《机械工程学报》英文版2004年第17卷第3期目次摘要预告

焊接熔滴过渡光谱信息的获取与模式识别韩国明 何雨 云绍辉 李俊岳(天津大学材料科学与工程学院 天津 300072)为了对各种熔滴过渡形式进行识别,利用熔滴过渡光谱信息模式识别系统,采集了熔化极气体保护焊(MIG、MAG、CO2)五种熔滴过渡形式的光谱信号作为样本。通过计算机进行预处理,创造性地提取了多个熔滴过渡光谱信号波形关键性的特征,建立了判别法则和最小距离分类器。结果表明,此方法可成功地对各种熔滴过渡形式进行模式识别,     

不同波长激光对激光—MAG电弧复合焊接熔滴行为的影响

通过计算分析了金属对Nd：YAG激光和CO2激光的吸收率;以8.0mm厚高强钢板为试验材料,采用高速摄像系统观测熔滴过渡模式和等离子体形态的变化.建立脉冲MAG焊接熔滴力学模型,从熔滴受力角度分析了不同波长两种激光YAG激光和C02激光在激光—MAG焊接中对熔滴过渡形式和熔滴过渡频率的影响.结果表明,Nd：YAG激光和CO2激光输出特性存在差异,金属表面对YAG激光的吸收率约为CO2激光的3倍多;在焊接电流180A、焊接电压26V、光丝间距3mm的相同条件下,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率高于CO2激光—MAG电弧复合焊接的熔滴过渡频率,且熔滴过渡频率均随着激光功率的增加而降低,但是增加等量的激光功率,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率下降幅度更大;CO2激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴的过渡形式由射滴过渡转变为颗粒过渡,在YAG激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴过渡形式主要为射滴过渡.     

双电极焊条熔滴过渡的特点及形式

用激光背光高速摄像系统研究了双电极焊条的熔滴过渡，阐述了双电极焊条熔滴过渡的特点，基于试验结果，总结了双电极焊条熔滴过渡的各种形式。双电极焊条单弧焊，工件不接电源，熔滴的过渡方向与电流方向不同，电弧对药皮的加热易于使焊芯两边药皮产生滞熔，形成两边尖中间凹的套筒形状，从而有利于熔滴以渣壁过渡形式过渡。钛钙型双电极碳钢焊条和不锈钢焊条具有渣壁过渡、喷射过渡和爆炸过渡等多种过渡形式，以细熔滴渣壁过渡为主，而石墨型堆焊焊条主要以粗熔滴渣壁过渡为主。     

双旁路耦合电弧MIG焊熔滴过渡受力分析

针对双旁路耦合电弧熔化极惰性气体保护(Metal inert gas,MIG)焊过程,使用高速摄像采集不同旁路电流下的熔滴过渡图像,通过图像处理提取熔滴过渡数据信息,并对熔滴所受的主要作用力进行定量计算。根据计算结果对比分析不同参数下熔滴受力的动态变化情况,研究旁路电弧对熔滴过渡的促进机理。结果表明,在焊接总电流较大的情况下电磁力对双旁路耦合电弧MIG焊熔滴过渡的影响最显著,旁路电弧可以促进熔滴上弧根面积的扩展和熔滴缩颈的形成,通过增加向下的电磁力来促进熔滴过渡,且旁路电流越大旁路电弧对熔滴过渡的促进作用越明显;在焊接总电流不变的情况下,随着旁路电流的增加熔滴过渡频率随之增加,熔滴尺寸随之减小,熔滴过渡形式逐渐由大滴过渡转变为喷射过渡。     

CMT电弧增材制造过程电弧特性对熔滴过渡行为的影响机理研究

冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等优势，在航空用大尺寸构件的快速成型领域应用前景广阔。对于电弧增材制造大型构件需采用大电流来进一步提高沉积效率，但在此高电流模式下电弧放电过程对熔滴过渡行为的影响机理尚不明确。因此，本研究采用高速摄像仪观察了电弧增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为，同时通过建立电弧模型及熔滴过渡模型，分析了在不同电流波段及工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律，最终揭示了电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理因素对熔滴过渡的作用机理。结果表明，电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小，进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度从5.5 m/min增大至7.0 m/min时，电流峰值持续时间增加了1倍左右，同时电弧宽度与电流密度的随之增加，使得熔滴过渡过程中电磁力上升，熔滴尺寸下降14%且射滴过渡频率增加了3～4倍。当瞬时电流进入熄弧阶段时，熔滴过渡形式转变为短路过渡。随着送丝速度的增加，短路过渡频率从29 Hz减少至20 Hz。     

药芯焊丝CO2气体保护焊熔滴过渡形态观察分析

采用高速摄影技术和汉诺威焊接参数分析仪,对国内外代表性的药芯焊丝CO2焊的熔滴过渡过程、电弧行为、飞溅、烟雾等电弧物理现象进行了大量的观察,总结了各种药芯焊丝熔滴过渡形式和电弧行为的特点,对各种过渡形式工艺性进行了初步评价。     

