李淵博，鄭文星，葉 韜，麻帥川，趙錫龍

(蘭州交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730070)

0 引 言

鎢極惰性氣體保護(hù)(tungsten inert gas,TIG)焊是利用鎢極作為非熔化電極，惰性氣體作為保護(hù)氣的一種電弧焊方法，因具有工藝成熟、焊縫質(zhì)量高、焊接穩(wěn)定性較高等特點(diǎn)而在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。TIG焊熔池中的熔融金屬在電弧壓力、浮力、表面張力、洛倫茲力、等離子流力等的共同作用下發(fā)生劇烈流動(dòng)，使熔池中的傳熱/傳質(zhì)過(guò)程得以進(jìn)行。在焊接過(guò)程中，填充金屬與母材混合不均勻會(huì)影響熔池流動(dòng)，從而影響焊縫的幾何形狀[1-4]。熔池流動(dòng)會(huì)影響熔池內(nèi)部對(duì)流傳熱過(guò)程，繼而影響熔池內(nèi)部固態(tài)相變以及晶粒結(jié)構(gòu)，并最終影響焊接接頭的質(zhì)量和性能[5-6]。此外，熔池流動(dòng)也會(huì)影響熔池傳質(zhì)過(guò)程，熔池的傳質(zhì)直接決定著焊縫金屬的成分分布，進(jìn)而影響焊縫的耐腐蝕、抗疲勞等性能[7-9]。通過(guò)調(diào)控熔池流動(dòng)改變?nèi)鄢貙?duì)流傳熱、流動(dòng)速度、凝固速率、表面張力溫度系數(shù)等參數(shù)，從而改善焊縫成形質(zhì)量及接頭性能是TIG焊應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TIG焊熔池的流動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究[10-14]，主要研究方法可分為試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬和量綱分析3大類(lèi)。試驗(yàn)測(cè)試法主要通過(guò)視覺(jué)傳感器對(duì)熔池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，或在熔池中加入示蹤粒子，通過(guò)觀(guān)察示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)分析熔池流動(dòng)特性。近年來(lái)還有學(xué)者提出了一種使用物理模型模擬熔池流動(dòng)特性的研究方法，可以在一定程度上還原出熔池的流動(dòng)行為[15-16]。由于熔池處于高溫狀態(tài)，具有多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合的動(dòng)態(tài)變化特征，同時(shí)熔池在強(qiáng)烈弧光照射環(huán)境下會(huì)大幅增加視覺(jué)傳感器采集圖像信息的難度，從而給試驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)了巨大困難。數(shù)值模擬法通過(guò)建立熔池傳熱/傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，利用有限元方法計(jì)算出熔池溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等，對(duì)比分析不同焊接參數(shù)下熔池溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布特征，研究熔池流動(dòng)特性及流動(dòng)機(jī)理。數(shù)值模擬法可以直觀(guān)地展現(xiàn)熔池流動(dòng)過(guò)程中的各種熱力學(xué)現(xiàn)象，與試驗(yàn)測(cè)試法相互配合，有助于更加全面地了解熔池流動(dòng)特性，因而被越來(lái)越多學(xué)者所采用[17-19]。量綱分析法是基于相似理論，通過(guò)不同系統(tǒng)傳輸方程的對(duì)比，確定描述傳輸過(guò)程的無(wú)量綱特征數(shù)，進(jìn)一步基于特征數(shù)的比較，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)過(guò)程主要影響因素的定性分析。為了給相關(guān)科研人員提供參考，作者對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)TIG焊熔池流動(dòng)特性的研究方法進(jìn)行了闡述，對(duì)比分析了不同研究方法的特點(diǎn)，并對(duì)今后研究方向進(jìn)行了展望。

