《机械工程学报》英文版2004年第17卷第3期目次摘要预告

焊接熔滴过渡光谱信息的获取与模式识别韩国明 何雨 云绍辉 李俊岳(天津大学材料科学与工程学院 天津 300072)为了对各种熔滴过渡形式进行识别,利用熔滴过渡光谱信息模式识别系统,采集了熔化极气体保护焊(MIG、MAG、CO2)五种熔滴过渡形式的光谱信号作为样本。通过计算机进行预处理,创造性地提取了多个熔滴过渡光谱信号波形关键性的特征,建立了判别法则和最小距离分类器。结果表明,此方法可成功地对各种熔滴过渡形式进行模式识别,     

以电弧光谱信号传感MIG/MAG焊熔滴过渡的工艺适应性

熔滴过渡控制的实现，取决于获得宽工艺适应性的熔滴过渡传感信号。通过试验，获取了熔化极气体保护焊电弧，在不同熔滴过渡形式下的光谱分布、谱线信号的时域波形和频域特征。对试验结果的分析表明，电弧光谱信号在上述诸方面均表现出对不同熔滴过渡形式的适应性，是一种有潜力的高品质熔滴过渡信号源。     

熔滴过渡光谱传感与控制的研究

焊接电弧光谱是一个丰富的信息源,电弧的各种物理过程都能在电弧光谱中体现,利用电弧光谱信息能很好地检测和控制脉冲焊熔滴过渡。对电弧光谱辐射情况和对光辐射和接收系统进行了深入的研究和分析,抛弃了一般特征光谱检测设备所必需采用的光谱仪和复杂的光路系统,选用干涉滤光片,选择光谱窗口,设计并制作小型光谱传感器。对喷射过渡过程进行了熔滴过渡检测,利用光谱信息实现了脉冲焊熔滴过渡精确控制为焊接过程精确控制提供了一种新的方法和手段。     

脉冲MIG焊熔滴过渡控制的新进展

介绍脉冲MIG焊（熔化极惰性气体保护焊）熔滴过渡控制的发展现状,分析了现有控制法存在的局限性,阐述一种最新的控制法—熔滴过渡光谱控制法的原理、优越性及其进展。指出这方面的发展趋势。电弧光谱信号在反映脉冲MIG焊熔滴过渡方面有很大的优越性,其信号品质和灵敏度远胜过以往的信号。相应的光谱控制法已在实验室成功地实现了脉冲MIG焊1峰0基的精确控制,并可能推广用于2峰0基、3峰0基的控制,甚至推广用于连续电流焊条件下熔滴过渡的控制中,工艺适应性宽,前景广阔。     

电弧填丝增材制造过程熔滴射滴过渡特征及其对熔滴沉积成形的影响

基于脉冲GMA电弧检测了电弧填丝增材制造过程中与熔滴过渡相关的电弧电流、电弧电压和声发射信号,研究了电弧脉冲作用下的铝合金熔滴射滴过渡特征,提出了一种可对处于射滴过渡模式下的熔滴尺寸、电弧力和熔滴沉积率进行计算的方法,并分析了沉积层的成形质量特征。研究结果表明,利用检测获得的电弧电压、电弧电流信号和声发射信号可以对处于射滴过渡模式下的熔滴过渡过程及其特征进行区分。在本研究条件下,作用在过渡熔滴上的电弧力随电弧功率增加而递增。电弧力的增加将限制熔滴尺寸的增大,从而在电弧功率递增时呈现熔滴尺寸的递减和熔滴过渡频率的递增。同时,电弧功率增加,使热输入增大,射滴过渡熔滴对熔池的冲击增强,容易造成熔滴过渡形成的沉积层坍塌,从而使熔滴沉积层高度递增的趋势减缓,形成的沉积层显微组织明显粗化。     

双电极焊条熔滴过渡的特点及形式

用激光背光高速摄像系统研究了双电极焊条的熔滴过渡，阐述了双电极焊条熔滴过渡的特点，基于试验结果，总结了双电极焊条熔滴过渡的各种形式。双电极焊条单弧焊，工件不接电源，熔滴的过渡方向与电流方向不同，电弧对药皮的加热易于使焊芯两边药皮产生滞熔，形成两边尖中间凹的套筒形状，从而有利于熔滴以渣壁过渡形式过渡。钛钙型双电极碳钢焊条和不锈钢焊条具有渣壁过渡、喷射过渡和爆炸过渡等多种过渡形式，以细熔滴渣壁过渡为主，而石墨型堆焊焊条主要以粗熔滴渣壁过渡为主。     

