CMT焊接熔滴过渡动态过程模拟与熔池流体动力学行为
毕业论文机器人CMT焊接工艺研究
机器人CMT焊接工艺研究摘要本文利用焊接机器人和福尼斯CMT焊机对镀锌板进行堆焊，搭接和对接，分析CMT 机器人焊接焊接得到板材的外观，成型，硬度，气孔产生的原因，焊接变形产生的原因。
得到由于冷金属过渡焊接的特殊的抽送丝方式，其焊接热输入量更小，在同样焊接参数下，冷金属过渡焊接比MAG焊的飞溅更少，熔深更小，且硬度值要明显低于MAG焊。
但是在搭接镀锌板材时，由于无间隙，电弧力过大，弧长修正系数过大，焊接速度过快等原因，仍会出现气孔，对接时由于板材膨胀收缩不均匀仍会出现焊接变形。
关键词：机器人；冷金属过渡；镀锌板前言近年来镀锌板在工业中应用逐渐增多，在所有应用镀锌板的行业中，汽车工业的自动化程度最高，汽车轻量化需求越来越重要，镀锌薄板的应用也越来越多，但镀锌薄板如何有效的焊接一直困扰着工程技术人员，CMT焊接技术的发展成功解决了镀锌薄板的焊接问题。
本文围绕机器人CMT焊接镀锌板过程中容易出现的几个问题展开研究：焊缝外观是否美观，焊缝区域的硬度问题，焊接区域的气孔缺陷问题，焊接过程中的变形问题……本次研究对汽车车身的镀锌薄板的焊接具有一定的现实意义，可实现机器人CMT焊接镀锌薄板少气孔无气孔，少变形甚至无变形，焊接接头美观。
冷金属过渡焊接技术可代替传统MIG/MAG焊进行薄板焊接。
第1章绪论1.1焊接机器人我国在20世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年科技的发展，工业机器人的性能更完善、价格更低，应用越来越普遍。
我国在产业转型的过程中，工业机器人的需求在快速增加。
利用焊接机器人不仅能稳定和提高焊接质量，保证其均一性，而且可以改善劳动条件，提高劳动生产率，缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。
现在焊接机器人更是遇到难得的发展机遇。
一方面，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升，性价比大幅度提高。
另一方面，劳动力成本也在不断上升。
现在的制造型企业也都在提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力。
电弧焊基础知识
电弧焊基础知识焊接工程基础一、对不同熔滴过渡形式进行比较，包括形成条件、熔滴过渡过程的不同特点、应用等内容。
答：电弧焊的熔滴过渡形式可以分为自由过渡、接触过渡和渣壁过渡。
1、自由过渡熔滴从焊丝端部脱落后，经电弧空间自由地的飞行二落入熔池，熔滴脱离焊丝末端一、前不与熔池接触。
按过渡形态不同分为滴状过渡、喷射过渡和爆炸过渡。
1）滴状过渡：（1）大滴过渡a、滴落过渡：高电压、小电流、MIG焊b、排斥过渡：高电压、小电流、CO2焊（2）细颗粒过渡：较大电流的CO2焊当电流较小时，在电弧作用力下，随着焊丝融化，熔滴逐渐长大，当熔滴的重力能够克服其表面张力的作用时，就以较大的颗粒脱离焊丝，落入熔池实现熔滴过渡。
电流较大，电磁收缩力增大，表面张力作用减小，熔滴在脱离焊丝之前就偏离了焊丝轴线，甚至上翘，脱离之后不能沿焊丝轴向过渡时，成为排斥过渡。
这两种过渡的熔滴都较大，一般大于焊丝直径，属于大滴过渡。
大滴过渡的熔滴大，行成时间长，影响电弧稳定性，焊缝成型粗糙，飞溅较多，生产中很少采用。
当电流较大时，电磁收缩力大，熔滴的表面张力减小，熔滴细化，其直径一般等于或略小于焊丝直径，熔滴向熔池过渡频率增加，飞溅少，电弧稳定，焊缝成形较好，这种过渡形式称为细颗粒过渡，在生产中广泛应用。
2）喷射过渡：（1）射滴过渡铝MIG焊及钢焊丝脉冲焊（2）亚射流过渡铝、镁及其合金的熔化极气体保护焊（3）射滴过渡钢焊丝MIG焊（4）旋转射流过渡特大电流MIG焊电流增加时，熔滴的尺寸变得更小，过渡频率也急剧提高，在电弧力的的强制作用下，熔滴脱离焊丝沿焊丝轴向飞速的射向熔池，这种过渡形式称为喷射过渡。
射滴过渡是介于滴状过渡与连续射流过度之间的一种熔滴过渡形式，熔滴直径与焊丝直径相近，过渡时有明显的熔滴分离。
其工艺条件与连续射流过渡有相似之处，主要适用于钢焊丝脉冲焊及铝合金焊丝融化及气体保护焊。
亚射流过渡是介于短路过渡与舍滴过渡之间的一种过渡形式，形成条件：大电流，低电压，反极性，CO2气氛和粗焊丝。
CMT功能资料
CMT焊接系统
VR7000-CMT送丝机 焊丝缓冲器 带推拉丝的CMT焊枪 RCU5000i遥控器
CMT电源
FK4000R水箱 移动小车
珠海福尼斯焊接 2007 © Fronius 05/2007
CMT 焊接系统-CMT焊接电源
珠海福尼斯焊接 2007 © Fronius 05/2007
CMT焊接电流
可以通过面板选择.