1 試驗(yàn)測(cè)試法

伴隨各種檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，熔池監(jiān)測(cè)方法也逐漸豐富起來(lái)。熔池流動(dòng)特性的試驗(yàn)測(cè)試法可以分為3類(lèi)：第1類(lèi)是利用光學(xué)系統(tǒng)和高速相機(jī)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化研究，然后通過(guò)對(duì)記錄到的圖像進(jìn)行后期處理和分析，研究熔池流動(dòng)特性；第2類(lèi)是對(duì)熔池內(nèi)部進(jìn)行高能X射線(xiàn)掃描獲得熔池二維或三維流動(dòng)特性，這種方法一般都要在熔池中加入示蹤粒子來(lái)表征運(yùn)動(dòng)軌跡；第3類(lèi)是通過(guò)使用物理性質(zhì)相似但更易于觀(guān)察的其他材料來(lái)代替熔池金屬，進(jìn)行熔池內(nèi)部流動(dòng)特性的模擬試驗(yàn)研究。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)輔助高速相機(jī)觀(guān)測(cè)法

光學(xué)系統(tǒng)輔助高速相機(jī)觀(guān)測(cè)法常用來(lái)對(duì)熔池表面的流動(dòng)特性進(jìn)行研究。ZHAO等[20]以316L不銹鋼基板上的自然氧化層作為跟蹤對(duì)象，利用高速攝像機(jī)成像和粒子圖像測(cè)速技術(shù)重建了表面流場(chǎng)，對(duì)熔池表面流動(dòng)特性進(jìn)行了表征；用該技術(shù)將含有示蹤粒子的連續(xù)流圖像交叉關(guān)聯(lián)，計(jì)算了熔池二維瞬時(shí)速度場(chǎng)及熔池表面最大流動(dòng)速度和平均流動(dòng)速度與雷諾數(shù)。在對(duì)熔池表面流動(dòng)行為的觀(guān)測(cè)試驗(yàn)中，明亮的弧輻射使得該觀(guān)測(cè)任務(wù)變得復(fù)雜。ZHANG等[21]利用照明激光與電弧等離子體之間的傳播差異，將激光照射到熔池表面后形成鏡面反射，然后利用高速攝像機(jī)采集光譜并對(duì)其進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法在低功率照明激光照射下可以獲得清晰的熔池表面圖像。隨著焊接自動(dòng)化的普及，大量學(xué)者開(kāi)始通過(guò)監(jiān)測(cè)熔池表面形貌來(lái)控制成形和熔化階段焊道的幾何特征。SMITH等[22]提出了一種基于實(shí)時(shí)視覺(jué)監(jiān)測(cè)并控制熔池寬度的系統(tǒng)，利用帶有鏡頭系統(tǒng)和近紅外帶通濾波器的電荷耦合器件(CCD)相機(jī)對(duì)熔池寬度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至工藝控制器，再通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來(lái)控制熔池寬度，以維持熔池寬度的一致性。上述幾種方法都是在熔池二維尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究，可以直觀(guān)展現(xiàn)出熔池形貌，但實(shí)際熔池表面并不是平面，而是由表面張力引起的三維曲面，并因表面振蕩而隨時(shí)發(fā)生變化。因此，二維測(cè)量?jī)H限于熔池頂面接近平面或可以假設(shè)為平面的條件，由于缺少三維信息，在某些條件下會(huì)使熔池形貌出現(xiàn)較大誤差。熔池表面的三維測(cè)量已經(jīng)成為當(dāng)前科研人員的重點(diǎn)研究方向[23-26]，目前學(xué)者對(duì)熔池圖像進(jìn)行三維重構(gòu)的方法可分為雙目立體視覺(jué)法、陰影恢復(fù)形狀法、結(jié)構(gòu)光立體視覺(jué)法三大類(lèi)。

