全熔透钨极惰性气体保护电弧焊熔池流动与传热动态过程的数值分析

针对原有钨极惰性气体保护电弧焊熔池形态模型存在的问题,采用液体分数法处理了固液相变潜热,利用完备的熔池表面变形方程组描述了熔透熔池上、下表面变形方程的耦合作用,进一步提高了熔池形状尺寸与熔池表面变形的数值计算精度。在此基础上,对全熔透GTAW焊接熔池中的流体流动与传热过程和熔池形状的动态变化过程进行了数值模拟,展示了熔池形态的瞬时演变特性。     

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。     

钨极惰性气体保护焊熔池流动特性研究方法

钨极惰性气体保护(TIG)焊过程中的熔池流动对焊缝最终几何形状、显微组织、残余应力等有重要影响,了解熔池流动特性对控制焊缝质量和性能有重要意义。目前,熔池流动特性的研究方法主要分为试验测试、数值模拟和量纲分析3大类,综述了近年来国内外关于TIG焊熔池流动特性研究方法的现状,对比分析了不同研究方法的特点,并对今后的研究方向进行了展望。     

钨极氩弧焊熔透熔池塌陷倾向的预测

对钨极氩弧焊(GTAW)全熔透熔池进行受力分析,建立熔透熔池的力学模型,提出熔池塌陷的力学判据.利用所建立模型计算并讨论影响熔池塌陷的各个作用力的动态变化、大小和百分比组成,并预测钨极氩弧焊焊接不锈钢和低碳钢薄板时在不同焊接速度下的合适焊接电流范围.试验结果与理论预测相一致,验证了所建立模型的实用性.     

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。     

活性剂钨极惰性气体保护电弧焊接熔池行为的观察

利用高速数字摄相机对涂敷活性剂与不涂活性剂条件下的熔池表面流体流动形态及等离子体行为进行观察.利用X射线实时焊缝数字观察系统,用钨粒子示踪法测试熔池流体流动的规律.试验结果表明,活性剂使电弧收缩、改变熔池流体的流动方向并使流体流动速度加快,有活性剂时的涡流流动速度比无活性剂的涡流流动速度增加4倍,强烈的熔池流体向内对流是活性剂钨极惰性气体保护电弧焊熔深增加的主要原因,验证了数值模拟得到的结果.     

脉冲熔化极气体保护焊熔池振荡行为检测及特征分析

熔池表面振荡行为与熔透之间存在明确的物理对应关系,然而在熔化极气体保护焊焊接过程中受熔滴传质过程的影响,想要从熔池表面的多维振荡行为中传感并明析反映熔透状态的振荡特征信息较为困难。基于此,提出采用激光视觉测量脉冲熔化极气体保护焊熔池振荡行为的方法,对未熔透、临界熔透和全熔透状态下的五/单线激光条纹进行采集,采用图像处理算法获取不同熔透状态下熔池的振荡频率、振荡幅度、曲率以及宽度振荡特征信息,并对上述振荡特征与熔池自由表面波动行为以及背面熔透状态之间的相关性进行分析。结果表明：三种熔透(未熔透、临界熔透、全熔透)状态下的熔池表面振荡模式均为行波模式;熔池振荡频率与振荡模式直接相关,不同熔透状态的振荡模式并未发生改变使频率特征也未出现突变;曲率、宽度与熔池上表面体积之间存在相关性,从未熔透到全熔透熔池上表面体积变化较小使曲率、宽度特征也未发生突变;而振荡幅度主要取决于熔池底部约束条件的变化,在全熔透状态下由于熔池底部第二自由表面的出现导致熔池整体振荡的自由度增加,使其出现特征突变。特征突变即该振荡特征在不同熔透状态下具有显著变化。     

考虑金属蒸汽的定点活性钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

建立包括钨极、电弧和阳极的定点活性钨极惰性气体保护(Activating tungsten inert gas,A-TIG)焊电弧熔池交互作用统一数学模型。通过麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解,得到了电弧和熔池的温度、等离子体运动速度、熔池流动速度、电弧压力、电势、电流密度和金属蒸汽分布等结果。因为在A-TIG焊中,熔池的内向流动造成了大量的热被传入到熔池底部,热量的利用率更高,导致焊接熔池的表面温度比TIG焊的表面温度要高,从而引起了金属蒸汽浓度的增加,所以考虑金属蒸汽的A-TIG焊的电弧等温线较考虑金属蒸汽的TIG焊的电弧等温线有一定程度收缩。结果表明,考虑金属蒸汽对A-TIG焊熔深的模拟结果具有一定的影响,熔深减小约6%,该结果与有关试验研究结果吻合良好。     

