磁场作用下铝/钢CMT焊接温度场及熔池流动行为

为探究纵向磁场在铝/钢冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)焊接过程中的作用机理,采用ANSYS软件对纵向磁场作用下电弧形态、温度分布和熔池流动行为进行数值模拟,重点研究不同线圈励磁电流对焊接温度场和熔池流动行为的影响。结果表明,外加磁场可以改变电弧等离子体的运动行为,进而影响了焊接电弧在基板表面和熔池内部的热量传导行为。施加磁场后,熔池中的峰值温度发生下降,峰值温度区域由熔池中心转向熔池外围,铝/钢界面处的高温停留时间和温度也随之下降。此外,外加磁场改变了铝液熔池内部的流动行为。熔池内部的流动特征由无磁场时的单一环流,转变为有磁场作用时的双环流流动特征。随着励磁电流的增加,熔池内部的流速和流动范围有增大的趋势。     

表面活性元素硫对焊接熔池流动方式和深宽比的影响

建立了三维移动热源作用下焊接熔池的数学模型,模拟了表面活性元素S在不同质量分数作用下的熔池中的速度场和温度场。结果表明,S元素显著地影响了熔池中的流动方式,熔池深宽比随S质量分数的增加而迅速增大,当S质量分数超过80×10－6时,深宽比趋于一定值。S质量分数小于120×10－6时,熔池表面温度高于正表面张力温度系数发生的温度范围,正、负表面张力温度系数同时存在,温度梯度在最大表面张力处最大;当S质量分数超过120×10－6时,正表面张力温度系数控制着熔池中的流体流动,液体金属从熔池边缘流向熔池中心;随着S质量分数的增加,在熔池中出现数目、大小、方向和位置不同的涡流,当涡流的方向为由熔池边缘流向熔池中心时,涡流有效地把电弧能带到熔池底部,产生较大的熔深。     

基于非负矩阵分解的熔池图像识别方法

为探求视觉传感智能识别焊接缺陷技术，利用电荷耦合器件(CCD)相机采集了熔化极气体保护焊(GMAW)熔池图像，分析了不同工艺条件下熔池动态变化过程及所对应的焊接缺陷，提出利用非负矩阵分解法对熔池图像进行解析，得到熔池图像的特征矩阵。通过最小二乘法计算未知焊接过程测试图像在特征矩阵的投影值，给出了焊接缺陷的自动识别方法。研究结果表明，焊接质量和熔池稳定程度有关联，熔池紊乱表现为熔池轮廓波动、浮渣离散等特点，熔池稳定程度下降伴随着焊接质量的下降，以及焊缝出现缺陷。利用非负矩阵分解法得到的熔池图像特征矩阵，能够对原始图像进行整体性描述(如熔池轮廓)和局部性描述(如浮渣区域、电弧区域等),具有物理可解释性，可用于识别焊接缺陷。     

基于焊枪与熔池耦合模型的焊工调控行为研究

模拟解析有经验高级焊工焊接行为并实现抽象焊接行为的程序化无疑是快速发展机器人智能化焊接的优选路径之一。而同步传感测量焊工焊枪姿态和熔池状态是实现焊接行为程序化的关键。针对现有焊枪姿态和熔池特征测量系统的独立性及焊工与熔池交互过程的同步耦合分析需求,建立了传感器-万向节-焊枪钨极尖端三坐标系间的数学转换模型和熔池与焊枪钨极尖端运动坐标的双向耦合模型。通过预设机器人焊枪姿态摆动试验验证了双向耦合模型的有效性和准确性。在时空同一坐标下对比分析了不同焊接水平焊工对熔池状态的调控行为和焊缝成形质量的控制能力。结果表明,利用熔池-焊枪双向耦合模型可以获得能够表征焊工操控焊枪空间运动的较准确姿态样本数据;经模型转换的焊工操控焊枪α、β角与机器人摆动预定值的误差均小于1.2°,γ角误差约为1.5°;未经实操培训焊工操控焊枪规范性差,调控熔池动态平衡表现出调节时刻和规律的高随机性,对熔池状态动态评估能力极其匮乏,无法保证焊接过程稳定和高的焊接质量;经长期实训焊工运枪动作规范、规律性强,对熔池状态动态评估能力丰富和强的交互意识,全焊接过程能够保持熔池形态的稳定和焊缝的全熔透。     

