钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas,TIG)因其过程稳定、质量高、成本低等优点而广泛应用于现代制造业中,如薄壁不锈钢工业管的TIG焊接生产。为实现薄壁不锈钢工业管的低成本高速焊接生产,2015年开发出了绿色高效列置双TIG电弧高速焊接工艺,并成功应用于不锈钢工业管的焊接生产,但辅助TIG电弧的热-力联合调控机制及其缺陷抑制机理尚缺乏定量分析。因此,基于列置双TIG电弧高速焊接工艺特点,通过研究其熔池液态金属传热传质行为,定量揭示列置双TIG电弧高速焊接过程中辅助TIG电弧对熔池的热-力联合调控机制、阐明焊接过程中缺陷抑制机理具有重要的理论与工程意义。根据高速TIG焊熔池表面变形以及电弧热力分布会随着熔池表面变形而变化的物理特点,考虑了两钨极参数不同所造成的区别,分别建立了随熔池表面变形自适应变化的主/辅TIG电弧热、力分布模型,准确描述焊接过程中前后两TIG电弧的热、力分布,利用焊缝成形和HAZ温度验证了所建模型的准确性和可靠性。以此为基础,数值计算并分析了高速TIG焊接熔池液态金属的传热传质行为。为研究列置双TIG电弧高速焊接过程中的焊缝表面成形缺陷抑制机理,对常规单TIG焊接熔池液态金属传热传质行为随焊接速度变化进行了分析。结果表明,在焊接速度为1.5 m/min时,熔池中液态金属的最大后向流速约为0.41 m/s,沿侧壁通道向后流动的金属通量占比小于55%,焊缝表面开始出现咬边缺陷:当焊接速度达到2.8 m/min时,熔池液态金属沿侧壁通道的最大后向流速超过0.5 m/s,金属通量占比超过60%,凹陷区最大长度超过3.6 mm,开始产生驼峰焊道缺陷。在热输入基本保持相等的条件下,随焊接速度的不断升高,熔池长度先增大后减小,峰值温度不断降低;侧壁通道最大后向流速与凹陷区长度均不断增大。其中,熔池侧壁通道最大后向流速和凹陷区长度分别对咬边缺陷和驼峰焊道缺陷的产生具有重要影响。为定量揭示列置双TIG电弧高速焊接工艺对驼峰焊道和咬边缺陷的抑制机理,以3.0 m/min焊接速度下的常规单TIG焊接与列置双TIG高速焊接过程中熔池液态金属传热传质行为分别进行计算并分析。相比常规单TIG焊接,列置双TIG焊接过程中,热循环曲线呈双峰分布,并且由于辅助TIG电弧的存在,对熔池产生持续加热作用并且产生向前的推动力在两TIG电弧中间产生隆起区域,导致熔池峰值温度降低约12.4%,液态金属存在时间延长70%,熔池长度与体积均显著增大。此外,熔池内部液态金属的最大流速降低约34.6%,最大后向流速降低约49.4%,熔池内部的液态金属未产生明显的向内流动趋势,向前回流显著增大,沿侧壁通道向后流动的液态金属通量显著减小,凹陷区形貌在隆起区域的维持作用下保持稳定,同时凹陷区长度显著降低。此外,通过试验和数值计算研究了前后列置TIG电弧能量匹配关系、焊接速度、焊枪角度以及钨极间距等列置双TIG电弧高速焊接工艺参数对焊接熔池液态金属传热传质行为和焊缝成形的影响。结果表明,在列置双TIG电弧高速焊接过程中,应尽量选用主TIG电弧能量较高而辅助TIG电弧能量较低匹配关系下的焊接工艺参数;随焊接速度升高,两TIG电弧的热-力分布发生显著改变,导致辅助TIG电弧的热力联合调控作用有所减弱,但在焊接速度为4.0 m/min时,仍能实现稳定的高速焊接;保持两焊枪倾斜角度分别为84°及75°是保证焊接过程的稳定性并使辅助TIG电弧充分发挥其热-力联合调控作用的最优焊枪角度;同时,使用两电弧不发生相互作用的最小间距是稳定焊接的基本。数值模拟结果表明,在列置双TIG电弧高速焊接过程中,使用钨极间距为19 mm,主TIG电弧能量较高,两焊枪倾斜角度分别为84°及75°的焊接工艺参数,可以在4.0m/min焊接速度下实现稳定、节能的高速焊接。