电弧作用下熔透型TIG熔池液面行为的数值模拟

在正面熔化半径RZ和板厚h一定的条件下,基于对有电弧作用的熔透型TIG焊接熔池三维液面行为的分析,获得了不同背面熔化半径RB的熔池三维形状模型,利用有限元分析软件surface evolver进行数值模拟,研究了电弧对熔透型TIG焊接熔池液面的影响.结果表明,电弧的作用与否对熔池下液面的大小和形状无显著的影响;在背面熔化尺寸较小时(RB≤2.5 mm附近),电弧对上液面特征量有较大作用;电弧的作用从整体上是使熔池上液面压低.在从脉冲基值过渡到脉冲峰值期间,电弧电压(或弧光光强)增加的部分是由电流增加和熔池上液面被压低两部分引起的.     

TIG焊接熔透熔池的数学模型

根据流体力学理论和变分法原理，推导出了熔透情况下ＴＩＧ焊接熔池上表面和下表面变形的方程，建立了ＴＩＧ焊接熔透熔池流场与热场的数值分析模型，采用非正交贴体曲线坐标系成功地处理了熔池表面的曲面边界，将熔透情况下熔池上下表面变形的计算，与熔池流场与热场的计算相结合，不仅较好地计算出熔池的流场与热场，同时求得了焊接熔池的上下表面变形。焊接工艺试验表明，根据该模型计算的焊缝成形与试验测试结果吻合程度良好。     

连续行走脉冲TIG焊熔池谐振法熔透控制

熔池振荡频率与熔池尺寸之间的良好对应关系,可以用于进行熔池尺寸检测及熔透控制,但在快速行走焊接时难度很大。本文在恒定直流之上叠加定频率正弦波电流做为脉冲焊接电流激振熔池,在连续行走焊接时,通过电弧电压检测熔池振荡即熔池尺寸。在脉冲电流作用期间,随着熔池尺寸的增长,当熔池自身固有振荡频率与焊接电流正弦波频率一致时,熔池产生谐振,从电弧电压中检测到谐振特征变化信号,该信号的强度,稳定性,重复性及与熔池     

脉冲电流作用下TIG焊接熔池行为的数值模拟

建立了脉冲焊接熔池行为的数值分析模型,分析了脉冲电流对ＴＩＧ焊接熔池流场,热场及熔池形状的影响规律。计算结果表明：熔池体积对电流的脉冲作用较敏感;脉冲ＴＩＧ焊接熔池内流体流动的主要驱动力是表面张力梯度。溶池中的流场随电流作周期性变化。     

熔透情况下三维TIG焊接熔池流场与热场的数值分析

建立了熔透情况下三维运动TIG焊接熔池中流体动力学状态及传热过程的数值分析模型。该模型考虑了试件全熔透情况下液态金属熔池表面的变形。采用贴体曲线坐标系处理熔池曲面,利用SIMPLER方法对不锈钢焊接试件熔池中的流场与热场进行了数值分析,并进行了焊接工艺试验对模型加以验证。结果表明,根据该模型得出的计算结果与实验值吻合情况良好。     

电弧力对TIG焊接熔池液面形态影响的数值模拟

在建立TIG焊接熔池液面三维形状模型基础上,对电弧力作用于熔池液面进行了表征,采用Surface Evolver有限元分析软件进行数值模拟,研究了电弧力对TIG焊接熔池液面三维形态的影响.得到了有电弧作用时,熔池的三维形态和熔池各液面参数随电弧力大小变化的规律.结果表明,在熔池形状一定时(正面、背面熔化区域半径和板厚一定),电弧力的作用深度增加会引起熔池上、下液面和固液面的表面积均增加,其中电弧力的大小对TIG焊接熔池的上液面影响程度大于下液面.这些分析结果为探讨TIG焊接熔池的各类问题提供了基础.     

熔池三维自由表面状态与TIG焊熔透的相关性研究

基于激光视觉测量原理,采用2台同规格的CCD摄像机实时同步采集了钨极惰性气体保护电弧焊熔池自由表面和背面熔宽动态变化视频图像,利用熔池自由表面三维恢复算法获得熔池三维自由表面形貌,并对不同熔透状态的熔池三维自由表面高度变化与同步采集的背面熔宽变化间的相关性进行了定性分析实验.通过建立理想熔池自由表面,入、反射激光束光学变换及成像屏数学模型,逆向仿真研究了不同熔透状态的熔池表面对反射激光点阵形态的影响规律.结果表明,基于激光视觉法获得的熔池三维自由表面动态变化与焊缝熔透之间具有相关性,当焊缝由未熔透过渡到熔透时,熔池表面由凸形逐渐变为凹形,且塌陷量随背面熔宽的增加而缓慢增大,反射激光点阵行曲率变小,激光点逐渐聚为一点.当过熔透时,背面熔宽增加,熔池表面塌陷量迅速增加,反射激光点阵行曲率反而变大,聚集的激光点阵纵向逐渐被拉开.熔池表面逆向建模仿真结果与实际测量结果基本一致,利用反射激光点阵的形态变化可以表征熔透变化.     

双脉冲TIG焊熔池数值分析

建立了双脉冲电流下TIG焊熔池的三维非稳态数学模型,通过选择合适的边界条件和热物性参数,强烈耦合控制方程组对双脉冲TIG焊熔池进行数值分析,得到了周期性变化的焊接熔池温度场、流场等分布情况,熔宽、熔深的尺寸大小在周期内的变化规律.结果表明,在双脉冲电流作用下的熔池尺寸大于在平均电流作用下的尺寸,有效的增大了焊接熔池尺寸;熔池尺寸随电流的变化具有一定的滞后性,且在高能脉冲作用时的滞后性较强;在双脉冲电流作用下的熔池内部具有更大的流速,其搅拌作用更强.     