脉冲MIG焊熔滴过渡控制的新进展

介绍脉冲MIG焊（熔化极惰性气体保护焊）熔滴过渡控制的发展现状,分析了现有控制法存在的局限性,阐述一种最新的控制法—熔滴过渡光谱控制法的原理、优越性及其进展。指出这方面的发展趋势。电弧光谱信号在反映脉冲MIG焊熔滴过渡方面有很大的优越性,其信号品质和灵敏度远胜过以往的信号。相应的光谱控制法已在实验室成功地实现了脉冲MIG焊1峰0基的精确控制,并可能推广用于2峰0基、3峰0基的控制,甚至推广用于连续电流焊条件下熔滴过渡的控制中,工艺适应性宽,前景广阔。     

熔滴过渡对自保护药芯焊丝工艺性能影响的研究

研究了熔滴过渡形态和焊丝工艺性能的关系。６种过渡形式中颗粒过渡、射滴过渡是自保护药芯焊丝中较 理想的过渡形式。而短路非爆炸这种主要的过渡形式虽然飞溅小、电弧燃烧也较稳定,但对熔滴保护效果较差。 研究结果对于指导自保护药芯焊丝的配方设计、改进其工艺性能和力学性能具有重要意义。     

电弧填丝增材制造过程熔滴射滴过渡特征及其对熔滴沉积成形的影响

基于脉冲GMA电弧检测了电弧填丝增材制造过程中与熔滴过渡相关的电弧电流、电弧电压和声发射信号,研究了电弧脉冲作用下的铝合金熔滴射滴过渡特征,提出了一种可对处于射滴过渡模式下的熔滴尺寸、电弧力和熔滴沉积率进行计算的方法,并分析了沉积层的成形质量特征。研究结果表明,利用检测获得的电弧电压、电弧电流信号和声发射信号可以对处于射滴过渡模式下的熔滴过渡过程及其特征进行区分。在本研究条件下,作用在过渡熔滴上的电弧力随电弧功率增加而递增。电弧力的增加将限制熔滴尺寸的增大,从而在电弧功率递增时呈现熔滴尺寸的递减和熔滴过渡频率的递增。同时,电弧功率增加,使热输入增大,射滴过渡熔滴对熔池的冲击增强,容易造成熔滴过渡形成的沉积层坍塌,从而使熔滴沉积层高度递增的趋势减缓,形成的沉积层显微组织明显粗化。     

熔滴过渡光谱传感与控制的研究

焊接电弧光谱是一个丰富的信息源,电弧的各种物理过程都能在电弧光谱中体现,利用电弧光谱信息能很好地检测和控制脉冲焊熔滴过渡。对电弧光谱辐射情况和对光辐射和接收系统进行了深入的研究和分析,抛弃了一般特征光谱检测设备所必需采用的光谱仪和复杂的光路系统,选用干涉滤光片,选择光谱窗口,设计并制作小型光谱传感器。对喷射过渡过程进行了熔滴过渡检测,利用光谱信息实现了脉冲焊熔滴过渡精确控制为焊接过程精确控制提供了一种新的方法和手段。     

ACQUIRING AND PATTERN RECOGNITION OF SPECTRUM INFORMATION OF WELDING METAL TRANSFER

In order to recognize various metal transfer modes, by the creation of a pattern recognition system for metal transfer mode, five kinds of spectrum signal in gas metal arc welding (MIG, MAG and CO2) are collected and taken as training samples. These samples are pretreated by computer. Several key characteristic parameters of the spectrum signal are creatively extracted, and a corresponding recognition function and a minimum-distance-classifier are constructed. The results show that using this method, the pattern recognition of several kinds of metal transfer mode for the metal gas arc welding can be done successfully. It has good accuracy and recognition precision, basis for controlling the metal gas arc welding metal transfer automatically, and relative important parameters in welding process, such as the frequency of droplet transfer and the approximate diameter of each droplet, can also be obtained.     

CHARACTERISTICS OF DROPLET TRANSFER IN CO2 LASER-MIG HYBRID WELDING WITH SHORT-CIRCUITING MODE

LF6 aluminum alloy plates with 4.5 mm thickness are welded in this experiment.Welding is carried out by using the CO2 laser-MIG paraxial hybrid welding in flat position. The experimental results indicate that the inherent droplet transfer cycle time of conventional MIG arc is changed due to the interaction between CO2 laser beam and MIG arc in the short-circuiting mode of laser-MIG hybrid welding. Because of the preheating action of CO2 laser to electrode and base material, the droplet transfer frequency of MIG arc is increased in the hybrid welding process. When laser power is increased to a certain degree, the droplet transfer frequency is decreased due to the effect of laser-induced keyhole. Furthermore, through analyzing the MIG welding current and arc voltage waveforms and the characteristics of droplet transfer in the hybrid welding process, the effect of laser energy and the action point between laser beam and arc on the frequency of droplet transfer and weld appearance is investigated in details.     

