GMAW短路过渡焊接熔池的视觉检测

针对GMAW短路过渡焊接过程的熔池视觉检测,采用普通工业CCD摄像机,通过光谱分析选择窄带复合滤光器。设置了CCD摄像机曝光时间,分析短路过渡电压波形,确定了CCD摄像机采集时刻并设计了短路检测及CCD摄像机外触发电路,准确地将CCD摄像机的曝光时刻定位于短路过渡阶段。提出了正前方小角度和正后方大角度的图像采集方式。结果表明,采用以上图像采集方案,利用普通工业CCD摄像机可拍摄到连续清晰且不失真的熔池图像。并设计了图像处理算法,提取出完整的熔池边缘。     

熔池表面变形对电弧行为特征的影响

在电弧与熔池统一模型的基础上研究熔池上表面变形对电弧行为特征的影响。用本模型计算出的平坦熔池表面电流密度和热流密度的分布与试验结果显示了很好的一致性。而变形熔池表面的电流密度和热流密度分布则不再符合近似的高斯分布。这就为下一步研究电弧和熔池的工作提供了基础。     

旋转电弧GMAW焊接工艺

采用Q235低碳钢板,研究了旋转电弧GMAW焊接旋转频率和焊接速度两个工艺参数对焊缝成形及组织性能的影响. 结果表明,焊接过程中飞溅随着旋转频率的增加而增多,焊缝成形不美观,当旋转频率大于70 r/min,熔滴短路过渡飞溅显著增大,焊接过程不稳定,焊接速度对飞溅影响不大;焊缝余高随旋转频率的增加先增大后维持一定值,随着焊接速度的增加而减小;旋转频率和焊接速度对焊缝熔宽的影响很小;焊缝截面积不随旋转频率改变而改变,但随着焊接速度的增加而减小;焊缝鱼鳞纹间距与旋转频率成反比,与焊接速度成正比.     

GMAW短路过渡动态模型的建立

从全系统的角度建立了短路过渡GMAW系统的动态模型.在研究了短路过渡GMAW过程各物理量相互关系的基础上,在一定的条件下,以焊接回路模型为主体,进行了短路过渡GMAW过程全系统的动态模型建立,其中的液桥形状动态模型则采用了能量最小原理.在建立的动态模型基础上进行了仿真计算和误差分析,并进一步与实际的焊接过程进行了比较.     

GMAW短路过渡液桥形状动态模型

GNAW(熔化极气体保护焊)短路过渡中的液桥形状变化受诸多因素影响,是一个复杂的动态变化过程.基于能量最小原理,在一定的假设条件下,建立了GMAW短路过渡液桥形状动态变化的模型;结合焊接回路的动态模型,对液桥形状动态变化进行了仿真计算;并在此基础上,进一步进行了模型的试验验证和模型的误差分析.结果表明,建立的GMAW短路过渡液桥形状模型所描述的液桥轮廓动态变化趋势与试验结果比较吻合,实际焊接过程中的液桥形状还受到磁偏吹、焊接运动过程、熔池作用、保护气体流动等的影响,这些影响是造成液桥形状模型误差的主要因素.     

旋转电弧MAG焊强迫短路过渡电流信号滤波

研究了MAG焊旋转电弧V形坡口扫描焊接电流的变化特征,发现当电弧扫描到坡口两侧时,由于电极高度变小,会产生强迫短路熔滴过渡.在短路过渡的瞬间会产生较大的峰值电流,对旋转电弧传感器的检测灵敏度造成影响.为此提出了基于空间邻域的均值滤波和软阈值小波滤波组合算法,对实际焊接电流信号进行了滤波处理,并研究了该算法的实时性.结果表明,该算法可以使电流波形得到明显的改善,并具有较强的实时性,为焊枪偏差识别奠定了基础.     

CO2短路过渡焊接熔池三维瞬态数值模拟

考虑CO₂短路过渡焊接过程中的随机性,建立了考虑熔滴熔池短路时刻、熔滴初始大小等因素的熔滴自适应模型. 此外,采用非对称高斯热源模型来考虑电弧热流密度沿焊接方向的非对称性,结合附加源项法考虑电弧压力、电磁力和浮力,采用连续表面张力模型计算表面张力,采用VOF方法追踪熔池表面,采用焓-孔隙度法考虑熔化凝固过程中的糊状区的动量损失,建立了CO₂短路过渡焊接熔池的三维瞬态模型. 利用该数学模型计算6 mm厚低碳钢板的CO₂短路过渡焊接熔池的温度场和流场的瞬态发展,模拟和试验结果的短路间隔时间概率密度分布及焊缝成形吻合良好.     

基于Lyapunov指数刻画短路过渡GMAW的稳定性

基于不同焊接速度下短路过渡熔化极二氧化碳气体保护电弧焊的焊接电流时间序列,利用Takens相空间重构技术和Lyapunov指数的Wolf算法,分析评估了焊接系统的最大Lyapunov指数。结果表明,当焊接过程的稳定程度较高时,最大Lyapunov指数较小;而当系统处于不稳定状态、状态变动迅速时,最大Lyapunov指数相应较大;因此最大Lyapunov指数和焊接过程稳定性成负相关关系,可以将其作为刻画短路过渡熔化极二氧化碳气体保护电弧焊稳定性的一种新的量化指标。     

外加磁场下GMAW熔池电磁力的有限元计算

针对外加各种磁场作用下的GMAW堆焊过程,开发了基于电弧简化模型的熔池电磁力工程化有限元计算方法. 利用此方法,系统研究了无外加磁场、外加纵向磁场和横向磁场三种工况下熔池内电磁力的分布情况,并预测了电磁力对熔池对流的影响. 结果表明,焊接自有磁场驱动了熔池中心收缩下沉流;外加纵向磁场导致周向搅拌流,形成电磁搅拌细化晶粒;外加横向磁场可以驱动熔池流动演变为"单涡"对流状态,有利于熔池接纳熔滴减少飞溅. 基于模拟结果的预测与试验结果吻合,因此验证了所用计算方法的正确性.     