雙目立體視覺(jué)法是將不同觀(guān)測(cè)方向上所采集的熔池變化視頻數(shù)據(jù)分幀，找到相同時(shí)間點(diǎn)上不同觀(guān)測(cè)方向的熔池形貌，以這些圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)熔池三維形貌進(jìn)行重建。肖心遠(yuǎn)等[27]設(shè)計(jì)了一種相交光軸的雙目視覺(jué)裝置對(duì)熔池形貌進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但雙鏡頭的雙目視覺(jué)裝置成本較高，需要兩臺(tái)相機(jī)及兩組濾光系統(tǒng)，很難保證兩臺(tái)相機(jī)精確的同步性，且因觀(guān)測(cè)區(qū)域太小，使得相機(jī)及濾光設(shè)備不好布置。為了解決上述問(wèn)題，有學(xué)者提出了單相機(jī)雙鏡面反射裝置[28]。ZHAO[29]采用了一個(gè)帶有立體適配器的單臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)熔池表面液態(tài)金屬進(jìn)行三維尺寸測(cè)量，該適配器包括兩組平行鏡像，可以從兩個(gè)不同視點(diǎn)在同一幀中捕獲兩個(gè)圖像，再基于機(jī)器視覺(jué)數(shù)學(xué)模型，精確獲得熔池的三維表面輪廓及熔池流動(dòng)速度。

結(jié)構(gòu)光立體視覺(jué)法是基于數(shù)學(xué)假設(shè)模型的重構(gòu)，使照射在熔池表面液態(tài)金屬的點(diǎn)狀激光被反射后在圖像平面上生成點(diǎn)狀矩陣，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，重構(gòu)熔池三維形貌[21]。SONG等[30]將結(jié)構(gòu)激光點(diǎn)矩陣投影到鏡面熔池表面，并在成像平面上成像，然后對(duì)反射圖像進(jìn)行捕獲和處理，使用插值重建和外推重建兩種方法重構(gòu)熔池三維表面形貌，分析了TIG焊接過(guò)程中熔池表面形貌的變化。SAEED等[24]提出了一種基于激光鏡面反射的熔池三維表面的計(jì)算方法，將激光投射進(jìn)焊接熔池中，使用CCD工業(yè)相機(jī)觀(guān)察熔池表面反射出的激光，利用包括光流和運(yùn)動(dòng)點(diǎn)跟蹤在內(nèi)的圖像處理技術(shù)來(lái)跟蹤這些反射圖形。建立以光學(xué)理論為基礎(chǔ)的三維表面測(cè)量數(shù)學(xué)模型，根據(jù)反射定律計(jì)算出表面斜率場(chǎng)，并通過(guò)斜率場(chǎng)重構(gòu)熔池表面的三維形貌。

陰影恢復(fù)形狀法的基本原理是利用單張圖像中的灰度信息求解反射方程來(lái)恢復(fù)物體表面各點(diǎn)的相對(duì)高度，進(jìn)而還原物體表面的幾何形貌。ZHAO等[28]利用三維計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)分析二維圖像數(shù)據(jù)，重建了熔池表面三維數(shù)據(jù)，其具體過(guò)程是先通過(guò)光學(xué)傳感器記錄熔池圖像，并用二維圖像算法提取熔池平面形狀，然后采用陰影恢復(fù)形狀法重構(gòu)熔池圖像的表面高度，從而確定熔池的三維形狀參數(shù)。李來(lái)平等[31]用陰影恢復(fù)形狀法研究了熔池表面的形貌特征，通過(guò)復(fù)合濾光系統(tǒng)采集熔池表面圖像，建立熔池反射圖數(shù)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行求解，計(jì)算得到熔池表面高度，但因?yàn)榉瓷浜图s束條件難以確定，利用陰影恢復(fù)形狀法得到的重構(gòu)結(jié)果精度不足。

