钨极氩弧焊焊接异种镍/不锈钢角接接头时的电弧行为：由镍向不锈钢的偏转

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Arc behavior in dissimilar nickel/stainless steel corner-joint welding by GTAW: Deflection from nickel to stainless steel

　　

摘要在航空发动机制造过程中，实现异种金属角焊接的稳定电弧是一个主要挑战。然而，在电弧引燃和稳定过程中会发生严重的电弧偏吹。本研究基于焊接实验观察和数值模拟，揭示了异种镍/不锈钢钨极氩弧焊（GTAW）角接头中的电弧偏吹机制。在电弧引燃时，母材上形成了两个独立的熔池；电弧向镍侧偏吹，因为镍更高的导电率使其更有利于初始电流传递和沿最短电弧路径的电弧附着。随着焊接进行，形成了共同的熔池；熔池内部的导电率差异减小，而热效应变得占主导地位。由于不锈钢的热导率低于镍，钢侧达到更高的表面温度，这增强了等离子体导电率并促进电弧向钢侧偏吹。钢侧也观察到了金属蒸气的富集。焊缝呈现不对称形态，镍侧焊趾处出现咬边，钢侧接近烧穿。与 90°角接头相比，120°角接头在根部附近表现出更集中的温度和电流密度，电弧偏吹较弱，焊缝不对称性较小，焊缝成形更好。这些结果为理解 GTAW 异种角接头焊接中的电弧偏吹以及优化焊接工艺提供了有用的参考。

引言氢氧火箭发动机在极端条件下运行，包括高应力、超高温和强振动 [1], [2]。为了满足强度、耐热性、耐腐蚀性和减重的要求，不同的发动机部件采用不同的材料 [3]，如镍 [4] 和不锈钢 [5]。镍提供高强度、优异的高温性能和良好的电铸性能 [6], [7]，而不锈钢提供高强度、耐腐蚀性、热稳定性和良好的成形性 [8], [9]。火箭发动机的制造过程涉及大量的异种金属电弧焊接。由于材料性能的差异，特别是导电率，异种镍/不锈钢焊接容易因电磁场、电流路径和电弧附着的变化而发生电弧偏吹 [10], [11]。电弧偏吹可导致热量输入不均匀和熔池发展不对称，而热导率和热膨胀系数的差异也可能导致接头成形不良。这些挑战通常通过控制热量输入和偏移热源来优化焊接工艺来解决 [12]。火箭发动机结构复杂，有多种接头类型，包括对接、搭接和角接头。其中，镍/不锈钢角接头在连接发动机推力室与其他部件方面起着关键作用。然而，角接头的空间限制可能使电弧更容易向较近的侧壁偏吹，而不是集中在焊缝根部，导致电流密度重新分布。这会减少焊缝根部的热量输入，增加根部未熔合、熔深不足和其他缺陷的风险 [13]。为了提高氢氧火箭发动机的制造质量，有必要研究钨极氩弧焊（GTAW）异种镍/不锈钢角接头焊接中的电弧行为、焊缝成形和缺陷机制。

稳定的电弧行为被广泛认为是影响电弧焊接头质量的关键因素 [14]，特别是在异种金属角接头焊接中 [15]，因为材料性能和不对称几何形状的差异会显著影响电弧偏吹、热量输入分布和熔合行为 [16], [17]。许多研究通过实验方法探索了异种金属焊接，特别是关于电弧形态和偏吹。例如，Li 等人 [18] 使用高速相机直接观察了 Invar 36 铁镍合金和不锈钢异种焊接过程中的电弧形态。Invar 36 在室温下是铁磁性的，因此电弧中的带电粒子受到洛伦兹力的作用，导致电弧从初始的钟形变为不对称形式。在异种焊接中，外部磁场也被用来抑制或调节电弧偏吹 [19], [20], [21], [22]。这些研究表明，磁场可以约束或重定向电弧，重新分布电弧电流密度和热流，改善侧壁或界面熔合。在钢材 [23], [24] 和有色金属如镍和镍基合金 [25], [26] 之间的异种焊接中，合金元素含量的差异 [27] 会诱导 Ni/Fe 界面处的元素迁移和偏析 [28]，影响接头的微观结构和性能。在火箭发动机制造中，镍与不锈钢的 GTAW 显示出不规则的焊缝轮廓，因为镍较高的热导率导致镍侧的熔深显著浅于不锈钢侧。