激光功率对CO2激光-MAG电弧复合焊电弧与熔滴行为的影响

采用高速摄像系统观测熔滴过渡模式和等离子体形态的变化,并采集焊接过程中的电弧和熔滴图像,利用电弧分析仪记录电弧信号,通过试验深入研究激光功率对CO2激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas,MAG)电弧复合焊接的电弧形态、焊接稳定性、熔滴过渡频率的影响。研究表明,焊接电流的增加减小了实际热源间距,并且实际热源间距在2 mm附近效果最佳;带电粒子在主辅导电通道内的运动产生扰动或漂移、焊接模式的跳变和过渡模式的改变是电流、电压波形出现紊乱和尖角波形的主要原因;激光的加入降低了熔滴过渡频率和过渡稳定性;焊接电流为160A、180 A时,激光-电弧复合焊接的熔滴过渡频率均随着激光功率的增加而先减小后增大,但其过渡频率介于160 A和180 A电弧焊接时熔滴过渡频率之间。     

短路过渡CO2焊接熔滴形状数值模拟与控制

为了进一步提高短路过渡CO2气体保护电弧焊的工艺性能和焊接质量,根据高速CCD摄像获得的熔滴及其短路过渡图像,分析了熔滴与熔池短路前的形状对熔滴与熔池的短路、熔滴在熔池中的铺展及液桥缩颈形成的影响.采用熔滴静力平衡模型研究了电磁力(燃弧电流)、表面张力、重力与熔滴形状的关系,并通过对燃弧电流的精确控制实现了对熔滴形状的有效控制.当熔滴与熔池短路前为细长形状时,短路过渡过程稳定柔顺,而当熔滴为扁平形状时,则不利于熔滴的短路过渡,甚至产生瞬时短路.燃弧阶段的熔滴形状体现了各种力对熔滴的作用,而电磁力(燃弧电流)是决定熔滴形状的主要因素.根据燃弧电流对熔滴形状的影响规律,提出了采用前期大、后期小的燃弧电流控制原则,以在燃弧的不同阶段获得不同的熔滴形状.试验结果表明该控制方法获得了良好的适合于熔滴短路过渡的短路前熔滴形状,短路过渡过程柔顺稳定,消除了瞬时短路以及由此导致的飞溅,改善了熔滴的短路过渡行为,短路过渡结束后焊丝端部的残余液态金属具有良好的一致性.     

不同波长激光对激光—MAG电弧复合焊接熔滴行为的影响

通过计算分析了金属对Nd：YAG激光和CO2激光的吸收率;以8.0mm厚高强钢板为试验材料,采用高速摄像系统观测熔滴过渡模式和等离子体形态的变化.建立脉冲MAG焊接熔滴力学模型,从熔滴受力角度分析了不同波长两种激光YAG激光和C02激光在激光—MAG焊接中对熔滴过渡形式和熔滴过渡频率的影响.结果表明,Nd：YAG激光和CO2激光输出特性存在差异,金属表面对YAG激光的吸收率约为CO2激光的3倍多;在焊接电流180A、焊接电压26V、光丝间距3mm的相同条件下,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率高于CO2激光—MAG电弧复合焊接的熔滴过渡频率,且熔滴过渡频率均随着激光功率的增加而降低,但是增加等量的激光功率,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率下降幅度更大;CO2激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴的过渡形式由射滴过渡转变为颗粒过渡,在YAG激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴过渡形式主要为射滴过渡.     

激光+双丝脉冲MAG复合焊的焊接稳定性

研究激光和Ar+He混合气体中He气体体积分数对激光+双丝脉冲MAG复合焊焊接稳定性的影响。搭建激光+双丝脉冲熔化极活性气体保护(Metal active-gas, MAG)复合焊焊接系统,利用LabVIEW信号采集系统采集焊接电流和电弧电压波形,借助高速摄像系统同步拍摄电弧形态和熔滴过渡过程,实时监测焊接过程。观察后丝短路和前丝断弧情况并对前丝电弧电压进行单因素方差分析,研究Ar+He混合气体中He气体体积分数对焊接稳定性影响;比较焊接过程中激光的有无对熔滴过渡的影响,分析激光对焊接稳定性影响。结果发现随着He气体体积分数增大,后丝对应短路次数增多,当He气体体积分数为50%时,前丝出现断弧现象,大于50%,断弧时间随之增加,焊接稳定性变差;激光+双丝脉冲MAG复合焊和双丝脉冲MAG复合焊相比,加入激光可稳定电弧,为熔滴提供一附加力,该力促进熔滴过渡,使熔滴过渡尺寸减小,加大过渡频率,改善熔滴过渡,提高焊接稳定性。     

