空心钨极负压电弧（HT-NPA）焊接方法的物理特性：从被动抑制到主动构建薄壁结构制造电弧稳定性的范式转变

《Results in Engineering》：Physical characteristics of hollow tungsten negative-pressure arc welding method: A paradigm shift from passive suppression to active construction in arc stability for thin-walled structures manufacturing

　　

本研究提出了一种电弧稳定性控制的范式转变，从被动抑制转向主动构建，通过引入一种变革性的负压电弧（NPA）焊接和增材制造（AM）技术。该技术克服了传统正压电弧（PPA）的固有局限性，后者通过排斥力使熔池失稳。通过将纵向磁场（LMF）与独特设计的空心钨电极相结合，研究人员生成了一种具有旋转吸附效应（AE）的负压电弧——称为空心钨极负压电弧（HT-NPA）。通过一个耦合的电磁-流体-力多物理场模型，研究人员表征了HT-NPA的基本形成阈值，并分析了其独特的等离子体特性，包括电弧温度场、速度分布、压力梯度和电流密度分布。研究人员的工作建立了LMF参数、电极几何结构、工艺变量和NPA力之间的定量映射关系，同时识别了吸附主导的关键阈值。此外，研究人员阐明了旋转吸附效应的形成机制，并开发了一种针对HT-NPA焊接/增材制造的综合电弧设计方法。这项工作为精密制造中主动稳定熔池提供了新范式，实现了从被动抑制到主动构建的拟议转变。

本文对发表于《Results in Engineering》的一项研究进行解读，该研究聚焦于空心钨极负压电弧（Hollow Tungsten Negative-Pressure Arc, HT-NPA）焊接方法，提出了一种从被动抑制到主动构建电弧稳定性的范式转变。

**研究背景与问题：** 薄壁金属构件在航空航天、交通运输等领域至关重要，要求制造技术兼具几何精度与结构完整性。丝材电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）潜力巨大，但传统正压电弧（Positive Pressure Arc, PPA）的固有物理特性是其根本限制。PPA向下的电弧力对熔池产生排斥效应，导致固有失稳、飞溅、缺陷形成及显著残余应力，尤其不利于超薄或复杂特征制造。数十年来，缓解策略多依赖参数优化或外部辅助，但仅围绕PPA的排斥性进行其缺陷的被动抑制，未能改变其核心物理作用。因此，亟需从被动抑制转向主动重构电弧-工件界面的范式转变。

**研究内容与结论：** 研究人员引入了一种变革性的负压电弧（Negative Pressure Arc, NPA）焊接与增材制造技术，通过将纵向磁场（Longitudinal Magnetic Field, LMF）与独特设计的空心钨电极（Hollow Tungsten, HT）协同耦合，生成具有旋转吸附效应（Adsorption Effects, AE）的空心钨极负压电弧（HT-NPA）。通过建立耦合电磁-流体-力多物理场模型，研究人员表征了HT-NPA的基本形成阈值，分析了其独特的等离子体特性，包括电弧温度场、速度分布、压力梯度和电流密度分布，并建立了LMF参数、电极几何结构、工艺变量与NPA力之间的定量映射关系。研究得出关键结论：外加LMF是反转电弧力方向的决定性因素，存在形成稳定HT-NPA的明确LMF强度阈值，且该阈值高于实心电极所需值；NPA区过渡的标志是电弧柱内轴向流动滞止点的根本变化；负压区的尺寸与LMF强度呈非单调关系，存在最佳工艺窗口。这些发现阐明了吸附电弧的形成机制，并提供了原则性设计方法。

**主要关键技术方法：** 研究人员采用多物理场耦合数学模型，整合电磁场、热场和流场，用于模拟四种电弧构型（实心钨极电弧STA、空心钨极电弧HTA、实心钨极负压电弧ST-NPA、空心钨极负压电弧HT-NPA）的动力学。模型基于局部热力学平衡（LTE）和层流假设，使用纯氩气作为保护气体，并施加均匀的纵向磁场。通过有限元数值模拟，分析电弧压力、温度、电流密度和速度分布。实验验证采用钨极气体保护焊（GTAW）平台，使用水冷铜板作为基材，通过高速摄像和压力测量验证模型准确性。

**研究结果与讨论：**

**4.1 HT-NPA焊接的压力场：** 通过数值模拟，研究发现在空心钨极电弧（HTA）焊接中，随外加纵向磁场（LMF）强度增加，电弧中心正压力持续降低。在0.02T阈值时，电弧核心出现负压电弧力，初始限于靠近钨极尖端的小区域；当LMF强度超过0.03T时，整个HTA电弧呈现负压特性，成功建立HT-NPA焊接。工件表面电弧压力分布从单峰变为双峰，表明电弧力从向下挖掘转变为向上吸附。

**4.2 HT-NPA焊接的温度场与电流密度场：** LMF引起电弧收缩，导致峰值电流密度和温度升高，但HTA焊接的增幅小于STA焊接。随LMF增强，工件表面中心温度与电流密度降低，外围区域升高。当LMF超过0.04T时，HT-NPA焊接模式建立，工件表面温度与电流密度呈双峰分布，与常规焊接显著不同。

**4.3 HT-NPA焊接的速度场：** 通过分析电弧等离子体速度分量，发现等离子体流动模式发生根本变化。在LMF为0.03T时，工件表面附近出现逆重力向上流动的“回流”特征，并伴随吸附现象。空心钨极腔内外的等离子体流动方向相反，且电流密度方向在中心区域反转，导致顺时针旋转，与外围逆时针旋转形成对比。

**4.4 HT-NPA焊接电弧的物理特性与构建：** 通过电流密度x分量（J_x）分布和等离子体流线分析，揭示了负压电弧区的形成。该区域表现为逆时针旋转的涡旋回流，其尺寸随LMF强度先增大后减小，在0.03T时达到最大直径约4.7mm。沿对称轴的速度V_z曲线显示，正压电弧的V_z=0交点靠近钨极，而负压电弧的交点位于弧柱中点附近，且随LMF增强而降低。

**4.5 PPA焊接/增材制造与NPA焊接/增材制造的区别：** HT-NPA方法因其向上电弧力和独特的吸附效应，特别适用于薄壁结构、热敏材料和特殊位置焊接，可最大程度减少热输入、抑制熔池下垂或烧穿，实现主动稳定。而传统PPA技术仍适用于深熔透和高沉积速率应用。NPA的关键优势包括：电磁协同产生负压、吸附驱动过程稳定性、可调工艺窗口及工业专利保护。

**结论总结：** 本研究通过耦合多物理场模型，为空心钨极负压电弧（HT-NPA）焊接建立了基础框架。核心创新在于实现了电弧稳定性的范式转变——从传统电弧被动抑制缺陷，到通过可控吸附力主动构建稳定熔池。外加纵向磁场（LMF）被确定为反转电弧力方向的决定性因素，可精确调控电弧对工件的热-机械载荷。关键发现包括存在形成稳定HT-NPA的明确LMF强度阈值且高于实心电极所需值；NPA区过渡的标志是电弧柱内轴向流动滞止点的根本变化；负压区尺寸与LMF强度呈非单调关系，呈现最佳工艺窗口。这些见解阐明了吸附电弧的形成机制，并提供了原则性设计方法，将HT-NPA从物理现象发展为可控工程策略，为薄壁结构的高精度焊接和增材制造提供了新途径。