变极性等离子弧焊接熔透信息的检测与分析

通过对铝合金3003变极性等离子弧穿孔立焊熔池振荡行为的研究,发现熔池振荡频率与焊接熔透之间的内在规律。在变极性电流的作用下,焊接熔池产生振荡,可以通过对电弧电压频谱分析获得熔池固有振荡频率。分别建立变极性等离子弧穿孔立焊未熔透及完全熔透熔池模型,并分析焊接电流的变化对熔池固有振荡频率的影响,发现焊接电流大小对其影响很小,可以忽略。为了验证该模型的准确性,进行理论与实测分析,结果表明,理论值与实测值相吻合。熔池固有振荡频率主要取决于熔池宽度、深度及材料密度等参数,而其他焊接参数对其没有直接影响。因此,熔池振荡频率可间接反映焊接熔透信息,为焊接质量自动控制提供了理论支持。     

新型柔性变极性等离子弧铝合金横焊技术研究

针对中厚板铝合金横向焊接的技术需求和瓶颈问题,开展变极性等离子弧穿孔横焊技术的研究。以8 mm厚铝合金板为研究对象,进行常规变极性等离子弧穿孔横焊试验,发现横焊穿孔熔池很难建立。通过横焊穿孔熔池受力计算、熔化金属流动分析,探究问题产生的原因。推导出熔池背面小孔临界半径与表面张力、电弧力和重力之间的关系式。当受力状态满足关系式时,小孔熔池才能闭合、形成焊缝。依据上述理论,提出柔性变极性等离子弧。该电弧在保证穿孔前提下,通过降低电弧压力,增大小孔临界半径,促进了穿孔熔池的稳定建立。利用该技术实现了8 mm板厚2219铝合金的穿孔横向焊接,接头成形优良。焊前预热和表面氧化膜刮削可大幅度降低横焊接头气孔缺陷。     

等离子弧焊接穿孔行为的声信号传感

使用高精度传声器采集穿孔型等离子弧焊接过程中的声音信号 ,围绕焊接过程中出现的“小孔效应” ,开展了等离子弧焊接熔透的声音信号传感方法的研究。结果表明 ,焊接过程中的声音信号在熔池的过渡阶段产生了剧烈的低频振动 ,与熔池的振动有关 ,说明声音信号的低频段分量中包含有熔池穿孔状态的信息。频域分析表明 ,声音信号的低频段分量 (0～ 10 0Hz) ,在熔池处于不同阶段时有明显的变化 ,熔池处于过渡阶段时其值大 ,穿孔后小 ,未穿孔时居中。据此 ,设计出了声音信号的A算法 ,用于识别焊接过程中熔池的穿孔状态 ,该算法可靠性较高 ,为等离子弧焊接熔透质量监测及闭环控制提供了前提条件     

基于区域生长算法激光深熔焊监测图像处理研究

根据同轴监测系统采集到的熔池和小孔的同轴视觉传感原始图像特点,分析了数字图像处理的方法并提出相应图像处理的流程。通过监测沿垂直速度方向熔池灰度分布实现了对熔宽的监测,通过对小孔顶部和底部尺寸的监测实现对熔透状态的监测。经过图像处理后的焊接区域同轴监测图像可以清晰的获得熔池轮廓及小孔尺寸,为实现焊接过程中熔池宽度和小孔的穿透状态的监测做准备。针对激光对接焊,提出焊缝跟踪的处理算法,不仅实现了焊接质量包括熔宽与熔透状态的监测,还实现焊接质量与焊缝跟踪一体化监测。     

基于视觉传感的GMAW熔透状态预测

熔透信息的实时获取是实现打底焊接自动化的关键环节之一,通过熔池形状特征预测熔透状态可为熔透信息的有效提取提供参考。鉴于焊工通过视觉观察熔池正面形状特征来对熔透状态进行实时判断,建立基于GMAW的双目视觉传感焊接试验系统。在不同焊接电流及焊接速度下开展打底焊接试验,在焊接过程中实时同步采集熔池正面与背面图像。基于熔池图像特点结合成熟的图像处理算法,提取熔池正面二维与三维形状特征参数以及背面熔宽信息,作为训练样本,以熔池正面形状特征参数作为输入量,以背面熔宽作为输出量。通过BP算法对神经网络进行训练,建立熔透状态预测模型,分析熔池正面形状特征参数与背面熔宽之间的映射关系。采用Garson算法计算出每个形状特征参数对于背面熔宽的权重系数。通过GMAW打底焊试验对熔透状态预测模型进行了验证,试验结果表明,建立的BP神经网络模型可以有效地预测焊缝的熔透状态。     