GTAW熔池激光条纹动态行为与熔透预测方法研究

熔透状态是影响焊缝质量的关键因素之一,可靠传感并实时预测焊缝熔透状态对于提升焊接质量以及焊接智能化水平具有非常重要的意义。利用激光视觉法对低频脉冲钨极氩弧焊(Pulsed gas tungsten arc welding, P-GTAW)不同熔透状态下的反射激光条纹进行了检测,通过建立熔池表面标准模型分析了激光条纹图像动态行为与三种熔透状态熔池自由表面之间(未熔透、临界熔透、全熔透)的相关性,并基于深度学习卷积神经网络建立了GTAW熔透预测模型。研究表明：P-GTAW激光条纹的动态行为与熔池背面熔透状态、熔池表面振荡模式之间存在明确的光学对应关系,所建立从激光条纹图像到GTAW背面熔透状态的端到端卷积神经网络模型能够准确分类未熔透、临界熔透和全熔透三种状态,且分类准确率可达到98.1%,能够实现焊缝熔透状态实时传感及预测。     

脉冲MIG焊熔池行为的数值模拟研究

基于流体力学、热力学及电磁学等理论建立二维脉冲MIG焊熔池数学模型,在Fluent软件中通过用户自定义程序(UDF)添加模型所需的热源、动量源项以及定义材料的物性参数,对焊接过程进行数值模拟,分析各驱动力对脉冲MIG焊熔池行为的影响以及熔池在脉冲周期内的变化规律。模拟结果表明,在焊接过程中马兰戈尼力对熔池影响最大,其次为电弧压力,然后为电磁力,浮力影响相对较小。在各驱动力复合作用时,熔池表层的熔池形态以马兰戈尼力为主导,熔池内部以电磁力为主要作用力,造成熔池内形成了两种不同方向的环流。熔滴冲击力主要作用于熔池表层,对熔池内部影响较小。脉冲MIG焊高速摄像试验表明,实际熔池形态与模拟结果吻合良好,验证了熔池模型的合理性。     

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。     

氮氩保护的TIG焊电弧等离子体的数值分析

以TIG焊接电弧为对象，依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型，运用ANSYS有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氩氮混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析，得到了30％N2＋70％Ar（体积分数）混合气体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征。通过与纯氩气保护的TIG焊接电弧温度、压力以及等离子体速度等分布的比较，得出了加入氮气作为保护气体时的TIG焊接电弧能量及形态的分布变化。对比结果表明，加入氮气作为保护气体，提高了TIG焊接电弧的电弧温度、等离子体速度和电弧压力，能得到更高能量密度的焊接电弧。     

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。     

TIG焊接电弧与熔池统一模型有限元分析

根据磁流体动力学理论以及焊接的实际情况,建立了三维TIG焊接电弧与熔池的统一数学模型,避免了对电弧以及熔池界面条件的假定,使得对焊接电弧与熔池行为的分析与实际情况更近了一步。运用该数学模型对TIG焊接电弧和熔池的流场和热场进行了有限元分析。采用等效比热法来确定液相分数,假定固液相等同区来解决工件熔化区与非熔化区的移动边界。结果表明：用数学模型模拟出的电弧行为特征以及熔池形状与试验结果相吻合。     

基于伺服控制的焊管内保护气托与熔池同步系统

介绍了在不锈钢焊管生产中,需要在工件背面进行充氩保护,使用背保护气托是一种经济有效的方法。背保护气托需要与熔池同步移动,针对同步的要求,提出了一种利用伺服电机实现该同步的方法,该方法简单易行,工作可靠,同步效果良好。     

GMAW焊熔池图像处理算法

根据GMAW焊的特点,建立焊接熔池图像传感系统,获取了清晰的熔池图像,并对焊缝熔池图像的特征进行分析。采用自适应维纳滤波、GAMMA值增强和Otsu阈值分割进行图像预处理,并采用形态学开运算和Prewitt边缘检测算子对图像进行了后处理。结果表明,这套算法能够对熔池图像进行有效地处理,获得清晰完整的熔池边缘。     

基于M带小波变换的焊接熔池图像边缘检测

利用M带小波变换理论对CO2焊图像进行处理。基于Mallat小波模极大值边缘检测技术，研究了熔池边缘和焊缝位置的M带小波检测方法及算法实现，对边缘检测结果进行了分析。对CO2焊图像处理结果表明，用M带小波变换理论构造的小波基对提取熔池边缘和焊缝位置效果较好，可用于熔深控制、焊缝跟踪等领域。     

超高频脉冲GTAW工艺特性分析

基于5 mm厚的Ti-6Al-4V钛合金平板,分别采用常规钨极氩弧焊(Conventional gas tungsten arc welding,C-GTAW)和超高频脉冲钨极氩弧焊(Ultra high frequency pulsed GTAW,UHFP-GTAW)工艺,选用相同平均电流(60 A)进行焊接,同时利用FLUKE Ti400红外热像仪对熔池中心温度进行实时监测,分别对电弧定点燃烧时、以50 mm/min焊速移动时采集的熔池中心温度进行分析。由测量结果可知,与相同条件下C-GTAW相比,UHFP-GTAW作用下的熔池中心温度最大值增加了10~40 K,表明该工艺具有更高的能量密度。分析1.5 mm钛合金对接工艺试验的组织性能测试结果发现,焊缝区细小均匀的针状α'马氏体形成的网篮组织含量增加,热影响区组织α'相呈现短且小的针状且排列更为致密,可改善接头的拉伸力学性能、疲劳性能。UHFP-GTAW焊缝的伸长率最小增幅为30%,断面收缩率最小增幅为50%,疲劳寿命至少增加2倍。