1、,高效焊接熔池形態(tài)及熱過(guò)程 數(shù)值分析的研究進(jìn)展 山東大學(xué) 武傳松 2007-8-25,* 高效、優(yōu)質(zhì)、低耗是當(dāng)前制造業(yè)對(duì)焊接技術(shù)提出的迫切要求. * 焊接作為一種重要的制造成形工藝，其效率的提高對(duì)企業(yè)總的生產(chǎn)率的提高有著舉足輕重的影響. * 現(xiàn)代制造業(yè)為了增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)焊接生產(chǎn)加工的效率提出了越來(lái)越高的要求.,提高焊接生產(chǎn)率的主要途徑: 采用高能密度焊接工藝技術(shù)（等離子弧焊接、激光焊、電子束焊）； 對(duì)現(xiàn)有電弧焊工藝進(jìn)行高效化改進(jìn)（如Tandem焊接, T.I.M.E.焊接，DE-GMAW焊接等），充分利用電弧焊低成本和高適應(yīng)性的特點(diǎn)； 復(fù)合熱源焊接技術(shù)（如激光+電弧復(fù)合焊接）。,對(duì)各類(lèi)高

2、效焊接過(guò)程的熔池形態(tài)與傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析， 可以得出不同工藝條件下焊接溫度場(chǎng)和焊縫成形的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 這對(duì)于深入了解工藝機(jī)理、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)控制，都具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。,一.等離子弧焊接熱過(guò)程分析,等離子弧焊接,能量高度集中,形成穿透工件的小孔,焊縫深而窄. 必須考慮熱流沿工件厚度方向的分布,以及等離子流力對(duì)熔池的”挖掘”作用.,建立恰當(dāng)?shù)?適用的等離子弧焊接的體積熱源作用模式: 考慮: 倒喇叭狀焊縫斷面的特點(diǎn), 熱流沿工件厚度方向的分布, 等離子流力對(duì)熔池的”挖掘”作用. (1)體積熱源的作用區(qū)域,在工件上表面最大,在下表面最小;沿工件厚度方向,按某種規(guī)律衰

3、減; (2)沿工件厚度方向,熱流最大值恒定;在垂直z軸的任一平面內(nèi),熱流按高斯分布;,根據(jù)以上兩點(diǎn),提出兩個(gè)體積熱源模式: 1.三維錐體體積熱源模式（TDC: Three-dimensional conical heat source）,三維錐體熱源模式（TDC）,2.改進(jìn)型三維錐體體積熱源模式（MTDC:Modified three-dimensional conical heat source）:,改進(jìn)型三維錐體熱源模式MTDC,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較 可以看出:錐體TDC和改進(jìn)型錐體MTDC熱源模式,還不能充分反映小孔等離子弧焊接的特點(diǎn),計(jì)算結(jié)果仍有較大誤差,尤其是熔合線(xiàn)的走向.,3.

4、小孔等離子弧準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱源模式 （QPAW: Quasi-steady state PAW heat source）,準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)PAW熱源作用模式QPAW,基于QPAW計(jì)算出的焊縫橫斷面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （9.6mm厚不銹鋼板,U31.2V，I240A，v02mm/s）,基于QPAW計(jì)算出的焊縫橫斷面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (9.6mm厚不銹鋼板，U31.7V，I250A，v02mm/s）,（U31.7V，I250A，v02mm/s）,（U31.2V，I240A，v02mm/s）,計(jì)算出焊縫橫斷面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (9.6mm厚不銹鋼板,基于QPAW),基于瞬態(tài)PAW熱源模式（TPAW）計(jì)算出的結(jié)果（工件上表面） （ w_X

5、CrNi1810，U31.7V，I250A，v02mm/s）,基于瞬態(tài)PAW熱源模式（TPAW）計(jì)算出的結(jié)果（工件縱截面） （ w_XCrNi1810，U31.7V，I250A，v02mm/s）,基于瞬態(tài)PAW熱源模式（TPAW）計(jì)算出的結(jié)果（工件橫截面） （ w_XCrNi1810，U31.7V，I250A，v02mm/s）,二. DE-GMAW高速電弧焊接,I =Ibm + Ibp. I: wire current; Ibm: base metal current; Ibp: bypass current,Torches in DE-GMAW,Tungsten electrode Angl

6、e: 60 d1 = mm d2 = mm d3 = mm Shielding gas Welding direction,Parameters for a Stable Process,Heat Input (Base Metal Current) Control,焊接速度達(dá)1.27m/min , 焊縫成形良好,沒(méi)有成形缺陷,DE-GMAW高效焊接熱場(chǎng)的有限元分析,Predicted and measured weld cross section in DE-GMAW,DE-GMAW MIG,DE-GMAW焊接接頭變形的有限元分析結(jié)果,三.激光+GMAW電弧復(fù)合熱源焊接,電弧焊/GMAW 能

