高效焊接熔池

1、高效焊接熔池形态及热过程高效焊接熔池形态及热过程 数值分析的研究进展数值分析的研究进展 山东大学山东大学 武传松武传松 2007-8-252007-8-25 * * 高效、优质、低耗是当前制造业对高效、优质、低耗是当前制造业对 焊接技术提出的迫切要求焊接技术提出的迫切要求. . * 焊接作为一种重要的制造成形工艺，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，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对焊接生产加工的效率提出了越来越

2、高的要求高的要求. . 提高焊接生产率的主要途径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）；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对现有电弧焊工艺进行高效化改进 （如（如TandemTandem焊接焊接, T.I.M.E., T.I.M.E.焊接，焊接，DE-DE- GMAWGMAW焊接等），充分利用电弧焊低成焊接等），充分利用电弧焊低成 本和高适应性的特点；本和高适应性的特点； 复合热源焊接技术（如激光复合热源焊接技术（如激光+ +电弧复电弧复 合焊接）。合焊接）。 对各类高效焊接过程的熔

3、池形态与传对各类高效焊接过程的熔池形态与传 热过程进行数值分析，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，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，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都具有重要的理论意义和工程实用价 值。值。 一一. .等离子弧焊接热过程分析等离子弧焊接热过程分析 等离子弧焊接等离子弧焊接, ,能量高度集中能量高度集中, ,形成穿透工件的小孔形成穿透工件的小孔, ,焊缝焊缝 深而窄深而窄. . 必须考

4、虑热流沿工件厚度方向的分布必须考虑热流沿工件厚度方向的分布, ,以及等离子流力对以及等离子流力对 熔池的熔池的”挖掘挖掘”作用作用. . 建立恰当的建立恰当的, ,适用的等离子弧焊接的体积适用的等离子弧焊接的体积 热源作用模式热源作用模式: : 考虑考虑: : 倒喇叭倒喇叭状焊缝断面的特点状焊缝断面的特点, , 热流沿工件厚度方向的分布热流沿工件厚度方向的分布, , 等离子流力对熔池的等离子流力对熔池的”挖掘挖掘”作用作用. . (1)(1)体积热源的作用区域体积热源的作用区域, ,在工件上表面最大在工件上表面最大, ,在在 下表面最小下表面最小; ;沿工件厚度方向沿工件厚度方向, ,按某种规

5、律衰减按某种规律衰减; ; (2)(2)沿工件厚度方向沿工件厚度方向, ,热流最大值恒定热流最大值恒定; ;在垂直在垂直z z 轴的任一平面内轴的任一平面内, ,热流按高斯分布热流按高斯分布; ; 根据以上两点根据以上两点, ,提出两个体积热源模式提出两个体积热源模式: : 1.1.三维锥体体积热源模式（三维锥体体积热源模式（TDC: Three-TDC: Three- dimensional conical heat sourcedimensional conical heat source） 三维锥体热源模式（TDC） 2 0 2 23 3 3 exp 1 9 ),( r r rezz e

6、IU zrq eie a 2 00 2 0 22 )()(tvyyxxyxr ie e iee zz zz rrrzr )( 0 2.2.改进型改进型三维锥体体积热源模式三维锥体体积热源模式 （MTDC:ModifiedMTDC:Modified three-dimensional conical three-dimensional conical heat sourceheat source）: : 改进型三维锥体热源模式MTDC 2 0 2 23 3 3 exp 1 9 ),( r r rezz eIU zrq eie a 2 00 2 0 22 tvyyxxyxr ie ieei ie

7、ie zz zrzr zz zrr zr lnln lnln lnln ln 0 计算结果与实验结果的比较计算结果与实验结果的比较 可以看出可以看出:锥体锥体TDCTDC和和改进型锥体改进型锥体MTDCMTDC 热源模式热源模式, ,还不能充分反映小孔等离子弧焊接的还不能充分反映小孔等离子弧焊接的 特点特点, ,计算结果仍有较大误差计算结果仍有较大误差, ,尤其是熔合线的尤其是熔合线的 走向走向. . 3.3.小孔等离子弧准稳态热源模式小孔等离子弧准稳态热源模式 （QPAW: QPAW: Quasi-steady state PAW heat sourceQuasi-steady state