基于焊缝熔透检测的机器人深熔K-TIG焊接系统

开发了一套基于熔透检测的机器人深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接(Keyhole tungsten inert gas, K-TIG)系统,实现焊接高度(Contact tip-to-work distance, CTWD)自动调节与熔透状态的在线检测。利用电弧电压与焊接高度的对应关系,通过弧压传感器实时采集电弧电压信号并换算成焊接高度值,然后将实际高度值与预设高度值之间的差值经由过程控制对象连接与嵌入协议(OLE for process control, OPC)通信系统反馈给机器人控制系统,从而控制机器人实现焊接高度的自动调节。同时,构建了熔透检测系统,使用电荷耦合器件(Charge coupled device, CCD)相机采集熔池与小孔图像,从中提取熔池-小孔特征,并建立熔池-小孔特征与熔透状态之间的相关性,在此基础上建立识别熔透状态的反向传播(Back propagation, BP)神经网络,实现不同焊接高度下熔透状态的间接检测,最后根据该检测结果得到最佳的焊接高度。经过试验验证,整个系统可靠稳定,能准确检测焊缝的熔透程度,并实现焊接高度自动调节,从而提高了焊接质量。     

考虑小孔后向偏移的等离子弧焊接热过程模型

在穿孔等离子弧焊接过程中,背面小孔中心相对于焊枪轴线存在一定的偏移。深入研究小孔孔道后向偏移时所涉及的熔池与小孔瞬态演变行为和传热过程,对于优化以背面小孔中心偏移量为控制参数的控制方法,保证焊缝成形质量具有重要意义和实用价值。针对穿孔等离子弧焊接中小孔的形成特点,建立随小孔形状动态调整的组合式体积热源模型,并在热源模型中引入热源中心向后偏移的参量,间接反映背面小孔后向偏移对穿孔等离子弧焊接热过程的影响。在小孔形状方程中,增加等离子流后推力,间接描述等离子流对熔池流体的后推作用。利用建立的三维瞬态熔池与小孔的数学模型,分析等离子弧焊接过程中温度场和小孔形状的瞬时演变过程。将工件背面小孔形状尺寸和穿孔时间等模拟结果与试验结果进行对比,两者基本吻合,对所建立的数学模型进行验证。     

铝合金MIG焊正面熔池图像视觉传感与处理

建立了铝合金脉冲MIG焊熔池图像检测CCD视觉传感系统。应用窄带滤光的方法成功地解决了强弧光干扰，通过大量试验，在获取清晰焊接熔池区图像的基础上，分析了铝合金焊接熔池图像的特征，研究了适合铝合金MIG焊熔池图像处理方法和熔池几何尺寸的边缘检出方法，获得了满意的熔池边缘特征图像，为进一步实现铝合金MIG焊接熔透智能控制奠定了基础。     

活性剂增加铝合金交流A-TIG焊熔深机理研究

采用多组元活性剂AF305进行铝合金交流A-TIG焊时,熔深达到传统TIG焊的3倍以上。进行了交流、直流正接和直流反接A-TIG焊,发现极性不同时活性剂对熔深的影响也不同。研究了强制电弧收缩对交流焊熔深的影响,发现弧根整体收缩并不是AF305增加交流A-TIG焊熔深的主要机理,熔深显著增加主要与焊渣成片分布有关。对焊渣进行了SEM形貌观察和EDS成分分析,并采用氦弧焊证实了焊接过程中焊渣在熔池表面成片分布,电弧斑点极大收缩。向AF305活性剂中添加铝粉改变焊渣分布,研究焊渣分布与熔深的关系,证实了焊渣成片分布能增加焊接熔深。认为焊渣成片分布使得电弧斑点极大收缩,斑点压力以及电弧和熔池内的Lorentz力增强,最终焊接熔深显著增加。     

基于同轴视觉监测的激光深熔焊缝熔深监测

基于激光深熔焊接过程中稳态下小孔前壁材料气化满足的能量平衡以及在同轴视觉传感监测中提取出的小孔的径向尺寸建立了小孔深度的提取迭代方程,并基于小孔的深度实现了焊缝熔深的同轴视觉传感监测。试验结果表明：工件未焊透时,焊缝熔深的监测—计算值和试验测量值具有较好的一致性,其监测误差一般不超过12％;而工件完全焊透后,焊缝熔深的监测—计算值大于工件厚度,并基于此实现了工件是否焊透的判断。研究结果表明：基于同轴视觉传感和小孔前壁材料气化能量平衡建立的激光深熔焊缝熔深提取模型,可以有效实现激光深熔焊缝熔深的监测。     

不锈钢等离子弧焊熔池小孔行为的弧光传感研究

针对不锈钢穿孔等离子弧焊过程,熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了光谱试验研究。随着小孔的形成与闭合,弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲信号的显著跃变,该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的,而且通过检测敏感谱线的辐射强度可以优化传感信号品质。     

变极性等离子弧立焊穿孔熔池的稳定建立

改进焊接工艺控制时序,编制起弧系统控制平台及信号采集程序。采用改进的起弧系统对2219铝合金和LF6铝合金薄板及中厚板进行变极性等离子弧立焊工艺试验,利用红外线测温仪检测起弧过程中焊接熔池区域附近的点随预热时间的温度变化,并把该曲线上的临界温度作为检测穿孔熔池是否形成的标志,计算机根据穿孔时刻的临界温度控制焊件行走的使能信号。研究表明：改进的起弧系统能够简化设备操作,提高自动化程度与工作效率;在穿孔形成的瞬间,检测点的温度有一个从高到低的突变过程(穿孔前的瞬间温度达到临界值),而且对于同一检测点,多次测量得到的临界温度基本稳定;起弧阶段向主焊接阶段过渡稳定,能够实现穿孔熔池的稳定建立,从而验证改进的起弧控制系统的可行性及可靠性。     

