钨极惰性气体保护焊(Gas tungsten arc welding,GTAW)因其焊接过程稳定、焊缝质量高、应用成本低等优点而广泛应用于现代制造业中。现代制造业对高生产效率的要求使得GTAW速度不断提高,但现有研究表明,同比提高焊接电流和焊接速度,当焊接速度超过某—临界值时,先后会在焊趾处形成咬边以及沿焊接方向形成驼峰焊道等表面成形缺陷,严重破坏焊接接头的均匀性,造成焊缝成形不合格。因此,通过研究咬边和驼峰焊道缺陷的形成机理并提出针对性的抑制措施,对于实现高速GTAW、提高GTAW效率具有重要理论意义和工程应用价值。咬边和驼峰焊道缺陷的形成涉及复杂的高度瞬态非线性的熔池传质传热行为。本文根据大电流、高速GTAW熔池自由表面会发生显著变形的物理特点,着重考虑了电弧热、力分布随熔池自由表面变形的动态变化,提出了随熔池自由表面变形自适应变化的电弧热流、电弧压力、电弧剪切力和电磁力模型,合理描述了高速GTAW过程中熔池形态变化对电弧能量密度和电弧力分布的影响。以此为基础,通过通用计算流体动力学软件ANSYS Fluent的二次开发,建立了高速GTAW熔池三维瞬态传质传热数值分析模型,计算了高速GTAW温度场、熔池中液态金属流动、熔池自由表面变形和液态金属凝固成形等熔池行为,实现了高速GTAW中咬边和驼峰焊道缺陷具体形貌的准确模拟,计算结果与实验结果有着良好的吻合。将数值分析结果与工艺实验、视觉检测、敏感性分析、量纲分析等方法相结合,定量揭示了咬边和驼峰焊道缺陷的形成机理,并提出了针对性的抑制措施。实验表明在焊接速度1.65 m/min时1.5 mm厚409L铁素体不锈钢板GTAW出现咬边缺陷,对其熔池行为的数值分析表明,大电流GTAW熔池前部表面会发生显著凹陷,形成一个仅有约100 μm厚液态金属层的凹陷区。当凹陷区域扩展至熔池最宽截面时,熔池两侧边缘的液态金属薄层由于自身热容较小,在脱离电弧直接加热后迅速凝固,阻止中心区域液态金属向两侧铺展,从而诱发咬边缺陷的产生。熔池液态金属主要沿熔池两侧向后流动,在高速焊接条件下,熔池呈现泪滴状,后向液态金属会在熔池中部产生向内的速度分量,最大可达0.15 m/s,其产生的惯性力远远强于液态金属自身的粘滞力,会进一步阻碍液态金属的向外铺展,促进咬边缺陷的发展。焊接电流和焊接速度进一步提高至315 A、3 m/min时出现驼峰焊道缺陷。熔池中液态金属的后向流动进一步增强,焊接速度时最大后向流速达到0.7m/s,而在高焊接速度下熔池尾部脱离电弧加热区域即凝固迅速,减弱了液态金属的回流,后向流动和回流的通量之比超过5.3:1,从而导致熔池凹陷区的长度不断增大。超过80%的液态金属沿熔池两侧向后流动,侧壁通道成为液态金属后向流动的主要通道。尺度分析表明,侧壁通道离开电弧加热区域的部分在数十毫秒以内即发生凝固,阻碍液态金属的后向流动,促进驼峰焊道的形成。在考虑各个熔池作用力复杂耦合关系的前提下,将数值模型与敏感性分析相结合,定量研究了熔池作用力对高速GTAW熔池行为和驼峰焊道形成的影响权重。电弧剪切力是促进熔池表面变形和液态金属后向流动的主要作用力,因此是导致驼峰焊道形成的主要作用力,电弧压力和Marangoni力的影响权重不及电弧剪切力的30%,居于次要地位。表面张力是抑制熔池表面变形的主要作用力,其影响权重与电弧剪切力相当,可以在一定程度上抑制GTAW驼峰焊道形成。为进一步定量描述高速GTAW驼峰焊道的形成倾向,预测其形成的临界条件,本文基于量纲分析推导了一个在传热与流动角度综合描述驼峰焊道形成倾向的无量纲参数组,该参数组包含多个熔池的热-力特征变量(熔池体积、最大后向流速、熔池温升和凹陷区长度),且具有明确的物理含义,其值越大表明驼峰焊道形成倾向越高。通过尺度分析法,推导了上述熔池特征变量与工艺变量之间显式的解析函数关系,进而明确了焊接变量—熔池变量—驼峰焊道形成倾向之间明确的关系。无需高时间成本的数值分析,即可表征不同工艺参数下驼峰焊道的形成倾向,预测驼峰焊道形成的临界条件。根据咬边和驼峰焊道缺陷的形成机理,通过在熔池尾部施加辅助热源,对熔池进行热-力调控,以抑制缺陷的形成,提出了列置双GTAW高速焊接工艺,研究了辅助钨极参数和主辅电流匹配对焊缝成形的影响。在优化的工艺参数下1.5 mm厚409L铁素体不锈钢板双GTAW焊接速度可达3.0 m/min的优质高速焊接。辅助电弧向前的电弧力可以有效地抑制熔池液态金属的后向流动。同时,辅助电弧的后续加热作用也在一定程度上抑制了熔池边缘或侧壁通道的凝固。