1、,高效焊接熔池形态及热过程 数值分析的研究进展山东大学 武传松 2007-8-25,* 高效、优质、低耗是当前制造业对焊接技术提出的迫切要求. * 焊接作为一种重要的制造成形工艺，其效率的提高对企业总的生产率的提高有着举足轻重的影响. * 现代制造业为了增强市场竞争能力，对焊接生产加工的效率提出了越来越高的要求,提高焊接生产率的主要途径:采用高能密度焊接工艺技术（等离子弧焊接、激光焊、电子束焊）；对现有电弧焊工艺进行高效化改进（如Tandem焊接, T.I.M.E.焊接，DE-GMAW焊接等），充分利用电弧焊低成本和高适应性的特点；复合热源焊接技术（如激光+电弧复合焊接）。,对各类高效焊接过程
2、的熔池形态与传热过程进行数值分析， 可以得出不同工艺条件下焊接温度场和焊缝成形的基础数据， 这对于深入了解工艺机理、优化焊接工艺参数、实现焊接过程自动控制，都具有重要的理论意义和工程实用价值。,一.等离子弧焊接热过程分析,等离子弧焊接,能量高度集中,形成穿透工件的小孔,焊缝深而窄. 必须考虑热流沿工件厚度方向的分布,以及等离子流力对熔池的”挖掘”作用.,建立恰当的,适用的等离子弧焊接的体积热源作用模式: 考虑:倒喇叭状焊缝断面的特点, 热流沿工件厚度方向的分布,等离子流力对熔池的”挖掘”作用. (1)体积热源的作用区域,在工件上表面最大,在下表面最小;沿工件厚度方向,按某种规律衰减; (2)沿
3、工件厚度方向,热流最大值恒定;在垂直z轴的任一平面内,热流按高斯分布;,根据以上两点,提出两个体积热源模式: 1.三维锥体体积热源模式（TDC: Three-dimensional conical heat source）,三维锥体热源模式（TDC）,2.改进型三维锥体体积热源模式（MTDC:Modified three-dimensional conical heat source）:,改进型三维锥体热源模式MTDC,计算结果与实验结果的比较 可以看出:锥体TDC和改进型锥体MTDC热源模式,还不能充分反映小孔等离子弧焊接的特点,计算结果仍有较大误差,尤其是熔合线的走向.,3.小孔等离子弧准
4、稳态热源模式 （QPAW: Quasi-steady state PAW heat source）,准稳态PAW热源作用模式QPAW,基于QPAW计算出的焊缝横断面与实验结果 （9.6mm厚不锈钢板,U31.2V，I240A，v02mm/s）,基于QPAW计算出的焊缝横断面与实验结果 (9.6mm厚不锈钢板，U31.7V，I250A，v02mm/s）,（U31.7V，I250A，v02mm/s）,（U31.2V，I240A，v02mm/s）,计算出焊缝横断面与实验结果 (9.6mm厚不锈钢板,基于QPAW),基于瞬态PAW热源模式（TPAW）计算出的结果（工件上表面） （ w_XCrNi181
5、0，U31.7V，I250A，v02mm/s）,基于瞬态PAW热源模式（TPAW）计算出的结果（工件纵截面） （ w_XCrNi1810，U31.7V，I250A，v02mm/s）,基于瞬态PAW热源模式（TPAW）计算出的结果（工件横截面） （ w_XCrNi1810，U31.7V，I250A，v02mm/s）,二. DE-GMAW高速电弧焊接,I =Ibm + Ibp. I: wire current; Ibm: base metal current; Ibp: bypass current,Torches in DE-GMAW,Tungsten electrode Angle: 60 d
