TIG焊接熔透熔池形状和表面变形的数值模拟

利用建立的三维TIG焊接熔池瞬时行为数值分析模型,对移动热源作用下不锈钢薄板全熔透时熔池动态行为进行了数值分析。结果表明,同时采用电弧热流和电弧压力的双椭圆分布模式,相对于高斯分布模式,计算出的熔池形状和表面变形与试验结果吻合得更好。给出运动电弧作用下熔池表面变形的动态演变,分析了与固定电弧焊接时的异同,为运动电弧作用下TIG焊接的数值模拟与智能控制提供了理论依据和试验数据。     

全熔透钨极惰性气体保护电弧焊熔池表面变形动态过程的数值分析

基于能量守恒和质量守恒原理,并依据能量最小化理论,推导出全熔透钨极惰性气体保护电弧焊(Gas tungsten arc welding,GTAW)熔池自由上、下表面变形的控制方程组,并探讨与文献给出的熔透熔池上、下表面变形控制方程组的异同,给出控制方程组中将熔池上表面变形和下表面变形耦合为一个统一整体的拉格朗日参数的求解方案。分别对GTAW焊接不锈钢和低碳钢薄板从引弧到熔透并达到准稳态的全过程中熔池上、下表面变形的动态演变进行预测和分析,从中提取出了可用于表征工件熔透与否的参数,为基于正面视觉检测的背面熔透智能控制提供了依据。     

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。     

铝合金脉冲GTAW焊熔池表面反射模型研究

熟练焊工能够通过观察熔池表面的凸凹信息获取熔池的成形,在机器人智能化焊接过程中,采用视觉传感方式模拟焊工视觉获取熔池的形状信息。图像的灰度值决定于光源特性、物体表面形状、反射特性和摄像机特性。熔池图像隐含熔池的形状信息,为了从图像中提取熔池的形状信息,分析了铝合金脉冲GTAW焊的熔池表面反射特性,熔池表面由漫反射表面、镜面反射表面和互反射表面组成,建立了熔池表面反射模型。     

连续脉冲GTAW不同熔透状态熔池振荡 频率特征及分析*

熔池振荡频率与熔池尺寸具有直接物理对应关系,但常规弧压、弧光方法很难实现连续焊接振荡频率提取。提出一种激光视觉测量方法用于连续焊接振荡频率检测。对连续焊接条件下部分、临界及全熔透状态下的熔池振荡激光条纹进行采集,通过图像处理算法提取不同熔透状态下的频率特征,并从激光条纹变化形态、熔池表面振荡和液态金属内部流动对不同频率特征进行分析。结果表明,激光视觉法能够精确检测熔池表面金属轴向及横向的流动;在部分和全熔透状态下熔池表面及内部金属以单一模式进行振荡,存在单一特征频率;在临界熔透状态下由于熔池约束条件的变化,使其表面振荡及内部金属振荡具有部分和全熔透的振荡特征,表现出两种特征频率;不同熔透状态的振荡频率特征可为精确检测不同熔透状态提供依据。     

外加高频磁场下电弧快速成形过程的电磁-流体耦合数值模拟

外加电磁作用是改善电弧快速成形零件组织和性能的有效方式之一。为了揭示高频磁场对熔池传热、对流和形态的影响机理,采用有限元电磁计算和有限体积流体分析耦合的方法,建立电磁场、熔池温度场和流体流动场分析的三维模型,分析工件和熔池中高频电磁力/热的分布特征,研究高频电磁力与表面张力、电弧力以及熔滴冲击共同作用下的熔池表面动态变形,对比分析有/无外加高频磁场情况下熔池温度分布和流体流动模式上的差异,并由此预测外加高频磁场对凝固组织和熔池形态的改变。结果表明,高频电磁力驱动熔池流体在垂直焊接方向的平面内形成单漩涡旋转对流,有利于熔断枝晶细化晶粒,熔池表面形状向远离线圈一侧倾斜,熔宽增大。金相和焊道横截面测试证实了上述模拟结果。     

