在背面焊接空间受限以及重要的薄板结构生产中,需要用到单面焊双面成形技术。TIG焊因电弧稳定,焊缝成形好,应用成本低等优点,在压力容器、承压管道,尤其背面可达性不好的薄壁结构件的生产制造中应用非常广泛。因此在单面焊双面成形技术中,TIG焊成为最重要的焊接方法之一。单面焊双面成形技术在实际操作中往往需要形成熔孔。熔孔是焊工控制工件熔透时十分看重的信号,它包含熔透与否的重要信息。仅仅依靠实验手段难以完整准确地获得工件内部温度分布、熔池流动及熔孔三维形貌等特性。因此,通过数值模拟的方法来揭示熔孔的形成机理、定量分析熔池流动与传质传热行为以及不同焊接工艺参数对熔孔行为的影响规律,对优化焊接工艺、推动智能化控制具有理论指导意义和工程应用价值。针对预留间隙对接TIG焊,建立三维瞬态熔池传质传热模型。结合预留间隙对接TIG焊接工艺过程的特点,引入电弧热流控制函数,考虑了总的电弧热量守恒,建立了随熔池自由表面变形自适应的组合热源模型,考虑了熔孔形状对电弧热流的影响。引入有效热调控系数,间接考虑少量电弧穿过间隙造成的热损失,同时建立了预留间隙对接TIG焊接电弧压力和电磁力模型。采用ICEM CFD软件对计算模型进行网格划分,通过对ANSYS FLUENT软件二次开发,采用VOF法追踪熔池自由表面与熔孔界面,数值计算了预留间隙对接TIG焊工件温度场、熔池流场与熔孔行为的演变过程,分析了熔孔形成过程及其对熔池传质传热的影响。熔孔主要受电弧压力、表面张力影响,熔孔的出现加剧了熔池内部流动,有利于液态金属充分过渡到工件背面,促进工件进一步熔透。根据背面熔孔宽度的变化对熔孔行为进行表征,分析了熔孔成长阶段及临界失稳状态。开展工艺实验,检测熔孔形成时间及熔孔宽度,并测得焊缝横断面形状尺寸,将模拟结果与实验值作对比,二者吻合良好。分别对(0 mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm)预留间隙下熔池-熔孔行为进行计算并分析。结果表明,预留间隙时熔池上表面尺寸较无间隙小,预留间隙时计算所得到的熔池上表面均表现为前低后高。间隙尺寸决定了填充间隙时所需的液态金属量,熔池上表面的最大下塌量随预留间隙尺寸的增加而增大。工件熔透与熔孔形成时间逐渐缩短。预留间隙为1.3 mm时,熔孔存在稳定熔孔阶段,该阶段背面熔孔宽度上下波动范围不超过0.15 mm,在1.5 mm与1.7 mm预留间隙下,熔孔经历长大阶段后到达临界失稳状态,背面熔孔宽度分别增大至2.78 mm和2.88 mm时,即将表现为横向失稳。对预留间隙为1.5 mm,焊接电流为80-95 A对接TIG焊进行了数值模拟,焊接电流的变化主要影响工件熔透情况及熔孔形成时间,焊接电流越大,工件熔透及熔孔形成时间均缩短,此外,焊接电流对熔孔宽度的影响是两方面共同作用决定的,焊接电流在80-95 A范围内,熔孔宽度存在极值点。