连续焊接P-GTAW熔池振荡频率激光光电转换实时检测系统

钨极氩弧焊(GTAW)熔池振荡频率与熔池体积具有直接物理对应关系,但振荡频率检测十分困难. 为此,提出了一种基于光电转换原理的激光光电转换法用于连续脉冲钨极氩弧焊(P-GTAW)熔池振荡频率的实时检测并搭建了试验平台. 采集了激光光电转换法熔池振荡电压信号和图像激光视觉法的激光条纹视频,并对比分析了两种方法的优缺点. 结果表明,图像激光视觉法具有较强抗干扰能力、信噪比高,但算法复杂,很难用于实时检测;激光光电转换法具有高采样率、处理速度快、设备简单、信噪比高等特点,能够满足对熔池振荡信号的实时检测及后续熔透控制.     

弧光法与激光视觉法检测熔池振荡特征的对比分析

为了研究不同焊接条件下激光视觉法与弧光传感法对脉冲GTAW焊熔池振荡信号的传感效果,分别建立了相应的试验系统,并进行了提取脉冲GTAW定点及连续焊熔池振荡频率的试验,对比分析了两种方法的传感效果. 结果表明,定点焊时弧光传感法与激光视觉法都能够稳定并准确的检测出熔池振荡频率;连续焊时随着焊接速度的提高弧光法传感获得熔池振荡信号质量变差,而焊接速度的变化对激光视觉法获得熔池振荡信号质量影响较小. 因此在连续焊接条件下,激光视觉法具有更好的适应性.     

焊接现场脉冲GTAW熔池图像动态检测

通过熔池的动态观测可以获得焊接过程的稳定性和连续性等信息.熔池的动态观测目前基本上停留在试验室阶段,焊接现场对熔池进行观测在改进工艺和指导生产等方面更具意义.针对焊接现场焊接电源不能修改,非计算机可控,电流电压波形未知等问题,在焊接现场建立了一套焊接熔池图像动态检测系统.根据焊接现场脉冲GTAW的特点,采用"外同步取像"方式确定了焊接现场取像的关键制约因素--取像时刻;并利用电弧光谱分析建立了减小弧光干扰的复合滤光系统;在适合的取像时刻,CCD摄像系统配合复合滤光系统,在焊接现场检测到了清晰的熔池图像.     

基于被动视觉的管子-管板GTAW熔池检测及处理

针对换热器管子-管板自动焊的特点,设计了一套适应于管子管板钨极氩弧焊(GTAW)的CCD视觉传感器和减光/滤光系统,实时获取管子管板焊接液态熔池图像。开发了一套基于部件树的图像特征点提取算法,能够有效获取管子管板GTAW熔池边缘图像,通过曲线拟合方法,可获取完整的熔池轮廓曲线和熔池特征尺寸信息,进一步实现管子-管板自动焊远程监控。     

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。     

试验参数对GTAW熔池表面三维形貌测量的影响分析

测量熔池表面三维形貌对实现全熔透控制、自动化焊接以及研究电弧与熔池间的相互作用机理具有重要的意义。针对熔池表面高度尺寸不易测量难题,提出了激光视觉测量熔池表面三维形貌方法。基于激光视觉测量原理设计搭建了传感测量试验系统。投射一直流小功率结构光激光器产生的19×19点阵激光于GTAW熔池表面,由CCD摄像机实时采集了经熔池表面反射的激光点阵视频图像,并在304不锈钢板上进行了光路参数和焊接规范变化对传感质量的影响规律试验研究。结果表明,基于此试验系统所获得的反射激光点阵变化能够表征熔池自由表面三维形貌的变化,通过试验研究获得了采集最佳视频图像的参数范围,缩短了焊接试验周期,为后续熔池自由表面的三维恢复提供了有效、可靠的图像数据。     

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。     

GTAW熔池三维表面激光点阵反射特征的仿真与优化

熔池表面三维测量对实现GTAW熔透控制及深入理解电弧、熔池耦合作用具有重要意义. 基于激光视觉提出了一种熔池表面测量方法. 在熔池表面测量时激光光路参数变化对反射点阵图像有较大影响. 为了研究激光入射角、激光器到熔池距离、成像屏到钨极距离对传感质量的影响规律,建立了熔池表面标准模型、入射线、反射线、成像屏方程,并采用光学反射定律逆向仿真了反射点阵的变化规律,并通过工艺试验对仿真结果进行了验证. 结果表明,θ,D,L的最佳调节范围为28°～32°,45～55 mm,50～60 mm;仿真结果与试验结果吻合良好.     