穿孔型双面电弧焊的传热与小孔形成

建立了穿孔型双面电弧焊小孔形态和传热的数学模型,考虑了作用于熔池上的各种力学因素,并采用帖体曲线坐标系处理复杂的熔池表面和小孔与熔池的边界。计算结果表明,熔透是穿孔的必要条件,熔透之后穿孔的速度远远大于熔透之前的。随着板厚的增加,熔透和穿孔所需的时间增加,并且熔透到穿孔的时间间隔也增大,但熔池的最小跨距变化不大,熔池的最小跨距可作为小孔建立的评价指标。小孔的形成使得焊接能量更加集中于电弧中心线附近,从而可以采用较小的焊接热输入,不开坡口一次焊透焊件。     

A-TIG焊熔深增加机理的数值模拟

利用自行研制的不锈钢活性剂FS12对A-TIG焊熔深增加机理进行研究.用PHOENICS软件模拟了有、无活性剂时氧元素质量分数、电弧收缩效应等对熔池速度场和温度场的影响.计算结果表明,无活性剂时,熔池液态金属从中心流向四周,再从四周流向熔池底部,形成宽而浅的熔池形状;有活性剂时,熔池液态金属从熔池边缘流向中心,引起向内的两个涡流在熔池上表面中心相遇,汇合后流向熔池中心底部,形成窄而深的熔池形状;表面张力梯度变化是熔深增加的主要原因,电弧收缩影响熔宽,对熔深增加也有一定的影响,但不是主要原因.熔池形状的数值模拟结果与试验结果吻合良好.     

铍材钎焊熔池动态行为的影响因素研究

在综合分析激光钎焊的焊缝形状特征和热源作用特点的基础上,根据流体力学和传热学原理,建立瞬态熔池三维数值分析模型和混合热源分布模型,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、侧吹气流方式、对接界面的结构几何特性以及材料热物理性能参数随温度变化等因素.利用Visual Fortran语言编写数值分析程序,分析相变潜热、侧吹气流和对接间隙等对熔池内流场和温度场分布的影响.研究表明,相变潜热的影响不是总可以忽略的,尤其是在移动热源作用下相变潜热的影响比固定热源更为突出.侧吹气流主要是通过改变熔池内液态金属的流动状态进而影响到熔池的三维形态,因此,选择合适的吹气方式能够有效地提高激光钎焊的稳定性和焊深.间隙的存在造成温度场分布不连续造成熔池形状呈“钉头”形,考虑间隙时计算得到的熔池形状与试验结果吻合更好.     

熔焊热过程与熔池行为数值模拟的研究进展

熔焊是目前机械制造业中应用最为广泛的材料连接技术。熔焊过程中的传热与熔池流动行为对于焊缝成形、接头微观组织与服役性能等起着决定性作用。准确地分析和计算熔焊热过程与熔池形态,对于焊接冶金分析、应力变形分析、过程控制及工艺优化等都具有十分重要的意义,也是使焊接工艺从"定性"走向"定量"分析、从"经验"走向"科学"的重要途径。对焊接电弧物理、熔滴过渡、熔池形态、高速焊接熔池传热与流动、等离子弧焊和激光焊接的小孔与熔池动态行为、激光-电弧复合热源焊接热过程的数值模拟研究现状与存在问题进行了评述,讨论了上述前沿领域的研究方向与发展趋势,旨在为实现熔焊工艺优化和过程控制提供理论依据。     

表面活性元素对Marangoni流和熔池形状影响的数值分析

根据合金熔化与凝固过程液相区、固相区和糊状区共存的特点，建立了适合于ＧＴＡ焊接熔化与凝固过程的统一模型控制方程和辅助方程，并用控制容积积分的有限差分法对其进行了数值求解。能量方程中考虑了固／液相变潜热、表面合金元素的气化、表面对流和辐射热损失， 动量方程中考虑了浮力、电磁力和Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力驱动流。重点讨论了Ｆｅ－１８Ｃｒ－９Ｎｉ合金中表面活性元素—硫 （Ｓ） 对Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力诱导的熔池内涡流环路和熔池形状的影响。结果表明， Ｓ质量分数较小时， 每半个熔池内存在两个相反的涡流环路， 随着Ｓ质量分数的增加向外的流体环路逐渐减弱并消失， 面向内的流体环路逐渐增强与扩大， 造成熔池深度的增加。     

