基于高速CCD摄像的短路过渡焊接熔滴检测与分析

建立了基于高速CCD摄像的熔滴图像检测和焊接电流、电弧电压同步采集系统,在给出短路过渡模式下的熔滴尺寸定义并简述基于MATLAB平台的熔滴尺寸与电弧信号分析系统的基础上,对平特性电源短路过渡CO2焊接熔滴尺寸变化特征及其与工艺性能间的关系进行了试验研究.结果表明,熔滴尺寸呈分散性较大的正态分布(1～2倍焊丝直径),过大或过小的熔滴尺寸均不利于短路过渡焊接过程的稳定性.根据熔滴的形成和过渡过程,初步分析了影响熔滴尺寸的主要因素及控制熔滴尺寸的途径,即短路过程结束后焊丝端部的残余液态金属量和燃弧能量的随机性导致了熔滴尺寸的不确定性,对其进行有效控制将提高熔滴尺寸和短路过渡过程的一致性,进而改善短路过渡CO2焊接的工艺性能和焊接质量.     

基于X射线高速摄像水下焊接熔滴过渡分析

水下湿法焊接技术是一种重要的水下施工工艺,研究水下湿法熔滴过渡过程,有助于深入分析焊接过程本质,制定焊接工艺,进而提高焊接质量. 但由于焊接过程中存在气泡,难以借助传统研究手段研究水下焊接熔滴过渡过程. 为克服这一不利影响,利用X射线不易发生反射、折射的特点,搭建试验系统,同步采集水下湿法焊接过程熔滴过渡图像与电信号并进行分析. 结果表明,水下湿法药芯焊丝常见过渡形式有排斥过渡、固体短路过渡和表面张力过渡,其中排斥过渡和固体短路过渡对焊接过程稳定性影响较大,应加以抑制.     

焊剂片约束电弧焊接高强钢T形接头电弧形貌与熔滴过渡模式分析

针对高强钢三明治板焊接加工难题,提出一种焊剂片约束电弧(FBCA)焊接方法,获得了成形良好的T形接头.首先对焊剂片高温熔化状态进行测量和分析,其次通过搭建的高速摄像系统,采集焊接过程中电弧及熔滴图像,分析电弧形貌变化与熔滴过渡模式,最后测量焊后T形接头尺寸并研究焊缝成形规律.结果表明,不同参数下FBCA焊接存在短路过渡...     

CO2焊接过程的高速摄影与电信号分析

焊接过程的复杂性和微观熔滴过渡过程的随机性,使得对弧焊电源及其焊接过程的分析和评定成为一个难以有效解决的课题.而高速摄影技术是一种先进的图像采集技术,作为能够记录高速过程的一种手段,常用于熔滴过渡等过程的研究.利用自行研制的电信号、高速摄影图像采集处理系统对焊接过程中熔滴过渡过程进行分析,利用小波分析仪采集焊接过程中的电压、电流信号并进行滤波处理,而高速摄影仪采集的焊接图像可以对熔滴过渡过程进行细微研究.通过对比分析两者,为改进熔滴过渡过程提供了数据上的支持.     

弧焊参数采集与分析系统在熔化极气体保护焊中的应用

通过综合运用数据采集卡的模拟输入输出功能以及高速摄像的外部触发功能，利用虚拟仪器LABVIEW和高速摄像设备，开发了一套弧焊参数采集与分析系统。该系统可以对焊接过程的电信号信息和熔滴过渡图像信息同步采集，并对采集的电信号进行滤波处理、统计分析、U-I分析、相关性分析、FFT变换、STFT变换、功率谱分析等时域和频域的分析。将该系统应用于GMAW(gas metal arc welding)过程中，通过综合分析电信号与熔滴过渡图像的关系以及焊接电流变异系数与频率的关系，可以直观地反映出焊接过程稳定性和电信号与熔滴过渡的关系，为波形控制和熔滴过渡控制提供理论依据，有利于优化GMAW过程。     