角接头，也称为 L 型接头，广泛用于复杂工业结构的组装 [29]。尽管相对较少的研究专注于角接头焊接，但关于 T 型接头、沟槽和窄间隙焊接以及受约束电弧条件下的焊接研究可以提供有用的见解，因为它们的几何限制与角接头相当。母材限制电弧并影响其形状。不均匀的电弧长度和焊枪与两个母材之间的不同角度都会影响电流密度分布和焊缝成形 [30]。Kumar 等人 [31] 研究了低碳钢的窄间隙焊接，发现减少窄间隙距离使侧壁更接近电弧。较短的距离减少了侧壁附近的有效电弧长度，使电弧更容易沿较短路径传导并向侧壁偏吹。这导致间隙中心熔合不足。Li 等人 [32] 在厚 Ti-6Al-4V 板的窄间隙激光 - 电弧混合焊接中也报告了类似发现。当丝顶到间隙侧壁的距离小于到沟槽底部的距离时，电弧更容易发生偏吹不稳定，而湍流金属蒸气进一步促进了其向侧壁偏吹。Wu 等人 [33] 和 Wei 等人 [21] 表明，在 T 型接头和 V 型坡口异种钢焊接中，电弧偏吹可能导致热量输入不均匀、咬边缺陷、未焊透和两个母材之间熔合比例不平衡。使用外部磁场进行适当的调节可以重新分布电弧电流密度和热流，从而改善焊缝成形。

由于电弧焊接涉及热传递、电磁相互作用和流体流动之间的复杂多物理场耦合，数值模拟已成为分析电弧行为、热量输入分布和焊缝成形的重要工具 [34], [35]。尽管直接专注于异种角接头电弧特性的研究有限，但有些研究了受几何约束的焊接配置，如坡口接头、窄间隙焊接和 T 型接头。Ogino 等人 [36], [37] 开发了沟槽条件下焊接的三维 GTAW 电弧模型。最大热量输入从根部转移到坡口侧壁，热效率增加。Tashiro 等人 [38] 进一步表明，坡口几何形状强烈影响电弧区域的气体流动行为并使电弧更收缩，这有利于增加熔深。Cai 等人 [39] 报告称，在窄间隙 GTAW 焊接中，几何约束抑制了侧向等离子体流动，增加了电流密度和洛伦兹力，显著提高了热效率和熔深稳定性。此外，关于 T 型接头焊接的数值研究表明，接头几何形状能强烈影响电弧附着和电流密度分布。因为电极到板表面的距离短于到角落区域的距离，电弧倾向于在板表面而不是角落处引燃，导致角落区域的电流密度显著降低 [40]。这些结果表明，几何约束会引起电弧偏吹并使焊缝根部更难熔合。

由于为异种和角接头电弧焊接建立完全耦合的电弧 - 熔池模型 [41] 存在极大困难，在分析电弧行为对焊缝成形的影响时，经常采用等效热源模型来计算熔池 [42]。Li 等人 [43] 在 S344 钢 T 型接头电弧焊接的数值模拟中，使用由高斯表面热源和均匀体积热源组成的组合热源分别代表电弧和熔滴的热量输入。Zuo 等人 [44] 研究了 Q235 钢直角角接头的电弧焊接，并通过基于实验焊缝尺寸的回归分析优化了双椭球热源模型。然而，这种传统的等效热源模型难以准确描述异种母材之间的不均匀热量输入分布，也不能反映角接头几何形状引起的电流密度分布变化，这可能导致相当大的误差。