1.2 X射線(xiàn)透射及示蹤劑軌跡分析法

光學(xué)系統(tǒng)輔助高速相機(jī)觀(guān)測(cè)法更多用于描述熔池二維及三維表面形貌特征，但不能直觀(guān)地對(duì)熔池內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行描述，而X射線(xiàn)透射及示蹤劑軌跡分析可以直觀(guān)地觀(guān)察焊接過(guò)程中熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動(dòng)情況。WU等[32]通過(guò)X射線(xiàn)透射法觀(guān)察了TIG焊熔池流動(dòng)特性，碳化鎢顆粒作為速度測(cè)量的示蹤顆粒包含在試樣中，鎢極垂直固定在試樣上方，將試樣置于X射線(xiàn)與成像檢測(cè)器之間，試驗(yàn)時(shí)X射線(xiàn)束穿過(guò)試樣，射向成像檢測(cè)器，經(jīng)過(guò)鏡片折射后由相機(jī)記錄碳化鎢顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。張瑞華等[33]通過(guò)X射線(xiàn)實(shí)時(shí)焊縫數(shù)字觀(guān)察系統(tǒng)和鎢粒子示蹤法測(cè)試了活性化TIG焊接過(guò)程中304不銹鋼熔池流動(dòng)特性，活性劑采用該課題組研制的氧化物活性劑；該課題組還在示蹤劑軌跡分析法的基礎(chǔ)上，采用在熔池底部放置鎢制薄擋板的方法研究了涂敷氧化物活性劑時(shí)熔池流動(dòng)特性，利用鎢粒子在熔池中的分布情況分析熔池中流體流動(dòng)的方向，結(jié)果表明，涂敷氧化物活性劑可使熔池流體向內(nèi)對(duì)流，從而增加熔深[34]。黃健康等[35]利用熔池鏡面反射的性質(zhì)研究了TIG焊接過(guò)程中304不銹鋼和Q235碳鋼熔池流動(dòng)特性，在試驗(yàn)過(guò)程中為了更加直觀(guān)地反映熔池流動(dòng)情況，在焊道上均勻涂敷了示蹤粒子，利用CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，計(jì)算了示蹤粒子在熔池中的運(yùn)動(dòng)速度。安亞君等[36]以粉煤灰作為活性劑，鉍粒子作為示蹤粒子，采用線(xiàn)掃描的方法確定了熔池中鉍粒子的分布，從而得到焊縫的表面形貌以及熔池的截面形貌等。

1.3 物理模型模擬熔池流動(dòng)的可視化研究

流體流動(dòng)的可視化是研究流體流場(chǎng)的一種重要方法，但由于熔融金屬不透明，該方法僅限于焊接過(guò)程中的熔池表面，而且即使在熔池表面，在電弧亮度的影響下，流體的觀(guān)測(cè)仍然很困難。雖然鎢粒子示蹤劑可以較為直觀(guān)地表現(xiàn)出熔池內(nèi)部流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但因?yàn)榱Ｗ訑?shù)目較少且顆粒較大，只能粗略地表示熔池運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)熔池流動(dòng)速度的計(jì)算誤差較大；若是示蹤顆粒數(shù)目較多，又會(huì)導(dǎo)致粒子間產(chǎn)生團(tuán)聚效應(yīng)，影響示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，所以有學(xué)者設(shè)計(jì)了合理的物理模型來(lái)模擬研究熔池的流動(dòng)特性。KOU等[37]設(shè)計(jì)了驗(yàn)證浮力和洛倫磁力單獨(dú)作用時(shí)熔池流動(dòng)特性的試驗(yàn)，即采用一個(gè)銅棒作為熱源與低熔點(diǎn)的伍德合金相互接觸，此時(shí)伍德合金中的液態(tài)金屬只受到浮力的作用，然后將熱源通入75 A的電流，電流從伍德合金向熔池表面中心匯集，洛倫茲力向內(nèi)向下，沿著熔池軸線(xiàn)向下推動(dòng)液體金屬，從而觀(guān)察到的熔池深度顯著增加；與浮力相比，洛倫茲力引起的熔池對(duì)流可以攜帶熱量從熔池中心傳遞向熔池底部，從而使熔深大大增加。

KOU等[38]和LIMMANEEVICHITR等[39]首次將NaNO3引入到熔池流動(dòng)特性的研究中，以對(duì)模型熔池內(nèi)流體進(jìn)行可視化觀(guān)測(cè)，選擇NaNO3作為流動(dòng)顯示材料主要有以下原因：第一，NaNO3熔體是透明的，表面張力隨溫度變化明顯，且熔點(diǎn)低；第二， NaNO3熔池的Marangoni數(shù)與鋼和鋁熔池的Marangoni數(shù)接近，如果Marangoni數(shù)值相近，則兩種流體系統(tǒng)之間的Marangoni對(duì)流具有相似性；第三，NaNO3的輻射傳輸范圍為0.353 μm，對(duì)于激光輻射是相對(duì)不透明的。