不同保护气体对连续激光线焊熔池的影响研究

为研究低功率光纤激光器连续激光线焊工艺过程中不同类型保护气体对焊接熔池的影响,选用304不锈钢作试验材料,对比无保护气、压缩空气、氮气、氩气和氦气5种保护气体模式下连续激光线焊工艺方式得到的焊缝外观情况及熔池形貌。试验结果表明,相较于无保护气体模式,保护气体模式下熔池成形更加稳定,焊缝边缘平整,外观缺陷相对较少;在保护气体的作用下,熔池截面呈特殊的“钉头型”。不同类型保护气体会对熔池尺寸产生一定影响。试验条件下,相较于无保护气体,在氮气条件下,焊缝熔宽均值增加44.7%,熔深均值增加16%;氩气条件下,熔宽均值增加55.3%,熔深均值增加8.9%;而氦气条件下,熔宽均值增加59.6%,熔深情况变化不大。焊接氛围气体导热系数、氛围气体电离能和吹气散热效应是导致差异的主要原因。生产中兼顾焊接效果及经济成本,在薄板低功率精密焊接过程中,采用氩气作保护气体是较佳的选择。     

铝合金脉冲GTAW熔池表面反射模型的建立

利用从阴影恢复形状方法计算熔池表面高度的关键是建立熔池表面反射模型。通过分析铝合金脉冲GTAW的电弧光强、滤光系统、熔池形状和反射特性、摄像机参数,建立了熔池表面的反射模型。利用熔池表面光滑模型和变因子超松弛方法计算了熔池表面的高度。     

大功率光纤激光焊接熔池特征提取技术研究

本文针对大功率光纤激光焊接不锈钢板紧密对接焊缝,建立了一个熔池动态信息的近红外图像检测系统,用于焊接熔池视觉信息的采集。应用可见光波和红外光波段滤光组合技术解决了焊接过程中飞溅、等离子体和红外辐射的干扰,在近红外高速摄像机获取清晰的熔池区域图像的基础上,研究了大功率光纤激光焊接熔池图像特征的提取方法,为焊缝跟踪和焊接质量控制提供可靠的视觉信息检测。     

基于视觉传感的脉冲TIG焊熔池一次图像获取的研究

依据弧光光谱理论，采用辅助光源及复合滤光技术，有效地解决了焊接区熔池成像的干扰和清晰度差等问题，研究了滤光片与辅助光源对成像质量的影响和作用。试验结果表明，同普通图像采集方法相比，该系统获得图像的清晰度得到明显的提高，可以用于焊接过程的实时监控。     

基于阴影的激光深熔焊熔池形态分析

熔池形态特别是熔池体积使用现有测量手段难以直接进行测量.采用大功率盘形激光对304型不锈钢厚板进行平板堆焊,通过外加辅助强红外激光光源投射熔池阴影,采用高速摄像机加装组合滤光片摄取清晰地熔池及其阴影动态图像,提取焊接过程中熔池投射阴影的面积变化,并进行一元线性回归和相关性分析.结果表明,熔池的阴影面积变化与焊接质量存在正相关性,为焊接质量检测提供了新方法.     

并行双光束激光焊接匙孔瞬态振荡和熔池流动行为数值模拟——I.模型的建立和匙孔瞬态行为

建立了并行双光束激光焊接匙孔瞬态振荡和熔池流动行为的三维数学模型,模拟了并行双光束激光焊接过程中匙孔瞬态行为.结果表明,并行双光束激光焊接过程中,匙孔形貌演化过程复杂,其深度随时间的变化具有阶段性和一定的周期性;深度的振荡频率与单光束激光焊接在数量级一致,可达到数千赫兹;焊接速度增大,匙孔深度振荡的振幅将减小,当焊接速度增大到一定程度时,匙孔甚至可能处于稳定状态;光斑间距过大或者过小,匙孔深度振荡的振幅将变大;光斑间距太大时,熔深存在着较大的起伏.     