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手工CMT焊接系统-手工CMT操作面板
珠海福尼斯焊接 2007 © Fronius 05/2007
手工CMT焊接系统-手工CMT焊枪
Pull Mig CMT焊枪
长度分别有4m/6m/8m, 包括缓冲器
Pull Mig CMT焊枪是通过 LHSB信号传输
标准的水流量控制
珠海福尼斯焊接 2007 © Fronius 05/2007
CMT 焊接系统—送丝机
珠海福尼斯焊接 2007 © Fronius 05/2007
VR7000-CMT送丝机
VR7000-CMT4R/G/W/F++ 4R-4轮驱动 通过LHSB线跟主机电源和 焊枪连接 VR7000-CMT仅用于CMT 焊枪 VR7000-CMT的送丝轮标 准配置是1.2H
TPS3200/4000/5000CMT 完整的CMT系统分别由硬件和软 件组成
全数字脉 冲焊/CMT焊
焊机面版
珠海福尼斯焊接 2007 © Fronius 05/2007
CMT 焊接系统- RCU5000I遥控器
T_型接头旋转激光+GMAW_复合焊熔池动态行为数值分析模型
第16卷第4期精密成形工程行为数值分析模型王艺瑾1，刘文1，胥国祥1*，朱杰1，胡庆贤1，杜宝帅2，龚祺龙1（1.江苏科技大学江苏省先进焊接技术重点实验室，江苏镇江 212000；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002）摘要：目的研究T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池的温度场和流态特征，揭示气孔缺陷的产生及抑制机理。
方法依据光学、电磁学、传热学及流体动力学机理，建立T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池数值分析模型。
使用Fluent软件对旋转频率分别为50 Hz和100 Hz的T型接头旋转激光+GMAW复合焊进行温度场以及流态特征的模拟，对比不同频率下T型接头横、纵截面，从工艺和焊缝成形角度出发，针对不同频率对熔池、小孔成形以及气孔抑制的影响进行讨论。
结果当旋转频率为50 Hz时，纵截面内小孔最大深度为5.4 mm，横截面熔池内小孔开口直径相对较大，旋转一周后，小孔远离气泡，气泡无法逸出，形成气孔；当旋转频率为100 Hz时，纵截面内小孔深度显著降低，熔池体积明显减小，横截面内小孔最大开口直径和深度均降低，熔池尺寸也有所减小，在时间为0.097 s时，小孔上方区域出现的顺时针涡流不仅能抑制气孔，还能改善熔池的下垂以及立板焊趾处的咬边。
结论随着旋转频率的增大，小孔的最大开口直径和深度均降低，还对熔池具有搅拌作用，使熔池体积变小。
关键词：T型接头旋转激光+GMAW焊；数值分析；旋转频率；小孔；气孔DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.018中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)04-0147-08Numerical Analysis Model for Dynamic Behavior of Molten Pool inRotating Laser+GMAW Hybrid Welding of T JointsWANG Yijin1, LIU Wen1, XU Guoxiang1*, ZHU Jie1, HU Qingxian1, DU Baoshuai2, GONG Qilong1(1. Key Laboratory of Advanced Welding Technology, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212000,China; 2. State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan 250002, China)ABSTRACT: The work aims to study the temperature field and flow characteristics of molten pool in rotating laser+GMAW hybrid welding of T-joints, to reveal the generation and inhibition mechanisms of pore defects. According to the optics, electro-magnetic, heat transfer and fluid dynamics mechanisms, a numerical analysis model of molten pool in rotating laser+GMAW hybrid welding of T-joints was established. The temperature field and flow characteristics of the T-joint rotating laser+GMAW收稿日期：2023-12-28Received：2023-12-28基金项目：国家自然科学基金（51975263，52375340）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51975263, 