2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是建立求解區(qū)域模型，采用一組滿(mǎn)足整個(gè)求解域的偏微分方程組和合理邊界條件，模擬計(jì)算TIG焊過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象[34,40-45]。隨著硬件計(jì)算能力的提升以及通用流體力學(xué)計(jì)算軟件的普及，數(shù)值模擬法已成為研究TIG焊熱過(guò)程與熔池流動(dòng)特性的主要手段之一。

2.1 電弧熔池耦合的數(shù)值模擬

XU等[46-47]對(duì)TIG焊中活性劑對(duì)焊縫成形的影響進(jìn)行了模擬，數(shù)學(xué)模型采用層流流動(dòng)模型，將層流換熱與熔池內(nèi)流體流動(dòng)相耦合，結(jié)果表明活性劑可以改變表面張力溫度系數(shù)，從而改變流體流動(dòng)的模式，并且通過(guò)控制活性元素的種類(lèi)和數(shù)量來(lái)獲得不同種類(lèi)的焊縫形狀。ZHANG等[45]采用瞬態(tài)數(shù)值模型模擬了TIG焊過(guò)程中熔池的傳熱和流體流動(dòng)，在模擬過(guò)程中考慮了電磁力、表面張力等熔池中常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)力的影響，并采用了經(jīng)典的焓-孔隙法對(duì)熔池邊界進(jìn)行處理[48]，結(jié)果表明焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)的幾何形狀以及焊縫熱循環(huán)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。UNNI等[49]用FLUENT軟件對(duì)316LN不銹鋼TIG焊熔池的流動(dòng)特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究了主要表面活性元素氧含量對(duì)焊縫幾何形狀的影響，結(jié)果表明含氧量的增加可以改變表面張力溫度系數(shù)的正負(fù)，從而改變?nèi)鄢氐膶?duì)流方向，且模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

為了獲取模擬結(jié)果，以上研究均將焊接電弧施加在熔池表面的等離子流力、電流密度和熱通量等作出了假設(shè)，這些假設(shè)在一定程度上是合理的，但并不具有普遍性。事實(shí)上，在焊接過(guò)程中，電弧和熔池是一個(gè)整體，將電弧和熔池耦合可使模擬結(jié)果更加精確。CHOO等[41,50]建立了電弧熔池耦合的統(tǒng)一模型，即電弧和熔池部分單獨(dú)計(jì)算，以電弧和熔池界面數(shù)據(jù)作為熔池邊界條件求解熔池物理場(chǎng)。GOODARZI等[51-52]也采用上述方法，在考慮表面張力和湍流效應(yīng)的前提下模擬了鎢極尖端角度對(duì)熔池流動(dòng)的影響。不同于上述學(xué)者，TANAKA等[53]將鎢極、電弧、工件、熔池4部分處理成一個(gè)完整統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，電弧和熔池同時(shí)計(jì)算，模型內(nèi)部界面為等離子體與陰極和熔池的界面，電弧與電極之間的鞘層處理則基于熱力學(xué)平衡。TRAIDIA等[54]建立了鎢極、電弧和熔池耦合的TIG焊有限元模型，考慮了磁場(chǎng)隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的渦流，模擬得到的熔池流動(dòng)特性與用紅外攝像機(jī)得到的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但在焊接的最后階段，試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果之間出現(xiàn)了較大的差異，這是因?yàn)榇藭r(shí)熔池表面產(chǎn)生的金屬蒸氣也會(huì)對(duì)焊接電弧的熱-力分布產(chǎn)生顯著影響， 這與金屬原子較 氬、氦等保護(hù)氣體原子具有更低的激活能和更高的輻射系數(shù)有關(guān)。樊丁等[55]對(duì)考慮金屬蒸氣的TIG焊進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了電弧與熔池耦合的三維數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)金屬蒸氣會(huì)改變氬弧等離子體的物理特性，從而影響熔池流動(dòng)特性。