表面张力对激光焊接熔池及匙孔的影响

基于FLUENT19.0软件,建立了激光焊接热-流耦合模型,对比分析了不同表面张力温度系数(为负值)对熔池流场的影响.结果表明,随着表面张力温度系数的减小,熔池后方顺时针漩涡的流动趋势逐渐减弱,甚至消失,而且焊接飞溅的数量增多.纵截面熔池长度逐渐增加,纵截面熔池流体最大流动速度逐渐增大,熔池横截面的面积逐渐减小.当表面张力温度系数为-2.5×10^-4 N/(m·K)时,熔池长度平均值为3.28 mm、熔池流体最大流动速度的平均值为2.89 m/s、熔池横截面面积的平均值为4.52 mm²;当表面张力温度系数为-3.5×10^-4 N/(m·K)时,熔池长度平均值为3.73 mm、熔池流体最大流动速度的平均值为3.53 m/s、熔池横截面面积的平均值为4.03 mm²;当表面张力温度系数为-4.9×10^-4 N/(m·K)时,熔池长度平均值为4.14 mm、熔池流体最大流动速度的平均值为4.09 m/s、熔池横截面面积的平均值为3.28 mm².     

连续电流TIG对接焊熔池形状参数的视觉检测

利用普通CCD摄像机，拍摄出了分辨率较高的TIG对接焊熔池图像，对焊接熔池图像进行分析，根据图像的特点，设计出了图像边缘检测算法，检测出连续电流TIG对接焊熔池的整个边缘，通过对熔池图像进行标定，得到了熔池实际的几何参数尺寸。     

变极性频率对铝合金变极性等离子弧穿孔立焊熔池稳定性的影响机理

为研究变极性频率（VPF）对变极性等离子弧焊熔池稳定性的影响机理,采用变极性有限元模型分析了小孔熔池的热力耦合过程。该模型基于计算流体力学（CFD）技术,能够实现变极性电弧对熔池热-力作用的周期性变化。此外,为了更准确地表达小孔边界上热量和力分布沿小孔深度的变化,还考虑了小孔的二次压缩效应对热流和电弧压力的影响。比较了不同VPFs条件下小孔边界的热-力振荡强度和熔融桥在临界穿透时的受力平衡情况。结果表明,在小孔形成过程中,随着VPFs的增大,小孔边界的电弧压力、热流密度和流动速度的“振荡强度”减小。另外,不同的热-力振荡条件引起熔池温度场的变化,进而导致熔池表面张力的变化,改变了熔融桥在穿透时的受力平衡条件,影响穿孔熔池的稳定性。当EP相电流占空比为1/5,VPFs大于33,小于83时,匙孔边界的热-力“振荡强度”较弱,熔融桥在临界熔透状态下能保持力平衡,熔池稳定。当VPFs小于33时,“振荡强度”较强,并且熔融桥的受力平衡被打破,熔池趋于被切割。当VPFs大于83时,虽然此时熔融桥“振荡强度”较弱,但因熔融桥受力平衡被打破,熔池处于不稳定状态。最后,通过熔合线形状、小孔穿透时间和焊缝背面小孔尺寸的比较,验证了所建立模型的准确性。     

铝合金脉冲MIG焊参数对熔池视觉传感效果的影响

利用建立的铝合金脉冲MIG焊熔池CCD视觉传感系统,通过焊接工艺试验研究了脉冲电流模式、熔滴过渡形式、焊丝伸出长度、焊枪位置和焊接电压等焊接参数对熔池视觉传感效果的影响规律.结果表明,熔滴过渡形式对视觉传感效果影响最大,在合适的脉冲电流模式下,通过调整焊接工艺参数使熔滴过渡为小颗粒自由过渡,配合短弧焊接既可得到良好的焊缝质量和成形,又可保证视觉传感效果.