短路过渡CO2焊接熔滴尺寸控制

分析了短路过渡CO2焊接的熔滴形成过程及焊接电流波形对熔滴形状及短路过渡历程的影响规律,对采集获得的焊接过程中的焊接电流信号进行数学处理,采用最小二乘法建立了波形控制短路过渡焊接的焊丝熔化模型.在此基础上,通过控制燃弧初期脉冲电流的宽度调整燃弧能量的大小,对熔滴尺寸控制进行了试验研究.结果表明,随着燃弧脉冲电流宽度的增加,熔滴尺寸单调增加,这说明改变燃弧初期脉冲电流的宽度可以有效地控制燃弧能量和熔滴尺寸的大小.     

间隙对GMAW立焊熔滴过渡的影响及温度场特性

采用高速摄像采集系统对间隙存在及变化时GMAW摆动电弧立向上焊焊接过程中的熔滴过渡行为实时图像进行采集,分析了熔滴过渡行为对电弧质量和焊接过程的影响,结合电弧质量分析仪采集的焊接电流、电弧电压概率曲线图对试验结果加以验证和补充解释,最后通过有限元数值模拟技术对GMAW立向上焊接过程数值模型进行建立,并对瞬态焊接温度场进行验证和分析. 结果表明,随着间隙的出现及尺寸的增加(0 ~ 4 mm范围内),GMAW立向上焊熔滴过渡形式由短路过渡向特殊的滴状过渡发展,模拟结果说明GMAW立向上焊热影响区具有较大的温度梯度特性.     

双电弧集成冷丝复合焊中熔滴过渡及焊缝成形机理

试验搭建了双电弧集成冷丝复合焊系统,研究了不同电参数匹配下的焊接过程. 结果表明,两熔化电极在直流模式下的熔滴过渡类型分为三种:短路过渡、短路+大滴过渡和大滴过渡. 当电弧电压较低时,过渡类型为短路过渡;随着电压逐渐增加,过渡类型从短路过渡变为短路+大滴的混合型过渡,最终完全变为大滴过渡. 其中短路过渡时焊接过程最稳定,飞溅最少,焊缝成形较好. 大滴过渡次之,而短路+大滴混合型过渡时焊接过程稳定性及焊缝成形最差. 此外,随着电弧电压的增加,熔滴的过渡频率呈先减小后增加的趋势.     

GMAW焊接过程动态模型的建立与参数控制

通过对GMAW焊接过程电路的整体分析,提出了"电源-电统-净伸出长-熔滴-电弧"系统模型,以净伸出长为变量,根据伸出长温度分布函数推导出净伸出长压降函数的同时,采用短路过渡熔滴时间权重长度系数ψ及金属固液态体积转换的方法,建立了连续多用期过渡的液态熔滴压降子模型,而后得到电弧电压与焊接电流、净伸出长及焊枪高度的数学函数模型,并对焊接参数控制进行了模拟分析;最后,与实际焊接过程进行了有效比较与分析.     

车用薄镀锌板CMT搭接工艺特性

针对车用薄镀锌板材料,为了进一步降低冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)时产生的飞溅,研究分析了薄镀锌板CMT搭接焊接工艺特性.采用Baumer HX 13工业级高速摄像机拍摄了CMT焊接熔滴过渡图像,利用NI PXI数据采集系统采集了CMT焊接电流电压信号.主要研究了短路前期阶段与短路后期阶段电流电压对CMT熔滴过渡的影响规律,同时分析了焊枪倾角对薄镀锌板CMT搭接焊接熔滴过渡行为的影响.结果表明,当CMT短路阶段电流小于基值阶段电流时,电信号波形未出现扰动现象,焊接过程稳定;当降低短路后期电流约5 A时,能够有效降低CMT搭接产生的飞溅;当焊枪与垂直平面呈30°夹角时,能够获得平稳的熔滴过渡,焊接飞溅最小,焊缝熔深最大,焊缝成形最佳.故短路阶段电流小于基值阶段电流且降低短路后期电流约5 A时,采用焊枪倾角30°的焊接工艺能够实现较小的焊接飞溅,为生产实践提供理论依据.     