8、PAW heat source） 准稳态PAW热源作用模式QPAW PAW焊接熔池及小孔形状示意图 150000C 2 0 2 23 3 3 exp 1 9 ),( r r rezz eIU zrq eie a 2 00 2 0 22 tvyyxxyxr ie ieei ie ie zz zrzr zz zrr zr lnln lnln lnln ln 0 )()( 00 zrzf e e zHz H r zf)( 1 基于基于QPAWQPAW计算出的焊缝横断面与实验结果计算出的焊缝横断面与实验结果 （9.6mm9.6mm厚不锈钢板厚不锈钢板, ,U U31.2V31.2V，I I240A24

9、0A，v v0 02mm/s2mm/s） 基于基于QPAWQPAW计算出的焊缝横断面与实验结果计算出的焊缝横断面与实验结果 ( (9.6mm9.6mm厚不锈钢板，厚不锈钢板，U U31.7V31.7V，I I250A250A，v v0 02mm/s2mm/s） （U U31.7V31.7V，I I250A250A， v v0 02mm/s2mm/s） -12-10-8-6-4-2024681012 -1 1 3 5 7 9 11 Experimental QPAW z ( m m ) x(mm) （U U31.2V31.2V，I I240A240A， v v0 02mm/s2mm/s） -12

10、-10-8-6-4-2024681012 -1 1 3 5 7 9 11 Experimental Predicted z (m m ) x(mm) 计算出焊缝横断面与实验结果计算出焊缝横断面与实验结果 ( (9.6mm9.6mm厚不锈钢板厚不锈钢板, ,基于基于QPAWQPAW) ) 0.53s 1.51s 2.48s 3.07s 3.96s 4.56s 基于瞬态基于瞬态PAW热源模式（热源模式（TPAW）计算出的结果（工件上表面）计算出的结果（工件上表面） （ w_XCrNi1810w_XCrNi1810，U U31.7V31.7V，I I250A250A，v v0 02mm/s2mm/s

11、） 0.53s 1.51s 2.48s 3.07s 3.96s 4.56s 基于瞬态基于瞬态PAW热源模式（热源模式（TPAW）计算出的结果（工件纵截面）计算出的结果（工件纵截面） （ w_XCrNi1810w_XCrNi1810，U U31.7V31.7V，I I250A250A，v v0 02mm/s2mm/s） 0.53s 1.51s 2.48s 3.07s 3.96s 4.56s 基于瞬态基于瞬态PAW热源模式（热源模式（TPAW）计算出的结果（工件横截面）计算出的结果（工件横截面） （ w_XCrNi1810w_XCrNi1810，U U31.7V31.7V，I I250A250A，

12、v v0 02mm/s2mm/s） 二二. DE-GMAW. DE-GMAW高速电弧焊接高速电弧焊接 I =Ibm + Ibp. I: wire current; Ibm: base metal current; Ibp: bypass current Torches in DE-GMAW Tungsten electrode Angle: 10kW): 焊接过程主要呈现激光焊的特点，具有大的焊缝深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。宽比，电弧能够提高激光吸收率，但是投资成本大。 德国德国Meyer船厂船厂 采用采用Hybrid方法进行方

13、法进行 平板对接和筋板角焊缝的自动化焊接平板对接和筋板角焊缝的自动化焊接, 平板对接厚度达平板对接厚度达15mm,长度长度20m, 角接的筋板厚度达角接的筋板厚度达12mm. 欧洲欧洲DockLaser项目项目 (12kWCO2激光激光+MAG) 10mm + 8mm 筋板与平板角接生产筋板与平板角接生产 线线 平板对接生产线平板对接生产线 10kW光纤激光光纤激光+MAG复合焊用于造船复合焊用于造船 车门焊缝总长车门焊缝总长 4980mm, 其中激光其中激光-MIG复合焊缝复合焊缝48条条, 长长3570mm, 激光焊缝激光焊缝11条条, 长长1030mm, MIG焊缝焊缝7条条, 长长380mm 激光激光- -电弧复合焊接在汽车零件制造中的应用电弧复合焊接在汽车零件制造中的应用 不锈钢大型显示屏壳体激光不锈钢