在TIG焊過(guò)程中，不同物性參數(shù)的惰性氣體對(duì)電弧的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、伏安特性和溫度等特性有著重要的影響[56]，電弧特性的改變又會(huì)對(duì)熔池流動(dòng)特性產(chǎn)生直接影響。MOUGENOT等[57-58]考慮了等離子體與熔池的相互作用，建立了包含鎢極、電弧、熔池在內(nèi)的三維物理耦合TIG焊模型，研究了所使用的氬氣和氦氣的混合氣體對(duì)等離子體熱特性和熔池流動(dòng)特性的影響。TANAKA等[59]通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，在氬氣等離子體中加入氦氣、氫氣和氮?dú)夂?，TIG焊接的電弧溫度、陽(yáng)極熱通量密度以及陽(yáng)極溫度都有所上升。

為了控制熔池流動(dòng)特性，許多學(xué)者通過(guò)對(duì)電弧的直接調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)[60-63]。YIN等[64]模擬了在外加磁場(chǎng)的作用下，等離子電弧和熔池的流動(dòng)特性，建立了軸向磁場(chǎng)作用下TIG焊電弧和熔池的三維數(shù)值模型。

2.2 考慮自由表面的熔池流動(dòng)數(shù)值模擬

在熔池的數(shù)值模擬中，自由表面是一個(gè)重要的邊界條件，當(dāng)焊接電流較小時(shí)，TIG焊熔池的自由表面變形較小，一般可認(rèn)為是一個(gè)平面，但當(dāng)焊接電流較大時(shí)，熔池表面會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的振蕩，此時(shí)有限元法和邊界元法在模擬焊接過(guò)程中的局限性便會(huì)暴露出來(lái)，即難以模擬焊接中遇到的高變形和自由表面行為，從而給多相復(fù)雜系統(tǒng)中各種物理過(guò)程的耦合帶來(lái)困難，這時(shí)基于平面假設(shè)的模擬已不再適用[65-68]。為了解決這些問(wèn)題，不少學(xué)者開(kāi)始采用流體體積法[65,69-71]以及平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)等方法跟蹤自由表面，以獲得互不相融的兩相或多相流體交界面。

流體體積法的基本原理是通過(guò)研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)來(lái)確定自由面，以追蹤流體的變化，而非追蹤自由液面上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。HUANG等[72]采用流體體積法建立了脈沖TIG焊的三維瞬態(tài)數(shù)值模型，模擬了熔池的表面振蕩，研究了熔池振蕩頻率與熔深的關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)熔池熔深控制。JIAN等[73]研究了等離子弧焊熔池流動(dòng)特性，將電弧等離子、熔池和小孔耦合，建立了統(tǒng)一的流體流動(dòng)和傳熱模型，用流體體積法跟蹤電弧與熔池邊界，研究了電弧等離子體與熔池之間的相互作用及動(dòng)態(tài)演化。PAN等[74]將鎢極、電弧等離子體、母材、小孔和熔池都耦合在一個(gè)統(tǒng)一的模型中，采用流體體積法追蹤電弧等離子體與熔池之間的界面，研究電弧和熔池之間的傳熱及熔池流動(dòng)特性。

