K-TIG焊接电弧特性的数值分析

张瑞华 ，栗海霞 ，李 明 ，王 荣 ，冷小冰

（1.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；2.苏州工业园区华焊科技有限公司，江苏 苏州 215021；3.中山职业技术学院，广东 中山 528404）

0 前言

近年来在国外兴起了一种新型高效的焊接技术——K-TIG焊接法，所谓的K-TIG（Keyhole TIG Welding）焊接法就是在传统TIG焊接的基础上，通过大电流（大于300 A）形成的较大电弧压力与熔池液态金属的表面张力实现相对的平衡，形成小孔实现深熔焊接[1]。最大单道焊接厚度可以达到16 mm，不需要开破口，焊接速度达到300～1000 mm/min，焊缝的微观组织和力学性能优于TIG焊[2-4]。目前对K-TIG焊的电弧行为特征研究还很少，数值模拟的研究更是未见报道。国内除了苏州工业园区华焊科技有限公司外，还未见其他机构研究该焊接技术。K-TIG焊接电弧行为特性（包括电弧压力、电流密度和温度等）会直接影响到焊缝的组织和性能。由于实际焊接时高温、高电流密度和强烈的弧光干扰，很难通过实验直接观测到电弧的行为特性[5]。在此采用数值模拟的方法研究了K-TIG焊大电流时的电弧特性，对于焊枪设计、焊接过程控制和焊缝质量评价都具有理论指导意义。

1 数值模型

1.1 基本假设

对K-TIG焊接电弧数学模型中进行了假设：电弧等离子体处于局部热平衡状态；电弧等离子体具有光学薄层特性；浮力和粘性热耗散忽略不计；电弧处于不可压缩状态的。

1.2 控制方程组

焊接电弧是一种带电的流体，可用流体动力学和电磁学相结合的方法来分析研究，控制方程组如下[6-7]：