7、量便宜 可填充金屬 對(duì)間隙不敏感 焊速低 變形大,激光焊/Laserwelding 穿透力強(qiáng) 焊接速度快 熱輸入量低 變形小 焊縫搭橋能力差 接頭裝配要求高 初始投資大,復(fù)合熱源焊接/Hybrid welding 焊接過(guò)程穩(wěn)定； 焊縫美觀(guān)； 焊接速度快； 熱量輸入低； 接頭裝配精度可降低； 低功率激光焊與電弧焊復(fù)合可以達(dá)到大功率激光焊的熔深水平,復(fù)合熱源焊接速度高,短路過(guò)渡GMAW和Nd:YAG激光+GMAW復(fù)合熱源焊接速度的比較 （PL1400W，D1mm，z=-1mm）,激光能量加入到短路過(guò)渡GMAW焊接過(guò)程中可以大幅度提高其焊接速度，復(fù)合熱源的焊接速度可以接近10 m/min.,2kW

8、CW Nd:YAG激光功率的等效脈沖電弧功率,在采用Nd:YAG激光+GMAW復(fù)合熱源焊接鋁合金研究中發(fā)現(xiàn)：對(duì)于相同的焊縫熔深，2 kW的YAG激光的等效電弧功率為4 kW。 1）當(dāng)電弧功率小于4 kW時(shí)，GMAW焊中加入Nd:YAG激光能量能夠有效增大熔深并加快速度，焊縫熔深的變化幾乎與激光功率成正比； 2）當(dāng)電弧功率超過(guò)4kW后，Nd:YAG激光的加入對(duì)焊縫熔深的變化幾乎沒(méi)有影響，但可以明顯提高焊接速度。,千瓦級(jí)激光對(duì)GMAW熔滴過(guò)渡頻率的影響,短路過(guò)渡GMAW電壓電流波形（I=50A V=1.5m/min）,Nd:YAG激光GMAW電弧復(fù)合熱源短路過(guò)渡電壓電流波形 (I=50A, Q=1

9、200W, V=2.0m/min）,激光電弧復(fù)合熱源焊接過(guò)程中，激光能量的加入可以使熔滴過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定，并能加快其過(guò)渡頻率。,復(fù)合熱源焊接可以改善表面成形,脈沖GMAW焊縫成形和Nd:YAG 激光+脈沖GMAW復(fù)合熱源焊縫形成的比較 (I=150A, V=1.2m/min, PL=2000W),復(fù)合熱源焊接,脈沖GMAW焊接,復(fù)合熱源能夠有效改善表面焊縫金屬的鋪展性，并極大改善焊縫成形。,復(fù)合熱源焊接分類(lèi),1) 激光輔助電弧復(fù)合熱源焊接(PL500W): 復(fù)合熱源焊接過(guò)程呈現(xiàn)電弧焊的主要特征，激光主要用于穩(wěn)定和壓縮電弧以提高其熱效率。主要適用于薄板的高效焊接。 2) 千瓦級(jí)激光電弧復(fù)合熱源焊接

10、(PL510kW): 復(fù)合熱源焊接過(guò)程集合了電弧焊和激光焊的優(yōu)點(diǎn)，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，主要用于中厚板的優(yōu)質(zhì)高效焊接。 3) 電弧輔助激光復(fù)合熱源焊接 (PL10kW): 焊接過(guò)程主要呈現(xiàn)激光焊的特點(diǎn)，具有大的焊縫深寬比，電弧能夠提高激光吸收率，但是投資成本大。,國(guó)外在制造業(yè)中應(yīng)用激光+電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)實(shí)例,德國(guó)Meyer船廠(chǎng)采用Hybrid方法進(jìn)行平板對(duì)接和筋板角焊縫的自動(dòng)化焊接, 平板對(duì)接厚度達(dá)15mm,長(zhǎng)度20m, 角接的筋板厚度達(dá)12mm.,歐洲D(zhuǎn)ockLaser項(xiàng)目,(12kWCO2激光+MAG),10mm + 8mm,10kW光纖激光+MAG復(fù)合焊用于造船,車(chē)門(mén)焊縫總長(zhǎng) 4980mm, 其中激光-MIG復(fù)合焊縫48條, 長(zhǎng)3570mm, 激光焊縫11條, 長(zhǎng)1030mm, MIG焊縫7條, 長(zhǎng)380mm,激光-電弧復(fù)合焊接