双面双弧焊符合高效优质、低能耗、微变形的现代焊接要求,在船舶制造、压力容器、核电装备、海洋工程等领域已有不少应用,但目前针对双弧作用机制、熔池受力规律、焊缝成形原理、热量传输特性等方面的研究工作较少。因此,本文从中等厚度(5～10mm)铝合金和高氮钢双面同轴TIG焊工艺出发,系统开展了电弧形态、熔透模式、熔池受力和热量传递等多角度研究。建立了双机器人协同双面同轴TIG焊系统,开展了铝合金双面同轴TIG焊工艺试验,分析了焊接速度、双弧间距、热量分配等参数对铝合金成形质量的影响规律。研究表明,双面同轴TIG焊工艺可有效增加熔深,大幅提高能量利用率,并对焊缝气孔和变形有良好的抑制作用。研究了高氮钢的双面同轴TIG焊工艺特性。发现高氮钢熔池粘度大,润湿性差,采用恒流焊易导致驼峰缺陷,而采用脉冲焊可获得稳定的成形质量。纯氩保护时焊缝几乎无气孔产生,但当保护气中加入氮气后,气孔随之出现,且随着氮气比例的提升而增多。研究发现双面同轴TIG焊存在熔入和穿孔两种熔透机制。穿孔焊时热输入大,双弧透过“小孔”产生相互“冲击”,形成持续的“尾焰反射”现象,焊接稳定性和成形可控性差;熔入焊时热输入较小,焊接过程稳定,易获得优质焊缝。通过对双面同轴TIG立焊、平-仰焊和横焊熔池进行受力分析,揭示了不同位置焊接接头的成形机理。重力为双面同轴TIG焊熔池流动的主要驱动力。双面同轴平-仰焊和横焊时,重力方向与焊接方向垂直,重力对熔池成形的负面影响较大,致使成形难度提高,导致平仰焊接头以上凹下凸的“倒拱桥”形为主,横焊接头多呈不对称偏心状;而立焊时重力方向与焊接方向相反,重力对熔池成形的负面影响较小,更易获得优质接头。通过数值模拟、熔化效率计算和传热理论分析相结合的方式,揭示了双面同轴TIG焊熔深提高的内在机理。模拟结果表明,双弧电流相等时,双面同轴焊的接头横截面和纵截面的温度场均对称分布,而单面焊为非对称分布。双弧中心连线上,双面同轴焊的温度分布呈“U”形,而单面焊的温度随着电弧远离而单调减小,最高温度低于双面同轴焊。与工件两侧相比,双面同轴焊的熔池交汇区热流较大,有利于热量传入。与单面焊相比,双面同轴TIG焊的熔化效率大幅提高,并随双弧间距和焊接速度的增大而减小。双面同轴焊的熔化面积并非两个单面焊的直接求和,双弧热量之间有强烈的交互作用,使热量产生集聚和增益效应,从而大幅提高熔透能力,节约能源。为检验双面同轴TIG焊的接头质量,对典型铝合金和高氮钢接头的微观组织和力学性能进行表征与测试。结果表明,铝合金接头组织分布均匀,未产生元素偏析;立焊接头的抗拉强度可达到母材的96.2%,断后伸长率为母材的86.6%;平-仰焊接头的抗拉强度可达到母材的90.7%,断后伸长率为母材的53.1%;铝合金接头未发现明显软化。高氮钢接头的抗拉强度达到母材的81.9%,但接头的塑性降低;随着保护气中氮气比例的提高,焊接过程弧压升高,焊缝的含氮量和枝晶臂间距增大而铁素体含量减少;与纯氩保护相比,氮氩混合保护的接头硬度获得了大幅提高,但随氮气添加比例的持续增加,接头硬度的变化不大。