脉冲MIG焊熔滴过渡光谱控制法的研究

在有关电弧光谱信息研究的基础上,提出并成功地实现了脉冲MIG焊熔滴过渡的光谱控制法。它是一种物理状态控制法。试验表明：当峰值电流、基值电流、脉冲频率等焊接参数改变时,本方法均能保 持熔滴过渡为1峰0基的过渡。它具有精确控制熔滴过渡的能力,能更好地得到稳定的焊接过程和焊接质量。它还具 有抗干扰能力强、工艺适应性好、在线调节方便等一系列优点,并可期望用于2峰0基、3峰0基等的控制中,有很大的 发展潜力,为脉冲MIG焊过程和质量的自动控制提供了一个崭新的方法,是电弧光谱信息应用的新的重要发展。 试验还表明,光谱峰后切换法是实现1峰0基的最佳控制策略。论述了该方法的控制系统、原理、控制策略、焊接参数、 试验结果与分析等。     

Effect of laser on the welding process of short-circuiting transfer MIG welding of aluminum alloys

In this paper, the effect of laser on the welding process in metal inert gas (MIG) welding of aluminum alloys was studied exploiting high-speed imaging and welding electrical signals collecting. Bead-on-plate welding experiments were conducted using conventional short-circuiting transfer MIG welding and laser-short-circuiting transfer MIG hybrid welding. The obtained results point out that it took less time to strike the arc in laser-MIG hybrid welding, and the stability of arc striking was increased. When the laser was introduced into the arc atmosphere, the arc was compressed, and the welding energy was more concentrated. The arc cathode spot was fixed to the laser beam impinging spot, so the arc could burn stably. In laser-MIG hybrid welding, the droplet short-circuiting transfer stability and the weld appearance were improved significantly. Moreover, an analysis method of judging droplet transfer stability which bases on statistical techniques was proposed. By this method, it can be concluded that the short-circuiting transfer process became more stable in laser-MIG hybrid welding.     

焊接电弧光谱的分布特征

在试验的基础上,给出了焊接电弧光谱的频域及空间分布的测试结果,分析了焊接电弧光谱的结构。通过分析得出了ＴＩＧ焊电弧光谱空间分布的差异性和ＭＩＧ焊电弧光谱空间分布的相似性,着重指出ＭＩＧ焊电弧光谱与熔滴过渡之间存在密切关系。此外,还对焊接电弧光谱特征的应用提出了方向。     

熔化极气体保护焊熔滴过渡光谱信号模式识别系统的研究

为实现熔化极气体保护焊熔滴过渡类型的自动识别,开发了熔滴过渡光谱信号模式识别系统,利用此系统,获得了大量各种熔滴过渡类型的光谱信号。以此为样本,根据模式识别的原理和方法,在Windows环境下,以Visual Basic为开发语言,设计了熔滴过渡光谱信号模式识别软件,成功地对各种熔滴过渡类型进行了自动识别。     

脉冲MIG焊建模仿真分析及弧长控制

针对脉冲MIG焊过程中的电弧稳定性问题,建立基于尖端不稳定熔滴过渡理论的焊丝熔化动态电弧模型,并对焊接过程中的电弧电压、电弧长度及熔滴过渡尺寸进行仿真,得到与实际焊接相似的电弧电压波形,分析脉冲电流下熔滴过渡频率及影响电弧稳定性的因素,且进行弧长稳定控制的仿真研究,在此基础上运用快速原型技术建立铝合金脉冲MIG焊控制系统,采用电弧电压反馈对铝合金脉冲MIG焊过程进行送丝调节的弧长控制试验。研究表明:所建立的铝合金脉冲MIG焊焊丝熔化动态电弧模型很好反映了实际焊接过程,揭示出脉冲MIG焊焊接过程中熔滴过渡时间间隔具有一定的不确定性和电弧长度的不稳定性,通过电弧电压反馈控制可显著改善铝合金脉冲MIG焊过程电弧系统的稳定性。     

SENSORING DROPLET SPRAY TRANSFER IN MIG WELDING BASED ON ARC SPECTRUM SIGNAL

0 INarunIowThe manipuistbo fOr drOplet tranSfer in gde arcmetal welding is one of the essential taSks of theweimng pe and qedty control.The researh ofthat in MIG wdding, opedaUy in Pulse MIGwetalng, has been paid a great attentbo to fOr its gndwelding qedty and flekible apPlication in maerialsand OPerting POStion. The dmplet transferrnanipulation is generally carried out by adusting theennyy Pararneters to contro the PrOCdure of eachdroplet from the breindng Of its grOwth to the end…     

GMAW焊接熔滴长大和脱离动态过程的数学分析

考虑GMAW焊接过程中熔滴过渡的主要特点,利用“质量-弹簧”理论建立了熔滴过渡的数学模型,对连续电流条件下GMAW焊接熔滴过渡过程进行了动态力学分析。定量分析了熔滴过渡形式、振荡速度等对熔滴过渡行为的影响,预测出了不同焊接电流条件下的熔滴脱离尺寸和过渡频率。结果表明,在同一焊接电流条件下, 上一个熔滴的脱离会影响到下一个熔滴在焊丝末端的振荡,并影响熔滴的尺寸和过渡周期:熔滴尺寸和过渡频率的理论计算值与试验数据基本吻合。