52375340)引文格式：王艺瑾, 刘文, 胥国祥, 等. T型接头旋转激光+GMAW复合焊熔池动态行为数值分析模型[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 147-154.WANG Yijin, LIU Wen, XU Guoxiang, et al. Numerical Analysis Model for Dynamic Behavior of Molten Pool in Rotating La-ser+GMAW Hybrid Welding of T Joints[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(4): 147-154.*通信作者（Corresponding author）148精密成形工程 2024年4月hybrid welding at rotation frequencies of 50 Hz and 100 Hz were simulated by Fluent software. Then, the screenshots of cross and longitudinal sections of the joints were compared. From the perspective of process optimization and seam forming, the ef-fect of different rotation frequencies on the molten pool and keyholes and the inhibition mechanism of pore was discussed.When the rotation frequency was 50 Hz, the maximum depth of keyhole in the longitudinal section was 5.4 mm. The opening diameter of the keyhole in the cross section was relatively large. After rotation for a cycle, the keyhole was far away from the bubble and the bubble could not overflow, forming the pore. When the rotation frequency was 100 Hz, the depth of keyhole in the longitudinal section was significantly reduced just as the volume of the molten pool. In the cross section, the maximum opening diameter and the depth of keyhole were reduced respectively just as the size of the molten pool. When the time was0.097 s, the clockwise vortex in the area above the keyhole was conducive to reducing the sagging phenomenon in the moltenpool and the undercut phenomenon at the weld toe of the vertical plate, inhibiting the pore. With the increase of rotation fre-quency, the maximum opening diameter and depth of the keyhole decrease, which has a stirring effect on the molten pool, mak-ing the volume of molten pool smaller.KEY WORDS: laser+GMAW hybrid welding of T-joints; numerical analysis; rotation frequency; keyhole; pore激光电弧复合焊具有能实现优质、高效焊接的巨大潜力。
CMT焊接工艺及其应用
CMT焊接工艺及其应用一、冷金属过渡（CMT）焊概述：1、意义：冷金属过渡技术 (CMT)是近年来焊接工艺的一次突破，其创造性地将焊丝运动与熔滴过渡过程相结合，实现了低能耗、高品质的焊接。
2、特点：（1）、良好的电弧稳定性：CMT焊接系统送丝过程受控并且和电弧过程相结合，可以机械检测弧长并快速调节，这使得CMT的电弧非常的稳定。
（2）、精确的能量输入控制：CMT技术实现了无电流状态下的熔滴过渡。
当短路电流产生，焊丝即停止前进并自动地回抽。
在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少，可以获得最低能量的输入。