焊接过程高速图像和工艺参数的同步记录与分析

高速摄像和数据采集是研究焊接过程中电弧、熔滴过渡或熔池等动态行为的重要技术手段.采用同步控制拍摄高速摄像和数据采集的技术,建立了高速图像和工艺参数同步记录与分析系统.系统包括高速摄像机、同步信号发生器、高速数据采集装置及图像与波形同步播放软件.同步信号发生器可适用于20～200000帧/s的高速摄像同步与触发控制.基于PC的数据采集装置,在200kHz采样频率下可实现4路焊接参数的同步采集.结果表明,系统可作为焊接材料、工艺性能、过程控制等研究中对动态过程进行记录与分析的有力工具.     

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.     

Computer-based sensing and visualizing of metal transfer mode in gas metal arc welding

Using Xenon lamp lights to overcome the strong interference from the welding arc, a computer-based system is developed to sense and visualize the metal transfer in GMAW. This system combines through-the-arc sensing of the welding current and arc voltage with high speed imaging of the metal transfer. It can simultaneously display the metal transfer processes and waveforms of electrical welding parameters in real-time The metal transfer videos and waveforms of electrical welding parameters can be recorded. Metal transfers under various welding conditions have been investigated with the system developed.     

Analysis of droplet transfer of pulsed MIG welding based on electrical signal and high-speed photography

In order to study how welding parameters affect welding quality and droplet transfer, a synchronous acquisition and analysis system is established to acquire and analyze electrical signal and instantaneous images of droplet transfer simultaneously, which is based on a self-developed soft-switching inverter. On the one hand, welding current and voltage signals are acquired and analyzed by a self-developed dynamic wavelet analyzer. On the other hand, images are filtered and optimized after they are captured by high-speed camera. The results show that instantaneous waveforms and statistical data of electrical signal contribute to make an overall assessment of welding quality, and that optimized high-speed images allow a visual and clear observation of droplet transfer process. The analysis of both waveforms and images leads to a further research on droplet transfer mechanism and provides a basis for precise control of droplet transfer.     

交流CMT动态电弧特征及熔滴过渡行为分析

为了研究交流CMT焊接过程中的电弧形态及熔滴过渡过程,采用高速摄像技术结合焊接电参数采集系统,拍摄了清晰的交流CMT电弧及熔滴图像,同步采集了电参数的波形数据,将二者结合起来分析.结果表明,交流CMT电弧经历燃弧-形成熔滴-熄弧过程;正极性阶段焊丝端头电弧集中,工件表面电弧发散,形成"钟罩"形电弧;负极性阶段电弧有"上爬"现象,该现象会加速焊丝熔化;熔滴过渡经历冷-热-冷的转换,无缩颈形成;负极性阶段的焊丝熔化速度相对较快,熔滴过渡周期小于正极性阶段,熔滴直径比正极性阶段的略大.     

脉动送丝MIG焊的熔滴过渡及焊缝成形分析

文中在等速送丝MIG焊基础上,搭建了脉动送丝MIG焊系统,利用焊接电流电压信号采集系统以及高速摄像等设备对焊接过程进行检测,研究了脉动送丝对MIG焊熔滴过渡及焊缝成形的影响.结果表明试验发现,脉动送丝条件下熔滴所受轴向机械力是影响熔滴过渡形式的关键因素.在相同的脉动送丝频率下,脉动送丝速度基值与峰值时熔滴过渡形式有所差异;随着脉动送丝频率的改变,熔滴过渡形式也会发生变化;相比于等速送丝,脉动送丝条件下形成的焊缝熔宽更宽,且随着脉动送丝频率的增加,熔宽逐渐增大.     