平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法最初由GINGOLD等[75]提出，是一種無(wú)網(wǎng)格拉格朗日技術(shù)，通過(guò)根據(jù)納維爾-斯托克斯方程運(yùn)動(dòng)的粒子來(lái)表達(dá)流體運(yùn)動(dòng)，需要研究的模型被離散成代表特定物質(zhì)體積的“粒子”，即使是實(shí)心區(qū)域也可以用不移動(dòng)的粒子來(lái)表示。因此，平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)界面變形大的過(guò)程，如TIG焊熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)具有很好的適應(yīng)性[76]。SHIGETA等[77]采用了平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法模擬了TIG焊熔池流動(dòng)行為，研究了表面張力、浮力、電磁力和等離子流拉力對(duì)熔池流動(dòng)特性的單獨(dú)影響，還介紹了硫含量對(duì)流動(dòng)行為和焊縫熔深的影響。ITO等[78]用平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法模擬了熔池的動(dòng)態(tài)形成過(guò)程，在模擬過(guò)程中考慮了陽(yáng)極金屬的熔化和凝固過(guò)程、熔池的自由表面運(yùn)動(dòng)、Marangoni對(duì)流以及液體表面的氣體阻力、浮力和洛倫茲力。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)直接代表了包括表面變形在內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)，所以平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法在處理自由表面方面具有魯棒性。DAS等[79]使用平滑粒子流體力學(xué)方法來(lái)模擬三維電弧焊接結(jié)構(gòu)中的傳熱和殘余應(yīng)力，分析了填充材料的流動(dòng)模式、熔池冷卻過(guò)程產(chǎn)生的塑性應(yīng)變以及在相應(yīng)電弧配置下熔池的溫度分布。現(xiàn)有的平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)模型中顆粒尺寸較大，且忽略了電弧壓力、剪切應(yīng)力等對(duì)熔池表面變形的影響。TRAUTMANN等[80]在考慮剪切應(yīng)力和電弧壓力的前提下，介紹了一種基于平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法的TIG焊三維熔池模型，用以描述電弧特性對(duì)熔池表面變形和穿透的影響。

3 量綱分析法

在對(duì)熔池流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的分析過(guò)程中，采用試驗(yàn)測(cè)試法很難明確浮力、洛倫茲力、表面張力、等離子流力以及熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流等參數(shù)在熔池流動(dòng)行為研究中的重要性。一些研究者采用量綱分析法來(lái)研究熔池流動(dòng)行為，該方法基于相似原理，通過(guò)傳輸方程的對(duì)比，獲得無(wú)量綱特征數(shù)。特征數(shù)通?？梢员碚鳛橛绊憘鬏斶^(guò)程物理因素的組合，通過(guò)特征數(shù)變化可對(duì)影響熔池流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過(guò)程的物理因素進(jìn)行定性判斷。熔池內(nèi)流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力包括浮力、洛倫茲力、熔池表面張力梯度引起的剪切應(yīng)力、電弧等離子體作用于熔池表面的剪切應(yīng)力以及電弧壓力，這些驅(qū)動(dòng)力可引起熔池中流體復(fù)雜的流動(dòng)[81-83]。特征數(shù)可用來(lái)定性描述這些驅(qū)動(dòng)力的相對(duì)重要性，其中格拉曉夫數(shù)、磁雷諾數(shù)、表面張力雷諾數(shù)等可用來(lái)表征焊接熔池中的浮力、洛倫茲力、表面張力、等離子流力等驅(qū)動(dòng)力對(duì)熔池流動(dòng)的影響程度。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合不同驅(qū)動(dòng)力對(duì)流動(dòng)特性的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)熔合區(qū)和熱影響區(qū)的大小和形狀，例如：如果電磁力是主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力，則產(chǎn)生的熔池深而窄；如果表面張力梯度力為負(fù)，則產(chǎn)生的熔池寬而淺。OREPER等[43]給出了TIG焊過(guò)程中熔池瞬態(tài)發(fā)展的數(shù)學(xué)表達(dá)式，考慮了軸對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)以及浮力、電磁力和表面張力作用，對(duì)無(wú)量綱形式的控制方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)估計(jì)一些特征數(shù)的數(shù)量級(jí)，并以此評(píng)估物理過(guò)程影響因素的相對(duì)重要性。ZHANG等[45]也通過(guò)該方法評(píng)估了焊接熔池演化過(guò)程中各階段導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱的重要性，以及各種驅(qū)動(dòng)力對(duì)熔池內(nèi)對(duì)流的相對(duì)作用。王新鑫等[84]采用該方法分析了熔池中浮力、洛倫茲力、表面張力和等離子流拉力，驗(yàn)證了TIG焊電弧和熔池耦合數(shù)值模擬結(jié)果中熔池所受到驅(qū)動(dòng)力的相對(duì)大小，并分析了TIG焊焊縫寬而淺的本質(zhì)原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