穿孔等离子弧焊正面弧光传感技术研究

小孔的稳定性是影响穿孔等离子弧焊焊接过程稳定性及接头质量的重要因素。在等离子弧发射光谱分析的研究基础上,研制了轻便实用的弧光传感器,采用普通光电器件和滤光镜片替代赘重昂贵的光谱分析系统,可以捕捉到表征小孔特征状态的信号。介绍了弧光传感器的组成、物理模型及信号特征。     

低功率脉冲激光-电弧复合热源高效焊接过程中的“匙孔”行为研究

激光-电弧复合热源焊接技术由于具有焊接熔深大、效率高、质量好等优点而受到广泛关注。采用低功率脉冲激光-钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧复合热源技术进行镁合金板材的焊接,研究激光脉冲作用消失之后的等离子体行为和激光"匙孔"行为。在上述试验结果的指导下优化工艺参数,对比研究采用单独激光焊、TIG电弧焊和复合热源焊这三种方法实现镁合金板材对接焊相同效果时焊接效率的差异。研究结果表明,激光"匙孔"和"匙孔"等离子体的形成是实现复合热源高效焊接的前提条件,恰当的工艺参数可以使得激光"匙孔"维持稳定的开口状态,这种状态提高了电弧的稳定性和能量密度,延长了镁等离子体的恢复时间,因此能够提高复合热源的焊接效率。达到相同焊接效果时复合热源的焊接效率分别达到单独激光焊接效率的7.14倍和单独TIG电弧焊接效率的4.29倍。     

KEYHOLE IMAGE PROCESSING OF VARIABLE POLARITY PLASMA ARC WELDING BASED ON WAVELET TRANSFORM

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｖａｒｉａｂｌｅｐｏｌａｒｉｔｙｐｌａｓｍａａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ (ＶＰＰＡＷ )ｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ[1,2 ] .Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｗｅｌｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｓｔｉｌｌｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｉｓｓｕｅ.Ｏｎｅｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｐｐｒｏａｃｈｅｓｉｓｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｋｅｙｈｏｌｅｂｙｔｈｅｉｍａｇｅｓｅｎｓｏ…     

压力容器用Q345R钢窄间隙MAG焊研究

以压力容器用Q345R钢为对象,进行了旋转电弧窄间隙熔化极气体保护焊试验。观察了焊接接头的宏观形貌,试件的拉伸、弯曲和冲击试验表明：焊接接头力学性能指标均满足标准要求。使用旋转电孤窄间隙方法,显著的改善了坡口两侧壁的熔透,其熔敷效率高,热输入低,是压力容器制造的一种高质,优效的技术。     

Adaptive volumetric heat source models for laser beam and laser + pulsed GMAW hybrid welding processes

Laser + pulsed gas metal arc welding (GMAW) hybrid welding process is an attractive joining technology in industry due to its synergy of the two processes. It is of great significance to conduct fundamental investigations involving mathematical modeling and understanding of the hybrid welding process. In this study, an adaptive heat source model is first developed for laser beam welding. Through combining the ray-tracing method with the keyhole profile determination technique based on the local energy balance, the keyhole shape and size are calculated and correlated to the distribution parameters of the volumetric heat source model. Then, thermal action characteristics in laser + pulsed GMAW hybrid welding are considered from viewpoint of macro-heat transfer, and a combined volumetric heat source model for hybrid welding is developed to take consideration of heat input from laser, pulsed gas metal arc, and overheated droplets. Numerical analysis of thermal conduction in hybrid welding is conducted. The shape and size of fusion zone and weld dimension in the quasi-steady state are calculated for various hybrid welding conditions, which have a fair agreement with the experimental results.     

基于Hammerstein模型的GMAW-P焊接熔深自适应预测控制

针对脉冲熔化极气体保护焊(Pulsed gas metal arc welding,GMAW-P)过程中焊接熔深的实时控制,使用脉冲峰值期间的电压变化幅值(ΔU)来表征焊接熔深变化,并且通过测量和控制ΔU的大小来间接达到熔深控制的目的。建立了以ΔU为输出和脉冲基值电流为输入的单输入单输出熔深控制系统。系统输入输出之间的静态关系模型显示该熔深控制系统具有一定非线性,因此,采用加入干扰的Hammerstein模型描述该非线性系统。在基于该Hammerstein模型的经典预测控制算法基础上,在控制过程中加入递推最小二乘法在线辨识模型参数,从而实现焊接熔深自适应控制。控制算法仿真和实时焊接试验表明该熔深控制算法能够较好地实现GMAW-P焊接过程中的熔深控制。变散热试验结果验证了该控制算法的有效性和适应性。