（3）、优异的搭桥能量输入：CMT技术具有优异的电弧稳定性和精确的低能量输入，具有优异的搭桥能力，对装配间隙和错边的要求低，根焊焊道也可以获得很好的的背面成型（4）、更快的焊接速度：CMT过渡的频率高达60—70 Hz，焊丝主动回抽促进熔滴的脱落，焊接速度可达450—600 mm／min，能够明显地提高焊接效率。
3、应用：（1）、材料应用领域：CMT技术拥有广泛的应用领域。
几乎可以应用与所有已知的材料。
（2）、行业应用：机车制造行业、航天领域、桥梁和钢结构。
二、CMT工艺原理及设备：2.1、CMT工艺原理：（1）、数字式焊接控制系统感知电弧生成的开始时间，自动降低焊接电流，直到电弧熄灭，并调节脉冲式的焊丝输送，这种脉冲式焊丝输送有效改善了焊丝熔滴的过渡。
（2）、在熔滴从焊丝上滴落之后，数字控制系统再次提高焊接电流，并进一步将焊丝向前送出。
之后重新生成焊接电弧，开始新一轮的焊接过程。
（3）、或者说系统监测到一个短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，使熔滴在无电流状态下过渡（70HZ）。
2.2、CMT与传统短路焊接工艺比较：CMT焊与普通 GMAW 有三个最大的不同：（1）、将焊丝运动与焊接过程相结合：在焊丝前行过程中，一旦数字过程控制器检测到短路电流，便控制送丝机构回焊丝，以促成焊丝与熔滴的分离。
福尼斯焊机CMT焊接工艺介绍
一次革命性的金属连接技术珠海市科盈焊接器材有限公司珠海市福尼斯焊接技术有限公司奥福尼斯(上海)贸易有限公司匡学峰Kuang@一、CMT焊机型号:●TransPuls Synergic 2700 CMT●TransPuls Synergic 3200 CMT●TransPuls Synergic 4000 CMT●TransPuls Synergic 5000 CMT●CMT Advanced 4000 R（交/直流）CMT焊接技术CMT动漫CMT机器人应用CMT●CMT是Cold Meatal Transfer的缩写(冷金属过渡)●CMT冷金属过渡技术是在短路过渡基础上开发的●同传统的气体保焊MIG/MAG相比金属溶滴过渡热输入量更小CMT的发展历史CMTCMT ProcessSteel AluminiumSFISpatter-freeignitionDemand formicro-welds from 2002 series developmentfrom 1999 basic developmentCMT在钢与铝的焊接技术和无飞溅起弧的基础上又经过5年的努力,2002年开发出CMT冷金属过渡技术钢和铝的焊接无飞溅起弧微型焊接的需求产品开发●项目组成员：由21人组成的核心团队。
●提交了23项专利。
●时间：相当于39人一年。
CMT 焊接同普通MIG/MAG 焊有三个显著的特点:(1)送丝运动与熔滴过渡过程进行数字化协调遥控器当数字化的控制监测到一个短路信号,就会反馈给送丝机,送丝机作出回应,迅速回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离。
在全数字化的控制下，这种过渡方式完去区别于传统的熔滴过渡方式。
送丝机焊丝缓冲器数/模转换实际值CMT 控制电路控制监测数字处理器控制面板CMT 焊接同普通MIG/MAG 焊有三个显著的特点:(2) 低热输入量:CMT 技术实现了无电流状态下的熔滴过渡t = 0 mst = 0 mst = 4.59 ms短路电流产生，数字化控制的CMT 焊接系统会自动监控短路过渡的过程，在熔滴过渡时，电源将电流降至非常低，几乎为零，热输入量也几乎为零,焊丝即停止前进并自动地回抽.在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短.短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少。
CMT技术在锅炉膜式水冷壁中的应用
CMT技术在锅炉膜式水冷壁中的应用发布时间：2021-08-26T09:44:20.160Z 来源：《工程管理前沿》2021年第3月第9期作者：刘明旭[导读] 在水冷壁耐高温烟气的一面堆焊耐蚀金属刘明旭山东密友机械有限公司摘要在水冷壁耐高温烟气的一面堆焊耐蚀金属，可以大大提高水冷壁的使用寿命。
水冷壁在堆焊耐蚀金属时，要考虑变形量、堆焊层的稀释率、耐蚀层厚度、耐蚀金属主要的合金元素含量等等，传统的焊接方法很难保证。
CMT（冷金属过渡技术）是一种全新的MIG/MAG焊接工艺。
其热输入量比普通的MIG/MAG焊要低，非常适合耐蚀层的焊接。
本文简单介绍了CMT的焊接技术，并对CMT在水冷壁上面的堆焊技术进行了阐述[1]。
关键词 CMT ; 堆焊0 引言CMT（冷金属过渡技术）是在短路过渡的基础上开发的，是一种具有低热输入量、几乎无飞溅过渡、冷热循环交替的特点，近年来在锅炉膜式水冷壁管屏的堆焊上面得到了广泛应用。
CMT堆焊时，稀释率低、变形量小、耐蚀金属主要的合金元素含量高、效率高，非常适合锅炉膜式水冷壁管屏的堆焊。
我公司承接的哈尔滨锅炉厂的膜式壁管屏，要求在膜式壁管屏上面堆焊Inconel625镍基合金。
堆焊层的厚度为2mm，堆焊层稀释率＜5%，堆焊层镍含量≥62.5%。
由于堆焊层稀释率要求＜5%传统的堆焊方法很难保证，我公司采用福尼斯公司生产的CMT焊机，改变了传统的堆焊工艺，建立了堆焊生产线，从而保证了产品质量[1]。