保护气体成分对双丝旁路耦合电弧GMAW旁路熔滴过渡形式的影响

双丝旁路耦合电弧GMAW的旁路焊枪选择了正极性接法即焊丝接电源负极,旁路熔滴仅依靠重力向熔池过渡,旁路熔滴尺寸较大且过渡过程并不稳定.针对这一问题,采用已建立的双丝旁路耦合电弧焊接过程信号控制与高速摄像采集系统,采集了纯氩气保护时旁路熔滴过渡形式,并分析了旁路熔滴尺寸较大且过渡过程不稳定的原因.在此基础上,采用80% Ar+20% CO₂为保护气体进行了焊接试验.结果表明,焊接过程中,保护气体中的O元素在旁路熔滴表面形成了氧化膜,旁路电弧在旁路熔滴表面的氧化膜上稳定燃烧,从而使电磁收缩力重新作用在旁路熔滴上并促进旁路熔滴向熔池过渡,因此焊接过程中旁路熔滴尺寸明显减小,熔滴过渡过程更加稳定.     

脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡电信号特征及建模

脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)熔滴过渡形式对焊接质量有着重要的影响,同时脉冲参数是影响GMAW-P熔滴过渡行为的主要参数.利用高速数字摄像技术,记录熔滴过渡过程,同时采集焊接过程的电流、电压信号,并将各个信息传输到PC机中,实现数据的保存.综合分析熔滴过渡图片与对应的电信号的关系,提取了GMAW-P熔滴过渡过程特征电信号.通过统计分析建立了GMAW-P熔滴过渡逻辑回归模型.结果表明,此模型预测熔滴过渡的正确率达93%,为实现一脉一滴最佳脉冲熔滴过渡形式闭环控制开辟了新的途径.

Abstract：

Metal droplet transfer mode which is influenced by the pulse parameters such as pulse current ( I_p ) , pulse time ( t_p ) , base current ( I_b ) and pulse frequency (f) has play an important role in the weld quality. An experimental system based on the Lab VIEW virtual instrument and high speed photography technology was developed to sample the transient electrical parameters and record the images of droplet transfer process simultaneously. A transition voltage U_(dd) in the pulse voltage drop edge of electrical waveform was discovered according to analysis of synchronous electric and image signals. The relationship between the metal transfer mode and the slope of the transition voltage was proposed. The result of experiments shows that the model can be used in closed-loop controlling of one droplet per pulse transfer mode and also can help for optimizing the welding parameters.     

脉冲电压峰值对双丝脉冲MIG焊熔滴过渡及焊缝成形的影响

建立了双丝M IG焊工艺试验研究平台,该试验平台主要由Tandem型双丝焊系统、信号采集系统、高速摄像(摄影)系统以及脉冲控制系统等部分组成.在此基础上研究了脉冲电压峰值对双丝脉冲M IG焊熔滴过渡及焊缝成形的影响.结果表明,前丝脉冲峰值电压对熔滴过渡的影响比较显著.前丝脉冲峰值电压较低时,熔滴过渡形式为射滴过渡,前丝脉冲峰值电压较高时熔滴过渡形式为一脉一滴过渡形式,过大的前丝脉冲峰值电压的熔滴过渡形式为大滴过渡.前丝脉冲峰值电压越高,焊缝熔宽和熔深越大,过高的前丝脉冲峰值电压会导致焊缝表面质量恶化.     

带状电极MAG焊工艺熔滴过渡分析

采用氙灯背光高速摄像系统对带状电极MAG焊的熔滴过渡进行了研究.试验发现,随焊接工艺参数的增大,钢带端部熔化变得均匀,由多个熔滴并存转变为只产生一个熔滴.熔滴在长大过程中沿钢带端部移动,过渡位置不定.随焊接参数由小到大变化,熔滴依次呈现短路过渡、大滴过渡、射滴过渡、射流过渡和旋转射流过渡等形式.结果表明,射滴过渡是带状电极MAG焊熔滴过渡的主要方式;电流、电压波形与熔滴过渡形式之间有很好的对应关系;由于其特殊的电极形状和熔滴过渡特点,带状电极MAG焊适合大电流高速焊,可以提高焊接效率.