TIG焊熔池流動(dòng)特性的研究對(duì)提高焊接接頭質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)TIG焊接自動(dòng)控制有著重要的意義。流體流動(dòng)影響熔池傳質(zhì)、傳熱，是影響熔池形狀和元素分布的重要因素。光學(xué)系統(tǒng)輔助高速相機(jī)法監(jiān)測(cè)熔池的二維及三維流動(dòng)特性具有速度快、精度高，且不會(huì)對(duì)目標(biāo)熔池造成接觸性損傷的特點(diǎn)，所以該方法得到研究人員的廣泛應(yīng)用；但該方法不能描述熔池內(nèi)部關(guān)鍵信息，且高溫輻射以及強(qiáng)烈弧光等會(huì)給測(cè)量帶來(lái)巨大阻礙。X射線(xiàn)透射及示蹤軌跡分析法可以獲取熔池內(nèi)部流動(dòng)信息，不受強(qiáng)烈弧光影響，缺點(diǎn)是很難進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且熔池振蕩及示蹤粒子團(tuán)聚等因素會(huì)給觀(guān)測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。物理模型模擬熔池流動(dòng)可視化研究可以還原出熔池流動(dòng)特性，但因?yàn)樘娲牧虾蛯?shí)際金屬之間的屬性差別導(dǎo)致還原精度不足，只能分析熔池宏觀(guān)流動(dòng)特性。鎢極-電弧-熔池耦合的數(shù)值模擬方法是目前研究TIG焊熔池流動(dòng)特性的一個(gè)重要手段，在大電流以及等離子弧焊的模擬中，可以考慮用流體體積法以及平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)來(lái)追蹤熔池自由表面；但在實(shí)際焊接過(guò)程中，熔池中涉及傳熱、流動(dòng)、光、聲、電和磁等復(fù)雜的物理現(xiàn)象。數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果都是基于對(duì)控制方程和邊界條件在一定程度上的假設(shè)及簡(jiǎn)化，因此僅用數(shù)值模擬的方法很難對(duì)其進(jìn)行完整描述。量綱分析法可以根據(jù)自身性質(zhì)間接描述熔池中浮力、等離子流拉力、表面張力等驅(qū)動(dòng)力的相對(duì)數(shù)量級(jí)，評(píng)估熔池中熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的相對(duì)重要性。綜合來(lái)看，試驗(yàn)測(cè)試方法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，可以對(duì)熔池流動(dòng)特性及其調(diào)控機(jī)理給出科學(xué)合理的理論解釋?zhuān)夷軌驖M(mǎn)足指導(dǎo)工藝優(yōu)化的需要。

試驗(yàn)測(cè)試法研究熔池流動(dòng)特性的主要缺點(diǎn)在于獲取熔池流動(dòng)信息手段較單一，數(shù)據(jù)還原精度及穩(wěn)定性差，測(cè)量數(shù)據(jù)不能及時(shí)處理等。在未來(lái)研究中可以搭建多傳感器聯(lián)合檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)熔池流動(dòng)特性不同參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法建立實(shí)時(shí)熔池?cái)?shù)據(jù)處理模型，研究熔池流動(dòng)特性與焊縫成形質(zhì)量之間的映射關(guān)系。鎢極-電弧-熔池耦合數(shù)值模擬是未來(lái)研究熔池流動(dòng)特性的重要方法，在研究過(guò)程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)模型作出合理假設(shè)和優(yōu)化，要綜合考慮傳熱、液態(tài)金屬流動(dòng)、熔池自由表面變形以及熔池金屬蒸氣等的影響。在未來(lái)的研究中，應(yīng)將試驗(yàn)測(cè)試法與數(shù)值模擬法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，減小試驗(yàn)誤差，對(duì)熔池流動(dòng)特性進(jìn)行全方位多維度的精確檢測(cè)，這對(duì)焊縫質(zhì)量的控制具有重大意義。