統(tǒng)TIG焊槍的保護氣場為參照，通過調(diào)整氣罩內(nèi)的保護氣通道及其出口布局，對NG-TIG焊槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,并開展了相關(guān)驗證試驗。

3.2.1傳統(tǒng)TIG焊槍保護氣場的仿真計算

采用Fluent軟件對WP12型傳統(tǒng)TIG焊槍的保護氣狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)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(shù)條件下的仿真結(jié)果如圖6所示。計算結(jié)果表明：傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗驗證

基于傳統(tǒng)TIG焊槍的保護氣流動狀態(tài)，文中針對多種送氣通道及其出口布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，最終確定的優(yōu)化后NG-TIG焊槍送氣結(jié)構(gòu)及其流場的仿真計算結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

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

3.2.3優(yōu)化焊槍的試驗驗證

針對優(yōu)化后的NG-TIG焊槍分別開展了坡口內(nèi)、坡口外、無填絲和有填絲條件下的焊接試驗驗證。試驗結(jié)果表明：對管道窄間隙坡口內(nèi)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(shù)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(shù)下進(jìn)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(jié)果如圖12所示。

4 結(jié)論

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