短路过渡GMAW系统动态过程参数的研究

从全系统的角度研究了短路过渡GMAW系统动态过程参数的内在联系.以焊接回路模型为主体,进行了短路过渡GMAW过程全系统的动态模型建立,并在此基础上讨论了焊接电流的变化影响到焊丝熔化速度的动态变化,并进一步影响到焊丝伸出长度和液桥高度的动态变化.     

GMAW短路过渡过程中瞬时短路现象的分析

对GMAW短路过渡过程中的瞬时短路现象进行了力学动态分析,建立了基于熔滴液体压力、电磁收缩力、表面张力的瞬时短路力动态平衡临界条件.通过微距高速摄影技术和图像处理技术,获得了熔滴半径的变化数据,并结合电信号分析.结果表明,计算所得数值所反映的短路进程状态和图像所示的完全吻合,认为瞬时短路力动态平衡临界条件真实有效.并进一步基于此临界条件分析了熔滴形态对瞬时短路的影响,认为熔滴和熔池接触瞬间的径向半径如果小于轴向半径,则接触处的径向表面张力所产生的压力大于零,瞬时短路开始且不可逆,即纺锤形熔滴易造成瞬时短路.最后对瞬时短路现象进行了分类和定量研究,并提出了瞬时短路现象的新的解释.     

Study on weld formation in a novel rotating arc horizontal GMAW

A novel rotating arc horizontal welding process was developed for solving the sagging of the molten pool which bottlenecks the application and the development of the horizontal welding. The principle of the effect of the rotating arc on the molten pool is that the rotating arc process not only can reduce the welding heat input by prolonging the welding path in the same welding distance caused by the arc rotation, but also disperse the arc force to affect the sidewall periodically to support the molten metal near the upper sidewall. The effects of the rotating speed and arc voltage on the weld formation were studied.The results indicate that there is an appropriate range of the rotating speed and the arc voltage to obtain the defect free horizontal welding.     

旋转电弧横向GMAW接头组织及成形特点

旋转电弧横向GMAW可以很好地控制横向焊接时熔池下塌.由于旋转电弧的引入,在相同焊缝长度以及速度下,焊丝运动的轨迹增加,这样就会降低焊接热输入,从而降低焊缝下塌的趋势;另一方面,由于电弧的旋转,使得原本只作用在坡口中心的电弧力分散在坡口内的各个区域,使得电弧力可以抵消上坡口附近熔池金属的重力,抑制其下塌.文中对旋转电弧横向GMAW接头组织及成形进行了研究,发现了由于电弧旋转所产生的接头成形不对称这一特点,并对其产生的原因及机理进行了阐述和分析.     

双电弧共熔池气保焊技术特点与发展现状

介绍双电弧共熔池气保焊技术的优点、系统组成、国内外发展的现状以及存在的技术难题，提出了采用交替脉冲解决磁偏吹现象的方案。     

Research on short circuiting transfer mode of ultrasonic assisted GMAW method

Abstract

Ultrasonic assisted gas metal arc welding (U-GMAW) has been recently developed to improve the metal transfer characteristics. The ultrasonic wave is applied on the metal transfer process by means of an acoustic field. Welding electrical signal measurement and high speed camera are employed to study the differences of short circuiting metal transfer between conventional GMAW and U-GMAW. Compared with the conventional GMAW, the short circuit frequencies of U-GMAW are obviously increased under the same welding parameters. Moreover, the voltage range of the stable short circuiting transfer is enlarged, and the weld appearances become more uniform with the action of the ultrasonic wave. The high speed video images indicate that the U-GMAW arc is compressed and the electrical field intensity is increased. The decrease in the arc length is the main reason for the increase in the short circuit frequency.     

受控短路过渡CO2焊焊接电流波形参数优化

对于波控短路过渡CO₂焊,电弧峰值电流I_pa,电弧基值电流I_ba以及由峰值电流切换到基值电流所用的时间(拖尾时间t_w)等电流波形参数是可调的,它们对过渡稳定性和焊缝质量具有很大影响,利用正交试验,对不同送丝速度下电流波形参数进行了优化.结果表明,电弧峰值电流的影响最大.送丝速度为320 cm/min时,电流波形参数I_pa,I_ba和t_w无论如何调整,飞溅率均在2.5%以上,焊缝表面质量差;送丝速度为360~400 cm/min时,最优电流波形参数为:I_pa=440 A,I_ba=50 A,t_w=0.6 ms.而在400 cm/min的送丝速度下,在宽广的电流波形参数范围内(I_pa为440~480 A,I_ba为30~50A,t_w为0.6~0.8 ms)均可获得飞溅率极低、焊缝表面质量好的稳定焊接过程.     

GMAW焊接熔池形状和表面变形的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型.利用Visual For-tran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接熔池形状和熔池自由表面变形的动态演变,并进行了对比试验.基于数值模拟和工艺试验结果,可以看出达到宏观准稳态时计算所得的焊缝形状尺寸与试验结果基本吻合,因此验证了所建模型和采用的计算方法是正确、可靠的.