Mathematical model and simulation of partial penetrated weld pool

0　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｗｅｌｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｓｍａｉｎｌｙｏｎｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｅｌｄｐｏｏｌｉｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆａｃｔｏｒｓａｒｅｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄ .Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｉｓｗｈｅｔｈｅｒａｎｄｈｏｗｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｅｌｄｐｏｏｌ.Ｔｈｅｉｄｅａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒａｂ…     

连续电流TIG焊熔池图像的低成本自动化检测

改进了普通CCD摄像机镜头，使物距、放大倍数的调节范围进一步扩大。通过试验和统计的方法，调整物距、光圈、快门等光学参数，增大景深，提高对比度，拍摄出了分辨率较高的熔池图像。对大量的焊接熔池图像进行了分析，根据图像的特点，设计出了不需要滤波的图像边缘检测算法，检测出了连续电流TIG焊接熔池的整个边缘。与激光频闪视觉检测仪拍摄的熔池图像进行了对比，结果表明该低成本自动化检测装置所拍摄的熔池图像也达到了较高的清晰度与对比度。     

焊接熔池的传热与流体流动模拟进展

焊接熔池的传热与流体流动模拟是焊接模拟的一个重要领域 ,目前对焊接熔池的传热和流体流动的模拟主要是基于Navier strokes方程基础上而建立的。文中概括了近年来焊接熔池传热与流体流动模拟所取得的一些进展 ,总结了影响熔池传热和流体流动的一些主要因素。并提出了今后的发展方向     

脉冲熔化极气体保护焊熔池的视觉传感与实时控制

研究对脉冲熔化极气体保护焊（GMAW）熔池过程采用视觉传感与实时控制方法的可行性问题。由于GMAW过程的熔滴过渡现象的复杂性，尝试模拟焊工通过观察熔池变化等因素来调整焊接参数获取满意的焊缝成形的行为。建立了脉冲GMAW过程熔池视觉传感系统，宏观上将熔滴过渡对熔池特征的影响作为黑箱过程处理，根据脉冲GMAW弧光光谱分布和熔池图像特征提取，实现对脉冲GMAW熔池动态过程的实时检测。采用辨识算法建立焊接动态过程的数学模型，进而设计脉冲GMAW熔宽的PID控制器，实现对脉冲GMAW熔池宽度的实时控制。试验表明，建立的视觉传感系统、图像处理算法以及控制器设计检测与控制熔池变化在一定程度上的能够满足脉冲GMAW焊缝宽度的实时性与精度要求。     

填丝脉冲GTAW熔池形状定义和图像处理

在填丝脉冲GTAW过程中,从熔池图像上可以观察到熔池形状的变化,如度、长度、后拖角和表面高度等。熟练焊工可以根据变化的情况实时地调整焊接规范,保证焊缝成形稳定,利用获得的焊接熔池图像,采用一定的熔池图像处理算法可以计算出熔池形状的特征参数,以满足过程建模和实时控制的要求。本针对填丝脉冲GTAW熔池形状变化的特点,提出了统一的熔池形状非线性拟合公式和熔池形状参数。设计了快速图像处理算法,满足在实际焊接过程中提取熔池形状参数的要求,试验结果证明,熔池形状非线性拟合公式准确,图像处理算法有效,为进一步焊接过程的建模和控制奠定基础。     

脉冲GTAW熔池动态过程的辨识模型

焊接熔池动态变化过程是一个具有强非线性、多变量耦合作用以及大量随机不确定性因素的高度复杂过程,因此很难得到溶池动态特征的解析数学模型,使得焊接熔池的动态过程建模成为焊接界和控制界的一大难题,也是实现焊接自动化的本质困难。为了对脉冲GTAW（气体保护钨极氩弧焊）熔池动态过程特性有一个基本受控制性能的认识以实现对脉冲GTAW熔池变化过程的有效控制。本从经典控制系统设计的角度考察脉冲GTAW熔池动态特性,利用试验数据采用系统辨识的方法求取其熔池特征动态性能的数学描述,获得了脉冲GTAW熔池动态过程中分别以脉冲峰值时间和焊接速度为输入,以背面熔宽为输出的两个单出（SISO）过程的传递数模型,并对模型进行了检验。所建模型有助于研究脉冲GTAW熔池动态过程的受控性能,对改善其控制系统设计具有参考价值和指导作用。     

基于FLUENT的TIG焊瞬态熔池三维形态的数值模拟

根据流体力学和传热学原理,建立了 TIG 焊瞬态熔池三维数值分析模型.电弧热源模型采用典型的高斯热源分布模型,模型考虑熔池液态金属对流传热、熔池外工件的固态导热、焊接过程中的相变潜热、熔池流体的紊流特性、材料的热物理性能参数随温度变化等因素.用 enthalpy-porosity 方法处理工件熔化/凝固过程中的问题,FLUENT RNG k-ε湍流模型对 TIG 焊熔池模型进行求解.给出了熔池形状的可视化图形结果,熔池形状特征参数随时间的动态变化.结果表明,计算值与实测值吻合良好.

Abstract：

Based on theories of fluid dynamics and heat zransfer, a transient three-dimensional model of TIG weld pools is established, in which Gaussian distribution is used to describe the heat flux source of arc. Many factors are considered in the model including the convective heat transfer of liquid metal and the heat conduction of solid metal, latent heat in welding process, the turbulence characteristics of welding pool fluid, material thermo physical properties as the function of temperature and so on. The enthalpy-porosity technology is adopted to solve the problem with workpiece phase transformation. The graphics results of weld pools and the variation of shape parameters with time are given by using FLUENT RNG k-ε model to calculate the TIG wielding pool. The experiments show that the calculated results agree well with measured value.