6、1 = mm d2 = mm d3 = mm Shielding gas Welding direction,Parameters for a Stable Process,Heat Input (Base Metal Current) Control,焊接速度达1.27m/min , 焊缝成形良好,没有成形缺陷,DE-GMAW高效焊接热场的有限元分析,Predicted and measured weld cross section in DE-GMAW,DE-GMAW MIG,DE-GMAW焊接接头变形的有限元分析结果,三.激光+GMAW电弧复合热源焊接,电弧焊/GMAW能量便宜可填充金属
7、对间隙不敏感焊速低变形大,激光焊/Laserwelding 穿透力强 焊接速度快 热输入量低 变形小 焊缝搭桥能力差 接头装配要求高 初始投资大,复合热源焊接/Hybrid welding 焊接过程稳定； 焊缝美观； 焊接速度快； 热量输入低； 接头装配精度可降低； 低功率激光焊与电弧焊复合可以达到大功率激光焊的熔深水平,复合热源焊接速度高,短路过渡GMAW和Nd:YAG激光+GMAW复合热源焊接速度的比较 （PL1400W，D1mm，z=-1mm）,激光能量加入到短路过渡GMAW焊接过程中可以大幅度提高其焊接速度，复合热源的焊接速度可以接近10 m/min.,2kW CW Nd:YAG激光功
8、率的等效脉冲电弧功率,在采用Nd:YAG激光+GMAW复合热源焊接铝合金研究中发现：对于相同的焊缝熔深，2 kW的YAG激光的等效电弧功率为4 kW。1）当电弧功率小于4 kW时，GMAW焊中加入Nd:YAG激光能量能够有效增大熔深并加快速度，焊缝熔深的变化几乎与激光功率成正比；2）当电弧功率超过4kW后，Nd:YAG激光的加入对焊缝熔深的变化几乎没有影响，但可以明显提高焊接速度。,千瓦级激光对GMAW熔滴过渡频率的影响,短路过渡GMAW电压电流波形（I=50A V=1.5m/min）,Nd:YAG激光GMAW电弧复合热源短路过渡电压电流波形 (I=50A, Q=1200W, V=2.0m/m
9、in）,激光电弧复合热源焊接过程中，激光能量的加入可以使熔滴过渡过程稳定，并能加快其过渡频率。,复合热源焊接可以改善表面成形,脉冲GMAW焊缝成形和Nd:YAG 激光+脉冲GMAW复合热源焊缝形成的比较 (I=150A, V=1.2m/min, PL=2000W),复合热源焊接,脉冲GMAW焊接,复合热源能够有效改善表面焊缝金属的铺展性，并极大改善焊缝成形。,复合热源焊接分类,1) 激光辅助电弧复合热源焊接(PL500W):复合热源焊接过程呈现电弧焊的主要特征，激光主要用于稳定和压缩电弧以提高其热效率。主要适用于薄板的高效焊接。 2) 千瓦级激光电弧复合热源焊接 (PL510kW):复合热源焊
10、接过程集合了电弧焊和激光焊的优点，二者优势互补，主要用于中厚板的优质高效焊接。 3) 电弧辅助激光复合热源焊接 (PL10kW):焊接过程主要呈现激光焊的特点，具有大的焊缝深宽比，电弧能够提高激光吸收率，但是投资成本大。,国外在制造业中应用 激光+电弧复合热源焊接技术实例,德国Meyer船厂 采用Hybrid方法进行 平板对接和筋板角焊缝的自动化焊接, 平板对接厚度达15mm,长度20m, 角接的筋板厚度达12mm.,欧洲DockLaser项目,(12kWCO2激光+MAG),10mm + 8mm,10kW光纤激光+MAG复合焊用于造船,车门焊缝总长 4980mm, 其中激光-MIG复合焊缝48条, 长3570mm, 激光焊缝11条, 长1030mm, MIG焊缝7条, 长380mm,激光-电弧复合焊接在汽车零件制造中的应用,哈尔滨焊接研究所在实际应用 激光+电弧复合热源焊接技术 的典型实例,不锈钢大型显示屏壳体激光-电弧复合焊接,但是,激光+GMAW电弧复合热源焊接的研究工作目前大多只集中于工艺本身，对一些共性的科学问题还缺乏系统深入研究，这在一定程度上限制了激光+GMAW电弧复合热源焊接技术的推广和应用。,谢谢大家！,
