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1、高效高效焊接熔池形接熔池形态及及热过程程数数值分析的研究分析的研究进展展山山东大学大学 武武传松松2007-8-25* 高高效效、优质、低低耗耗是是当当前前制制造造业对焊接技接技术提出的迫切要求提出的迫切要求. * 焊接作接作为一种重要的制造成形工一种重要的制造成形工艺，其效率的提高其效率的提高对企企业总的生的生产率的提率的提高有着高有着举足足轻重的影响重的影响. * 现代制造代制造业为了增了增强市市场竞争能力，争能力，对焊接生接生产加工的效率提出了越来越加工的效率提出了越来越高的要求高的要求. 提高提高焊焊接生接生产产率的主要途径率的主要途径: 采用高能密度采用高能密度焊焊接工接工艺艺技技术
2、术 等离子弧等离子弧焊焊接、激光接、激光焊焊、电电子束子束焊焊 ； 对现对现有有电电弧弧焊焊工工艺进艺进展高效化改展高效化改进进 如如Tandem焊焊接接, T.I.M.E.焊焊接，接，DE-GMAW焊焊接等接等 ，充分利用，充分利用电电弧弧焊焊低本低本钱钱和高适和高适应应性的特点；性的特点； 复合复合热热源源焊焊接技接技术术 如激光如激光+电电弧复合弧复合焊焊接接 。 对各各类高效高效焊接接过程的熔池形程的熔池形态与与传热过程程进展数展数值分析，分析，可以得出不同工可以得出不同工艺条件下条件下焊接温度接温度场和和焊缝成形的根底数据，成形的根底数据，这对于深入了解工于深入了解工艺机理、机理、优
3、化化焊接接工工艺参数、参数、实现焊接接过程自程自动控制，控制，都具有重要的理都具有重要的理论意意义和工程和工程实用价用价值。 一一.等离子弧等离子弧焊接接热过程分析程分析等离子弧等离子弧焊接接, ,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, ,焊缝深深而窄而窄. .必必须考考虑热流沿工件厚度方向的分布流沿工件厚度方向的分布, ,以及等离子流力以及等离子流力对熔熔池的挖掘作用池的挖掘作用. .建立恰当的建立恰当的, ,适用的等离子弧适用的等离子弧焊接的体接的体积热源作用模式源作用模式: :考考虑: :倒喇叭倒喇叭状状焊缝断面的特点断面的特点, 热流沿工件厚度方向的分布流
4、沿工件厚度方向的分布, , 等离子流力等离子流力对熔池的挖掘作用熔池的挖掘作用. .(1)(1)体体积热源的作用区域源的作用区域, ,在工件上外表最在工件上外表最大大, ,在下外表最小在下外表最小; ;沿工件厚度方向沿工件厚度方向, ,按某种按某种规律衰减律衰减; ;(2)(2)沿工件厚度方向沿工件厚度方向, ,热流最大流最大值恒定恒定; ;在垂在垂直直z z轴的任一平面内的任一平面内, ,热流按高斯分布流按高斯分布; ;根据以上两点根据以上两点, ,提出两个体提出两个体积热源模式源模式: :1.1.三三维锥体体体体积热源模式源模式TDC:Three-TDC:Three-dimensional
5、conicalheatsourcedimensionalconicalheatsource三维锥体热源模式（TDC）2.改改进进型三型三维锥维锥体体体体积热积热源模式源模式 MTDC:Modified three-dimensional conical heat source :改进型三维锥体热源模式MTDC 计计算算结结果与果与实验结实验结果的比果的比较较可以看出可以看出:锥锥体体TDC和和改改进进型型锥锥体体MTDC热热源源模式模式,还还不能充分反映小孔等离子弧不能充分反映小孔等离子弧焊焊接的特点接的特点,计计算算结结果仍有果仍有较较大大误误差差,尤其是熔合尤其是熔合线线的走向的走向.3.
6、小孔等离子弧准小孔等离子弧准稳态热稳态热源模式源模式 QPAW: Quasi-steady state PAW heat source 准稳态PAW热源作用模式QPAWPAW焊接熔池及小孔形状示意图150000C基于基于QPAWQPAW计算出的算出的焊缝横断面与横断面与实验结果果厚不厚不锈钢板板,U,U，I I240A240A，v0v02mm/s2mm/s基于基于QPAWQPAW计算出的算出的焊缝横断面与横断面与实验结果果厚不厚不锈钢板，板，U U，I I250A250A，v0v02mm/s2mm/s（U U31.7V31.7V，I I250A250A，v v0 02mm/s2mm/s）（U
7、U31.2V31.2V，I I240A240A，v v0 02mm/s2mm/s）计算出算出焊缝横断面与横断面与实验结果果厚不厚不锈钢板板,基于基于QPAW)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外表计算出的结果工件上外表 w_XCrNi1810，U，I250A，v02mm/s0.53s 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_XCrNi1810，U，I250A，v02mm/s0.53s
8、 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_XCrNi1810，U，I250A，v02mm/s 二二. DE-GMAW高速高速电弧弧焊接接I =Ibm + Ibp. I: wire current; Ibm: base metal current; Ibp: bypass currentTorches in DE-GMAWTungsten electrodeAngle: 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
9、够提高激光吸收率，但是投资本钱大。宽比，电弧能够提高激光吸收率，但是投资本钱大。国外在制造国外在制造业中中应用用激光激光+电弧复合弧复合热源源焊接技接技术实例例德国德国Meyer船厂船厂采用采用Hybrid方法方法进展展平板平板对接和筋板角接和筋板角焊缝的自的自动化化焊接接, 平板平板对接厚度达接厚度达15mm,长度度20m, 角接的筋板厚度达角接的筋板厚度达12mm.欧洲欧洲DockLaser工程工程(12kWCO2激光激光+MAG)10mm + 8mm 筋筋板板与与平平板板角角接接生生产线平板平板对接生接生产线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
10、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哈尔滨焊接研究所在实际应用哈尔滨焊接研究所在实际应用激光激光+ +电弧复合热源焊接技术电弧复合热源焊接技术的典型实例的典型实例不不锈钢大型大型显示屏壳体激光示屏壳体激光-电弧复合弧复合焊接接 但是但是, ,激光激光+GMAW电弧复合弧复合热源源焊接的接的研究工作目前大多只集中于工研究工作目前大多只集中于工艺本身，本身，对一一些共性的科学些共性的科学问题还缺乏系缺乏系统深入研究，深入研究，这在一定程度上限制了激光在一定程度上限制了激光+GMAW电弧复合弧复合热源源焊接技接技术的推广和的推广和应用。用。谢谢大家谢谢大家！知识回忆知识回忆Knowledge Knowledge ReviewReview祝您成功！