现有研究表明，材料性能不匹配和几何约束都会显著影响电弧行为、热量输入分布和焊缝成形。然而，大多数这些研究要么单独关注异种焊接，要么单独关注角接头焊接，而专门针对异种角接头焊接的数值和实验研究仍然稀少。特别是，异种角接头焊接中从电弧到熔池的能量传递和分布仍然了解不足。在异种镍/不锈钢角接头焊接中，观察到了一种独特的电弧不稳定性，其中电弧最初向镍侧偏吹，然后向不锈钢侧偏吹。这种电弧偏吹可导致两个母材上的热量输入不均匀，使镍侧更容易出现熔深不足，而不锈钢侧更容易出现过熔。目前的研究尚未解释这一现象，这促使对电弧行为机制及其对焊缝成形影响的调查。

在本研究中，对 90° 和 120° 异种镍/不锈钢角接头进行了 GTAW 实验。带有光学滤镜的高速摄影捕捉了电弧从引燃、偏吹到准稳态的演变，以及金属蒸气的分布。红外热成像监测了熔池的温度演变。制备了焊缝的横截面试样进行金相分析，并通过电子探针微分析（EPMA）和能谱分析（EDS）表征了焊缝中的元素分布。与此同时，使用三维电弧 - 熔池模型在 Fluent 中模拟 GTAW 异种角接头焊接，计算电弧形状、界面温度和电流密度分布以及熔池熔深的演变。该分析提供了对异种角接头中电弧特性和偏吹机制的见解，为预测熔深、优化焊接参数和改善接头成形提供了基础。

章节片段

实验方法
异种角接头焊接的材料为 1Cr18Ni9Ti 不锈钢和 N4 纯镍。母材尺寸为长 300 毫米，宽 150 毫米，厚 4 毫米。材料的化学成分列于表 1 中。数据由电感耦合等离子体（ICP）测量，并取三个样品的平均值。母材和角接头焊接夹具的示意图如图 1 所示。焊接工艺为单道焊。

计算域与假设
基于焊接实验的 GTAW 异种角接头焊接 3D 模型是使用商业软件 ANSYS Fluent 建立的。90°角接头模型如图 2 所示，120°角接头模型基本相同。90°角接头模型的计算域尺寸为 20 毫米 × 29.6 毫米 × 17.6 毫米，120°角接头模型为 20 毫米 × 26 毫米 × 16.6 毫米。数值中的钨电极几何形状和布置

电弧形态与熔池动力学
图 4 显示了 90°角接头、120°角接头和对接头在异种焊接过程不同阶段的电弧和熔池表面。如图 4a 和 4d 所示，在电弧引燃时，角接头的电弧向镍侧偏吹，而对接头（图 4g）未观察到明显的偏吹。随后，如图 4b、4e 和 4h 所示，电弧逐渐向钢侧移动。

对于角接头，两种基材。电弧向镍侧偏转的起始机理。图 11 展示了 90° 和 120° 角接头模型在电弧起始阶段的电弧温度分布。在此阶段，两种基材均保持恒定温度，且各自与气相导通。在两种角接头中，电弧均向镍侧偏转。最大电弧温度约为 15,000 K，处于此前实验测量报告中 GTAW 电弧典型的 14,000–20,000 K 温度范围内。结论在本研究中，进行了焊接实验以调查异种镍/不锈钢 GTAW 角接头中的电弧行为、金属蒸气演化、熔池动力学和焊缝形成。进行了数值模拟以计算不同焊接阶段（包括电弧起始、电弧偏转和准稳态）的温度场、电弧等离子体流动和电流密度。这些模拟有助于阐明电弧起始期间的电弧偏转机理。CRediT 作者贡献声明赵岳：监督。白帅军：资源、调查。胡浩洋：写作 – 审阅与编辑、软件。费云军：写作 – 原稿、软件、调查、形式分析。吴东生：写作 – 审阅与编辑、监督、软件、方法论。吴爱平：写作 – 审阅与编辑、监督、资金获取。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些因素可能被认为影响了本论文报告的工作。费云军 | 胡浩洋 | 白帅军 | 赵岳 | 吴爱平 | 吴东生清洁能源与高效涡轮机械动力装备国家重点实验室，清华大学机械工程学系，中国北京 100084