1CMT焊接工艺特点1.1CMT与传统的MIG/MAG焊相比有三个显著的特点：送丝运动与熔滴过渡过程进行数字化协调；低热输入量，CMT技术实现了无电流状态下的熔滴过渡；无飞溅过渡，在短路状态下焊丝的回抽动作帮助焊丝与熔滴分离。
1.2CMT焊较普通MIG/MAG焊的优势：引弧可靠迅捷，引弧的速度是迄今为止的两倍，在非常短的时间内即可熔化母材；CMT焊弧长控制更精确，电弧更稳定，普通MIG/MAG焊在焊接过程中，焊丝干伸长改变时，焊接电流会增加或减少。
伏能士cmt 冷金属过渡工艺
伏能士cmt 冷金属过渡工艺哎呀，说起伏能士CMT（冷金属过渡）工艺，这可真是个技术活儿，得慢慢道来。
你知道的，焊接这事儿，听起来简单，不就是把两块金属给粘一块儿嘛，但实际操作起来，那可是一门大学问。
记得有一次，我去了一个朋友的工厂，他们那儿正忙着搞焊接。
我那朋友是个老焊工，手艺那是没得说。
那天，他给我展示了他们新引进的伏能士CMT工艺，说是这玩意儿能提高焊接质量，还能降低成本。
我看着他操作，那叫一个细致。
首先，他得把那金属板给固定好，不能有一丝一毫的晃动。
然后，他拿起那焊枪，开始预热。
这预热可有讲究，温度得控制得恰到好处，太高了金属会烧坏，太低了又焊不牢。
预热完了，他就开始焊接了。
这CMT工艺，最神奇的地方就是那冷金属过渡。
你看，他一边焊接，一边用那焊枪头轻轻触碰焊缝，就像是在给金属做按摩似的。
这冷金属过渡，其实就是在焊接过程中，让焊缝始终保持在一个较低的温度，这样可以减少热影响区，避免金属结构的变化。
我看着他那专注的样子，真是佩服。
他告诉我，这CMT工艺还有个好处，就是焊接速度可以提高，而且焊缝更加平滑，没有那些难看的焊渣。
我看着那焊缝，确实，比我以前见过的焊接要干净多了。
焊接完成后，他还得检查一遍，看看有没有漏焊或者焊缝不均匀的地方。
这可是个细致活儿，得用放大镜一点一点地看。
我看他那认真的样子，心想，这焊接，还真不是随便哪个人都能干的。
最后，他满意地点了点头，说这焊接质量没问题。
我看着那光滑的焊缝，心想，这伏能士CMT工艺，还真是名不虚传。
所以啊，伏能士CMT工艺，不仅仅是一项技术，更是一种艺术。
它需要焊工的精湛技艺和对细节的极致追求。
下次你看到那些精美的焊接作品，别忘了，那背后可是有着像我朋友这样的焊工，用他们的双手和智慧，一点一滴地打造出来的。
激光深熔焊接运动熔池的动力学行为数值分析
激光深熔焊接运动熔池的动力学行为数值分析张建斌;张健;樊丁;黄健康【摘要】针对连续激光深熔焊接,考虑表面张力、气化压力、浮力和液固之间内部作用力,以及熔池内层流、辐射和气液界面传热传质等因素,建立连续激光深熔焊接激光热源随熔深变化的自适应模型和小孔填充模型,并对熔池的深度、温度分布、流场分布以及相同焊速、不同功率下小孔的动态演变过程进行分析.结果表明:运动熔池形成过程中,焊速为0.08 m/s,功率分别为1 600、2 000、2 400W,焊接时间t ＜7.2 ms时,小孔深度随时间成线性增长,当焊接时间t＞7.2 ms时,小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定;随着激光光束的移动,熔池金属绕过小孔,从小孔前部熔池流向后部形成环流,凝固形成“鱼鳞状凝固线”.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2015(041)002【总页数】5页(P22-26)【关键词】激光小孔;VOF;气化压力;动态演变【作者】张建斌;张健;樊丁;黄健康【作者单位】兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TG456.7连续激光深熔焊接其本质是存在小孔效应的焊接过程,其动态演变过程(形成、维持、闭合)对焊缝深度以及焊接质量有着决定性的影响.熔池中出现小孔时,小孔与熔池相互影响,小孔形状和尺寸的改变直接影响到熔池中流体流动和传热过程；而熔池液态金属流场与温度场[1]也反过来影响小孔的形状与尺寸.目前对激光深熔焊接小孔行为、熔池流动的观察以及实验[2],国内外研究人员多采用高速CCD摄像、X射线[3]、可听声监测等试验手段来研究小孔和熔池的耦合行为,但这些实验手段并不能获得全面有效的小孔及熔池内部的流场、压力场及温度场数据.因此,建立合适的综合数学模型,通过数值模拟的手段获得小孔壁面和熔池内部的能量、密度、温度、压强、速度等物理量分布以及小孔实时形貌,对于探讨激光焊接的本质以及有关物理现象具有重要的科学意义.基于小孔内部等离子体对激光热量的反韧致辐射吸收和小孔壁面Fresnel吸收机制,旺任凭[4]、庞盛永[5]等人运用反射吸收热源模型,该方式能很好地描述激光与材料的传热,但是没有考虑等离子体对激光光束的吸收以及等离子体温度对激光吸收率的影响.激光深熔焊接过程中熔池流动和传热行为对焊接过程的稳定性及最终的焊缝质量有着重要的影响.Graf等人[6]研究了动态偏振技术对焊缝表面成形的影响.Arata等人[7]为了观测熔池内部流场情况,采用示踪元素钨对焊接过程中熔池内部流场进行实例性的呈现,该方法首先将钨元素预置于工件上表面,焊接过程中利用X射线高速成相观察钨元素在熔池内部的流动行为.山东大学张涛等人[8]针对穿孔等离子弧焊的工艺特点,建立了随小孔深度动态调整的组合式体积热源模式,考虑了等离子焊接电弧的挖掘作用而形成的倒喇叭状焊缝形貌的特点,描述了等离子弧沿工件厚度方向的热作用,推导了热源深度随小孔深度动态调整的自适应模型.