(9.6mm厚不锈钢板，U＝31.7V，I＝250A，v0＝
2mm/s）
计算出焊缝横断面与实验结果 (9.6mm厚不锈钢板,基于QPAW)
z(mm)
z(mm)
Experimental QPAW
11
9
7
5
3
1
-1 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 x(mm)
（U＝31.7V，I＝250A， v0＝2mm/s）
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..
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
Parameters for a Stable Process
• Tungsten electrode • Angle: < 60˚ • d1 = mm • d2 = mm • d3 = mm • Shielding gas • Welding direction
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/min）
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
复合热源焊接
脉冲GMAW焊接
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)
欧洲DockLaser项目
(12kWCO2激光+MAG)
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.
筋 板 与 平 线板 角 接 生 产
平板对接生产线
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
2.5
meassured
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Predicted and measured weld cross section in DEGMAW
DE-GMAW
MIG
DE-GMAW
MIG
DE-GMAW
MIG
DE-GMAW
0.53s
1.51s
2.48s
3.07s
3.96s
4.56s
基于瞬态PAW热源模式（TPAW）计算出的结果（工件纵截面） （ w_XCrNi1810，U＝31.7V，I＝250A，v0＝2mm/s）
0.53s
1.51s
2.48s
3.07s
3.96s
4.56s
基于瞬态PAW热源模式（TPAW）计算出的结果（工件横截面） （ w_XCrNi1810，U＝31.7V，I＝250A，v0＝2mm/s）
Welding Direction
Bypass
θ
Torch
d2
d3
Contact Tip
d1
Workpiece
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
3.0
predicted
短路过渡GMAW和Nd:YAG激光+GMAW复合热源焊接速度的比较 （PL＝1400W，D＝1mm，∆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。
3.小孔等离子弧准稳态热源模式 （QPAW: Quasi-steady state PAW heat source）
150000C
PAW焊接熔池及小孔形状示意图
准稳态PAW热源作用模式QPAW
qa (r,
z)
ze
9IU e3
zi e3 1
re2
exp
3r 2 r02
r x2 y 2 x x0 2 y y0 v0t 2
谢谢大家！
知识回顾 Knowledge
Review
祝您成功
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)沿工件厚度方向,热流最大值恒定;在垂直z轴
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.
Experimental Predicted
11
9
7
5
3
1
-1 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 x(mm)
（U＝31.2V，I＝240A， v0＝2mm/s）
0.53s
1.51s
2.48s
3.07s
3.96s
4.56s
基于瞬态PAW热源模式（TPAW）计算出的结果（工件上表面） （ w_XCrNi1810，U＝31.7V，I＝250A，v0＝2mm/s）
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的熔池形态与传 热过程进行数值分析，
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
Welding speed v/(m/min)
10
GMAW
8
Hybrid welding
6
4
2
0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Welding current I/A
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）
qa
(r,
z)Leabharlann ze9IU e3zi e3 1
re2
exp
3r 2 r02
r x2 y2 (x x0 )2 ( y y0 v0t)2
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 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；
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(PL≤500W): 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 (PL≤5~10kW):
f1(z)
re H
z H ze
r0 z
re ri lnz lnze lnzi
ri
ln ze ln ze
re ln zi lnzi
f0 (z) r0 (z)
基于QPAW计算出的焊缝横断面与实验结果
（9.6mm厚不锈钢板,U＝31.2V，I＝240A，v0＝
2mm/s）
基于QPAW计算出的焊缝横断面与实验结果
r0 (z)
re
re
ri
ze ze
z zi
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）:
qa (r,
z)
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exp
3r 2 r02