ACQUIRING AND PATTERN RECOGNITION OF SPECTRUM INFORMATION OF WELDING METAL TRANSFER

In order to recognize various metal transfer modes, by the creation of a pattern recognition system for metal transfer mode, five kinds of spectrum signal in gas metal arc welding (MIG, MAG and CO2) are collected and taken as training samples. These samples are pretreated by computer. Several key characteristic parameters of the spectrum signal are creatively extracted, and a corresponding recognition function and a minimum-distance-classifier are constructed. The results show that using this method, the pattern recognition of several kinds of metal transfer mode for the metal gas arc welding can be done successfully. It has good accuracy and recognition precision, basis for controlling the metal gas arc welding metal transfer automatically, and relative important parameters in welding process, such as the frequency of droplet transfer and the approximate diameter of each droplet, can also be obtained.     

激光-MIG双丝复合焊电弧特性与熔滴过渡研究

利用搭建的激光-熔化极惰性气体保护(Metal inert-gas,MIG)双丝复合焊接系统进行焊接试验。在试验中,主要研究激光功率、送丝速度、光丝间距和离焦量等几个主要变量对复合焊接稳定性、电弧特性和熔滴过渡的影响规律。分别选取电弧电压变异系数、电弧偏转角、熔滴过渡方式及过渡频率作为评价参量对稳定性、电弧特性和熔滴过渡进行分析。研究发现,随着激光功率增加,电弧偏转角先减小后增加,在1 000 W附近偏转角最小,焊接过程最稳定。引导丝熔滴始终为粗滴过渡,而跟随丝熔滴为粗滴过渡+少量短路过渡,熔滴过渡频率呈现先增加后下降的趋势。在送丝速度为4 m/min时引导丝和跟随丝的电弧稳定性最好,电弧偏转角先减小后增加最终趋于稳定。在离焦量为–1 mm时,引导丝和跟随丝熔滴过渡频率均达到最大值,分别为8.6Hz和6.3Hz。     

双旁路耦合电弧MIG焊熔滴过渡受力分析

针对双旁路耦合电弧熔化极惰性气体保护(Metal inert gas,MIG)焊过程,使用高速摄像采集不同旁路电流下的熔滴过渡图像,通过图像处理提取熔滴过渡数据信息,并对熔滴所受的主要作用力进行定量计算。根据计算结果对比分析不同参数下熔滴受力的动态变化情况,研究旁路电弧对熔滴过渡的促进机理。结果表明,在焊接总电流较大的情况下电磁力对双旁路耦合电弧MIG焊熔滴过渡的影响最显著,旁路电弧可以促进熔滴上弧根面积的扩展和熔滴缩颈的形成,通过增加向下的电磁力来促进熔滴过渡,且旁路电流越大旁路电弧对熔滴过渡的促进作用越明显;在焊接总电流不变的情况下,随着旁路电流的增加熔滴过渡频率随之增加,熔滴尺寸随之减小,熔滴过渡形式逐渐由大滴过渡转变为喷射过渡。     

熔化极电弧焊熔滴过渡过程的高速摄影

建立了适合拍摄熔化极电弧焊熔滴过渡过程的高速摄影系统。介绍了在光路的设计、背光光源的选择、转向和分幅措施的采用及放大率、摄影频率的确定等方面应采取的措施 ,其结论对熔化极电弧焊熔滴过渡过程的高速摄影技术有较高的参考价值。     

考虑金属蒸汽的定点活性钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

建立包括钨极、电弧和阳极的定点活性钨极惰性气体保护(Activating tungsten inert gas,A-TIG)焊电弧熔池交互作用统一数学模型。通过麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解,得到了电弧和熔池的温度、等离子体运动速度、熔池流动速度、电弧压力、电势、电流密度和金属蒸汽分布等结果。因为在A-TIG焊中,熔池的内向流动造成了大量的热被传入到熔池底部,热量的利用率更高,导致焊接熔池的表面温度比TIG焊的表面温度要高,从而引起了金属蒸汽浓度的增加,所以考虑金属蒸汽的A-TIG焊的电弧等温线较考虑金属蒸汽的TIG焊的电弧等温线有一定程度收缩。结果表明,考虑金属蒸汽对A-TIG焊熔深的模拟结果具有一定的影响,熔深减小约6%,该结果与有关试验研究结果吻合良好。     