本文在考虑了气化压力、表面张力、Boussinesq浮力、液固之间的内部作用力、对流、热辐射以及气液界面的传热与传质等影响因素,应用了连续激光深熔过程中热源深度随小孔深度动态调整的自适应模型,预测了熔池温度场、流场分布以及小孔形貌的动态演变.采用激光热源随熔深变化的自适应模型,如式(1,2)所示,能实时追踪小孔深度并动态调整热源的深度[9],且能量服从高斯热源分布.假设等离子体的反韧致辐射吸收为常数,不考虑辐射、对流等因素引起的热量损失,计算小孔剖面的形状.式中：R0为激光有效半径；H(t)为随时间变化的小孔深度值；η为激光吸收效率；Q为激光的有效吸收功率.焊接过程中小孔达到动态平衡状态时,小孔壁面所受合力为零,小孔表面受力分析如图1所示,则法向上受力平衡关系如式(3)所示[10]：式中：pa为表面张力引起的附加压力,pg为金属蒸气产生的气化压力,pl为重力引起的液体静压力,pc为向心力产生的压力,pā为表面张力.金属蒸汽气化压力如式(4)所示[11]:式中：P0为大气压力；ΔHlg为气化潜热；Tlg为气液平衡温度.大量实验研究表明：在合理的激光焊接参数下,焊接接头任意截面上的焊缝组织、性能及热影响区形貌相差不大,可以达到一个相对稳定的状态,因此在建立模型之前先做如下假设：1) 焊接过程为准稳态过程；2) 不考虑熔池与气体之间的化学反应；3) 流动方式为层流；4) 除浮力项中密度可变外,不同状态下的物相密度为常数.描述熔池、小孔传热和流动的控制方程包括能量、动量和质量守衡方程.采用焓、孔隙度法来处理焊接过程中凝固熔化问题.在计算区域内的每个单元,每一步迭代中,采用热焓平衡法计算液相体积分数来估算液固界面.定义材料的热焓为式中：href为参考焓,Tref为参考温度,T为温度,CP为比热容,β为液体体积分数,Lm为熔化潜热.能量方程为式中：t为时间；ρ为密度；v为流体速度矢量；k为热导率；Sv为源项.描述熔池流体流动的动量方程和连续行方程为式中：μ为黏度,p为压力,S为动量方程源项.当激光热量作用于工件表面时,随着熔池的形成且不断扩大,在气化压力的作用下形成小孔,同时熔池和小孔的相互作用影响温度场和流场的变化.焊接过程中采用VOF对熔池的气液界面进行追踪,液体体积分数记为φ(x,y,z,t),流体体积分数控制方程为气相边界条件如图1所示，图中AB和BC为outflow,O1A为喷嘴(保护气体的入口),喷嘴半径为1.5mm,保护气体流量为40L/min,速度为0.1m/s,初始条件为O1O2为对称边界条件,对称边界条件如式(11、12)所示:图1中CD为壁面边界,位于工件外表面,考虑壁面对流散热的损失，可表示为式中：n表示法向矢量,αcr是因对流和辐射而散失的热流密度.实验材料为304L不锈钢,其物性参数如表1所示[12].利用CO2激光器进行模拟焊接,光束半径为0.25 mm,激光功率分别为1.6、2.0、2.4 kW,计算时采用正六面体有限差分网格,网格尺寸0.1 mm×0.1 mm×0.1 mm,母材尺寸10 mm×4 mm×6 mm,时间步长设置为1×10-6s.图2给出了焊接速度为0.08 m/s,焊接功率为2 000 W,光斑直径为0.5 mm时,激光深熔焊时模拟小孔形貌和实验结果对比.图3所示为激光功率分别1.6、2.0、2.4 kW、焊接速度0.08 m/s时小孔深度随时间变化曲线.结合图3，并根据当前工艺条件下小孔深度的变化趋势，可以将焊接过程分为3个特性阶段：在第1阶段小孔深度成线性增长；第2阶段小孔深度振荡增长,此时的增长速度比第1个阶段要慢,且随着焊接时间的增长越来越慢；第3阶段小孔深度的平均值趋于稳定,但伴随着高频振荡过程.从图3看出,第1阶段的持续时间非常短,持续时间大约为7.2 ms,第2、3阶段由于小孔内部受热不均,小孔壁面上受到的气化压力不能与表面张力以及金属液体的冲击力保持平衡,因此小孔开始出现振荡.这个小孔形成的模拟结果与X射线实验结果[13]在数量级上大致吻合.图4为小孔的动态演变过程.从图4可以看出,当焊接时间达到7.2 ms左右时,小孔深度的平均值趋于稳定,而在时间t=14.1~26.5 ms的焊接过程中,由于小孔壁面的受力不平衡,导致小孔深度值不稳定.由于激光中心温度比其他位置温度高得多,而且小孔前壁倾角比小孔后壁大一些,这使得激光束移动过程中大部分激光束照在小孔前壁面上,当气、液界面温度高于3 200 K时,在小孔的前壁面发生强烈的气化,熔池前部熔化的金属在气化压力的作用下向熔池后部流动.预置碳化钨薄片于试件表面进行焊接实验,形成的焊缝横截面钨元素分布情况如图5所示.根据焊接实验结果建立连续激光深熔焊小孔填充模型,即第4阶段小孔填充模型.由于激光光束向前移动,熔池后沿温度降低,受到气化压力的作用减小,小孔前沿液态金属向后流动,导致小孔后沿液态金属沿孔壁向上流动,熔池后部(如图6中B 区)金属向下流动形成环流区,液态金属凝固形成向下凸起的“鱼鳞状凝固线”横截面形貌.图7所示为小孔壁面φ(x,y,z,t)=0.5时,小孔后部熔池纵、横截面流场.从图中可以看出,在小孔后壁边沿液态金属沿着小孔壁向上流动,推动熔池边缘附近液态金属从熔池表面流到熔池底部,使得熔池上部环流扩展到熔池底部,且在扩展过程中流速逐渐减小.距离小孔壁面越近，熔池温度相对越高,则流速越大,并受到热传导和对流等因素的影响,熔池金属凝固形成“鱼鳞状凝固线”[15].