非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌三维传感及其装置设计

熔池表面形貌的传感及其三维恢复在焊接机理研究和成形控制中均有着深远的意义,然而焊接过程中强弧光的干扰和熔池表面的镜面特性使得熔池表面的三维传感非常困难。利用小功率结构光条纹激光器投射激光条纹于非熔化极气体保护焊(Gas tungsten arc welding, GTAW)熔池表面,由成像屏接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹,利用镜头前附加了与激光器波长匹配的窄带滤光片的电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD)摄像机观察成像屏上的条纹变化,从而获得熔池表面的高度等三维信息。为了便于研究传感规律及确定传感器结构参数间的最佳组合,设计了一套传感装置,并利用该传感装置在强弧光下获得了清晰的能够反映GTAW熔池表面形貌的激光反射条纹图像。     

焊接凝固裂纹驱动力的分析与模拟

分析了焊接构件中熔池变形及凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响,建立了不锈钢焊接凝固裂纹应力应变场的数值模拟模型,并对凝固裂纹的驱动力进行了计算.通过单元再生方案,消除了焊接构件中熔池变形对熔池尾部应力应变场的影响;通过增大材料的线膨胀系数,考虑了凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响,最终得到了各种条件下的焊接应力-应变场.     

TIG焊熔池表面张力的测定及表面活性剂的影响

利用熔池振荡及熔池谐振信号的检测,以熔池自身固有振荡频率与熔池尺寸的内在关系测定熔池金属表面 张力,研究了薄板ＳＵＳ３０４不锈钢ＴＩＧ焊不同熔地尺寸的表面张力变化以及活性剂对熔池表面张力的影响。试验研 究方法为焊接熔池表面张力测定中的最初应用。     

Theoretical and experimental study of microstructures and weld pool geometry during GTAW of 304 stainless steel

In this work, temperature field and weld pool geometry during gas tungsten arc welding of 304 stainless steel are predicted by solving the governing equations of heat transfer and fluid flow under quasi-steady state conditions. The model is based on numerical solution of the equations of conservation of mass, momentum, and energy in the weld pool. Weld pool geometry, weld thermal cycles, and various solidification parameters are then calculated by means of the model predictions. The model considers the effects of various process parameters including welding speed and heat input. It is found that the weld pool geometry, predicted by the proposed model, is in reasonable agreement with the corresponding experimentally measured ones. In addition, the solidification behavior of the weld pool can be predicted properly by the model predictions.     

RECONSTRUCTION OF WELD POOL SURFACE BASED ON SHAPE FROM SHADING

A valid image-processing algorithm of weld pool surface reconstruction according to an input image of weld pool based on shape from shading (SFS) in computer vision is presented. The weld pool surface information is related to the backside weld width, which is crucial to the quality of weld joint. The image of weld pool is recorded with an optical sensing method. Firstly, the reflectance map model, which specifies the imaging process, is estimated. Then, the algorithm of weld pool surface reconstruction based on SFS is implemented by iteration scheme and speeded by hierarchical structure. The results indicate the accuracy and effectiveness of the approach.     

对接TIG焊熔池正面几何形状参数的检测

研制出连续电流对接TIG焊熔池正面形状参数实验检测装置。利用普通CCD摄像机,通过光学参数的优化和采集参数的动态调整,拍摄出了清晰度和分辨率都较高的对接TIG焊熔池正面图像。根据对接TIG焊熔池图像特点,设计出图像处理算法,检测出了焊接熔池的整个边缘,得到了不同工艺条件下对接TIG,焊熔池几何形状参数的实际尺寸。     

TIG焊熔池表面流动行为的研究

针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊熔池表面流动行为,在确定TIG焊熔池表面可采用粒子示踪的方法来进行其表面流动行为示踪的基础上,在以激光为试验背光光源,通过激光在TIG焊熔池表面镜面反射后,使得熔池及示踪粒子清晰成像于成像屏上。在此基础上,开展对304不锈钢和Q235普通碳钢的熔池表面流动行为的试验研究,对所获得这两种材料的TIG焊熔池试验数据进行处理与对比分析,探究熔池表面流动规律。研究结果表明:在TIG焊过程中,其焊接熔池存在两种运动模式,在304不锈钢焊接过程中熔池表面的液态金属由边缘向熔池中心流动;在Q235碳钢焊接过程中熔池表面的液态金属不定向、不规则地由熔池中心向熔池边缘流动,并测量304不锈钢TIG焊过程中熔池表面的液态金属流动速率为12 mm/s左右,Q235碳钢的熔池表面的流动速率为15 mm/s左右。