Impacts of external longitudinal magnetic field on arc plasma and droplet during short-circuit GMAW

In gas metal arc welding, electromagnetic force, plasma stream force, gravity, and surface tension are the most important factors that affect metal transfer and spatter generation rate. In this paper, different kinds of external electromagnetic fields were introduced to gas metal arc welding (GMAW). The photos of arc plasma and droplet and electric signals covering welding current and arc voltage were acquired synchronously by an analysis and evaluation system based on LabView for GMAW. It was confirmed that the metal transfer frequency was improved, and spatter generation rate was diminished under controls of external electromagnetic fields. The influencing rules of external electromagnetic fields on electromagnetic force, the gravity, the plasma stream force, and surface tension were studied by three physical models, and the mechanism of external electromagnetic fields was revealed. This paper is for the purpose of discussing these factors and will make a profit for the application of electromagnetic coupling control to short-circuit GMAW.     

GMAW电弧声的参数化模型及应用

以焊接质量在线监控为目的,针对短路过渡气体保护焊(GMAW)电弧声信号进行了时域和频域特征分析,提出电弧声道的概念,建立其参数化等效电气模型。利用线性预测(LPC)模型参数构造径向基函数(RBF)神经网络输入样本空间,对焊接保护气流量不足进行了在线模式识别。研究认为：电弧声呈现振铃形信号,主要发生于短路结束再引弧时刻,大部分能量分布在10 kHz以下频带。电弧声源于电弧能量变化,电弧及其周边的物理和几何形态形成分布参数的声道系统。电弧声是声源和声道共同作用的结果,其频谱主要取决于声道的作用。声道可用时变系数的数字滤波器等效,LPC是其参数化模型的一个估计,在焊接质量在线监控方面具有应用价值。     

脉冲旁路耦合电弧MIG焊的动态数学建模及过程控制

脉冲旁路耦合电弧熔化极惰性气体保护(Metal inert-gas, MIG)焊是一种新型的低热输入焊接方法,它通过特定的接法引入旁路电弧与主路电弧实现热、力的耦合,利用旁路电弧的分流作用,实现熔化母材热量与熔化焊丝热量的独立控制,从而在精确控制母材热输入的同时保证熔滴的自由过渡形式,可以实现铝-钢等异种金属的连接。为了理论分析不同焊接参数对焊接过程的影响,通过等效、线性化处理与迭代数值求解算法,建立可以正确描述焊接物理过程的动态数学解析模型;针对焊接过程中耦合电弧稳定性较差且直接影响焊接质量的问题,提出通过检测弧压波动的反馈信号、实时调节送丝速度、进而控制耦合电弧稳定性的闭环控制方案,并基于快速原型系统进行焊接过程控制仿真与试验。仿真结果表明,当焊接过程受到干扰后,采用闭环控制方案可以显著提高耦合电弧的稳定性;焊接试验证明了控制仿真的预测与分析,进行闭环控制后,焊接过程更加稳定同时得到了成形良好的铝-钢异种金属接头。     

Effects of Active Gases on Droplet Transfer and Weld Morphology in Pulsed-Current NG-GMAW of Mild Steel

The current research of narrow-gap gas metal arc welding (NG-GMAW) primarily focuses on improving the sidewall fusion and avoiding the lack-of-fusion defect.However,the high cost and operation difficulty of the methods limit the industrial application.in this study,small amount of active gases CO2 and O2 were added into pure argon inert shield-ing gas to improve the weld formation of pulsed-current narrow-gap gas metal arc welding (NG-GMAW) of mild steel.Their effects on droplet transfer and arc behavior were investigated.A high-speed visual sensing system was utilized to observe the metal transfer process and arc morphology.When the proportion Of CO2,being added into the pure argon shielding gas,changes from 5％ to 25％,the metal transfer mode changes from pulsed spray streaming transfer to pulsed projected spray transfer,while it remains the pulsed spray streaming transfer when 2％ to 10％ O2 is added.Both CO2 and O2 are favorable to stabilizing arc and welding process.O2 is even more effective than CO2.However,O2 is more likely to cause slags on the weld surface,while CO2 can improve the weld appearance in some sense.The weld surface concavity in NG-GMAW is greatly influenced by the addition of active gas,but the weld width and weld penetration almost keep constant.This study proposes a new method which is beneficial to improving the weld bead formation and welding process stability.