综合以上分析可知,在熔池形成的各个阶段,小孔壁面周围液态金属受气化压力作用明显,同时也是驱动熔池内部液态金属运动的主要驱动力.1) 连续激光深熔焊接过程中,当焊接时间达到7.2 ms左右时,由于小孔壁面受力不平衡导致小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定；2) 基于焊缝横截面钨元素分布,建立了小孔填充模型.小孔前部熔池金属在气化压力的作用下绕过小孔向熔池后部流动,形成局部环流,并受到对流和热传导等因素影响,导致液态金属凝固形成“鱼鳞状凝固线”.【相关文献】[1] 樊丁,霍宏伟,石玗,等.不锈钢薄板TIG焊三维熔池数值模拟与测量 [J].兰州理工大学学报,2013,39(6):19-23.[2] 晏丽琴,樊丁,黄勇,等.耦合电弧对AA-TIG焊接熔深的影响 [J].兰州理工大学学报,2010,36(2):21-25.[3] MIZUTANI M,KATAYAMA S.Keyhole behavior and pressure distribution during laser irradiation on molten metal [C]//Proceedings of the 22nd international congress on applications of lasers and electro-optics,Jacksonville,2003,LIA,Jacksonville,FL,Section A-Welding,2003:25-36.[4] 旺任凭,雷永平,史耀武,等.基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用 [J].激光技术,2011,35(1):31-35.[5] PANG Shengyong,CHEN Liliang.A three-dimensional sharp interface model for self-consistent keyhole and weld pool dynamic in deep penetration laser welding [J].Joural of Physics D:Applied Physics,2011,44(18):205-301.[6] GRAF S,STAUPENDAHL G.Generation of a dynamic polarized laser beam for applications in laser welding [J].Journal of Applied Physics,2010,22(2):43102-43106. [7] ARATA Y,ABE E,FUJISAWA M,etal.A study on dynamic behaviors of electron beam welding(report I):The observation by a fluoroscopic method [J].Transactions ofJWRI,1976,5(1):1-9.[8] 武传松,张涛.穿孔等离子弧焊接热场和流场的数值模拟 [J].焊接学报,2011,32(7):87-90.[9] ZHAO Haiyan.Modelling of keyhole dynamics and porosity formation considering the adaptive keyhole shape and three-phase coupling during deep-penetration laser welding [J]. Journal of Applied Physics,2011,44(13):1-14.[10] 钟磊.基于VOF算法模拟EBW匙孔移动过程的研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.[11] JIN X,LI L,ZHANG Y,etal.A study on fresnel absorption and reflections in the keyhole in deep penetration laser welding [J].Joural of Physics D:Applied Physics,2002,35(13):2304-2310.[12] PANG S,CHEN L,YIN Y,etal.Three-dimensional simulation transient keyhole evolution during laser keyhole welding [C]//Photonics and Optoelectronics Meetings2009.International Society for Optics and Photonics,Wuhan:Industry Lasers and Applications,2009:75150T(1-10).[13] LEE J Y,SUNG H K,FARSON D F,etal.Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding [J].Joural of Physics D:Applied Physics,2002,35(13):1570-1576. [14] 石铭霄,张秉刚,马纪龙,等.基于视觉传感的电子束深熔焊焊缝表面成形的预测 [J].焊接学报,2011,32(12):1-5.[15] ZHANG Binggang,SHI Mingxiao,CHEN Guoqing,etal.Detection d processing of molten-pool image of electron-beam deep-penetration welding based on visual sensing [J].China Welding,2011,20(4):17-21.。
CMT焊接技术
珠海福尼斯焊接 2008
CMT方法的应用-钎焊
z 角接或搭接 z 热浸镀锌板或阳极处理的板材 z 板厚 1 mm z 焊接速度 1.10 m/min (43,31“/min) z CMT-钎焊适于各种位置
珠海福尼斯焊接 2008
CMT方法的应用
零件部分: 母材: 填充金属: 焊接速度: 焊接位置:
珠海福尼斯焊接 2008
CMT焊较普通MIG/MAG焊的优势:
z CMT钎焊
MIG – 钎焊 脉冲电弧
ＣＭＴ钎焊
CMT钎焊的热量可 比MIG钎焊降低2030%，变形大大减 少，均匀一致的焊 缝，并且没有飞溅, 也减少了焊后返工 的几率。
焊接速度 = 150cm/min 焊接电流 = 103 A 焊接电压 = 19,8 V 送丝速度 = 6 m/min
防火门 渡锌板 Gusi3 1.0mm 100cm/min PG
珠海福尼斯焊接 2008
CMT方法的应用
零件部分: 母材: 填充金属: 焊接速度: 焊接位置:
排水管 渡锌板 0.5mm Gusi3 1.0mm 190cm/min PB
珠海福尼斯焊接 2008
CMT方法的应用
零件部分: 母材: 填充金属: 焊接速度: 焊接位置:
焊缝的正面
焊缝的背面
0 Pulse
1 Pulse
3 Pulses
5 Pulses
焊缝的截面
7 Pulses
珠海福尼斯焊接 2008
CMT系统可以实现多种电弧过渡方式
z Fronius CMT焊接系统同著名的 全数字化MIG/MAG焊机一样,是 采用数字DSP技术，除具有CMT 电弧焊接方式外，也可实现短路 电弧、喷射电弧和脉冲电弧的过 渡方式。一套系统四种电弧方式 的应用，可同时满足多个场合的 焊接需求
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CMT焊接熔滴过渡动态过程模拟与熔池流
体动力学行为
作者：胡庆贤
来源：《焊接》2013年第01期
1项目简介
CMT焊接创新地将送丝运动与熔滴过渡结合，实现了低热输入、无飞溅的熔滴过渡，焊
接过程是高频率的“热—冷”交替过程。研究针对CMT焊接这种独特的熔滴过渡过程，通过流
体动力学方法对CMT熔滴过渡动态过程进行模拟，定量分析焊接工艺参数对熔滴过渡动态过
程的影响规律；建立CMT焊接熔池温度场和流场的三维非稳态模型，定量分析浮力、电磁
力、表面张力、熔滴冲击力，以及相变潜热及其综合作用对焊接温度场、速度场和熔池形态的
影响；分析CMT各焊接工艺参数对熔池流体动力学行为的影响规律，建立焊接工艺参数与焊
缝形貌、过程热参数之间关系的数学模型。基于上述研究，针对CMT熔深浅的缺点，研究增
大熔深的方法并开展熔滴过渡与熔池流体动力学行为的理论研究。此研究旨在掌握CMT熔滴
主动过渡的规律与机理，为实现主动熔滴过渡的焊接智能控制提供理论基础和基础数据，具有
重要的学术价值和实际意义。
2研究成果
（1） 完成了焊接多信息测试系统平台的搭建，进行了CMT焊接试验，同步测试了熔滴
过渡动态过程与焊接电参数。
（2）建立了CMT熔滴过渡动态过程的数学模型。结合CMT焊接“引弧—短路—回抽—
过渡”的实际特点，在考虑熔滴的表面张力、重力、电磁收缩力、等离子流力及焊丝回抽附加
机械力的基础上利用VOF方法建立了熔滴过渡过程的数值分析模型。
（3）分析了焊接工艺参数对熔滴过渡动态过程的影响规律。
CMT熔滴过渡是通过焊丝机械回抽方式来帮助熔滴脱落，工艺过程可以被精确控制，因
而其短路过渡周期恒定，不再受随机变量的影响，一个熔滴过渡大概需要14.31 ms，过渡频率
大概为70 Hz。
（4）建立了CMT焊接过程温度场的三维非稳态有限元分析模型，计算结果和测试结果的
二者吻合良好，验证了所建模型的合理性。
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（5）根据CMT焊接特点，利用NavierStokes方程和连续性方程，建立了计算CMT流场
的计算模型，在模型中充分考虑了焊接熔池中液态金属所受的电弧力、表面张力、重力、热流
量等的共同作用。
（6）分析了CMT各焊接工艺参数对熔池流体动力学行为的影响规律。焊接过程中焊丝的
周期性回抽作用对熔池流场产生较大的影响，在熔池中形成周期性的震荡作用，改善了焊接质
量。
（7）建立了焊缝形貌数据（熔宽、熔深和余高）的BP神经网络预测模型，能方便地预
测出焊缝形貌数据。
3研究成果
已发表论文：胡庆贤，王顺尧，王艳辉. Process disturbances monitoring and recognition of
shortcircuiting GMAW by fuzzy cmeans system[J]. China Welding， 2011，20（4）： 28-33.
收稿日期：2012-12-20
胡庆贤简介： 1976年出生，博士，副教授；主要从事焊接数值模拟与仿真方面的科研和
教学工作；在研项目6项，已发表论文30余篇；huqingxian@hit.du.cn。