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO₂颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明：单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。     

双丝电弧焊熔滴过渡形式对熔池影响模拟研究

双丝电弧焊是一种满足了焊缝质量、焊接效率的高效焊接方法,得到了广泛的应用.采用数值模拟方法,建立双丝电弧焊热源模型,考虑到熔滴在不同的过渡形式下以不同的动量、热量滴入熔池,建立了熔滴热源、动量模型,对焊接过程中影响熔池流动的驱动力进行加载,并且考虑了熔池边界能量的辐射和对流.对熔滴不同过渡形式下的熔池热场与流场进行模拟分析,熔池的流场和温度场.结果表明:熔滴喷射过渡可以得到更大的熔深和熔宽,以及熔宽比,大的深宽比有利于形成高质量的焊缝,提高焊接质量.细滴粒过渡熔池可以得到更高的焊接温度,熔池长度相对较短,热量较为集中,在熔池深度和宽度方向上金属流动更剧烈,有利于将气体以及杂质带至熔池表面并排出.     

激光-MAG复合焊接过程金属蒸气和背部熔池图像分析

在激光-MAG复合焊中,金属蒸气和背部熔池包含着大量的焊接状态信息。以316不锈钢和400低碳钢为试验对象,作异种材料复合焊接,并应用高速摄像机获取焊接过程中正面金属蒸气和背部熔池的实时图像。提取金属蒸气面积形态特征,结合背部熔池图像同步分析金属蒸气周期性变化规律并研究金属蒸气和焊接状态、焊缝成形之间的关系。以灰度共生矩阵(GLCM)方法分析图像纹理特征,并用能量、对比度和熵三个特征分析背部熔池与焊缝成形之间的关系。结果表明,所分析方法能有效反映金属蒸气的变化机理,金属蒸气和背部熔池与焊接状态之间的关联,为在线检测复合焊接质量提供依据。     

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。     

钽薄板TIG氦弧点焊熔池的动态测定与分析

TIG焊接过程中,熔池的动态变化直接影响焊接质量。为了研究钽薄板TIG焊过程中熔池的变化规律,用高速摄像系统精确地测定钽TIG焊过程中熔池的动态尺寸,突破了目前用焊后焊缝尺寸间接推测熔池大小的方法,为基于熔池的焊接质量实时控制奠定了基础。熔池动态测定过程中关键是合理选择熔池区的边界,准确地判别特征光环。     

激光焊接不锈钢熔池图像分割算法

激光焊接熔池的形态及其变化与焊接质量密切相关。设计高速视觉传感系统,通过增加特定波长辅助光源照射熔池,获取熔池形态相关信息。通过分析熔池及其阴影与背景的特点,将图像分为左右两部分,分别采用不同组合的数学形态学处理,分割出熔池及其阴影的区域。通过试验验证,该算法能够有效分割熔池及其阴影,为后续熔池形态变化及焊接质量分析打下了基础。     

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。     

激光入射角影响焊接熔池匙孔瞬态行为数值模拟

在激光焊接中,激光入射角直接影响着熔池匙孔瞬态行为,而仅采用工艺试验方法难以探索其规律。利用数值模拟技术模拟激光入射角分别为30°、0°、-30°的焊接过程,研究激光入射角对熔池匙孔瞬态行为的影响。同时通过激光焊接试验对仿真结果进行验证,数值仿真的焊缝横截面形貌与试验结果吻合较好,表明仿真结果能够反映激光焊接过程。分析不同激光入射角下温度场、熔池内流场、匙孔后壁反冲压力、匙孔深度和匙孔后壁静压力的变化。结果表明,激光入射角的正负影响熔池内部流动的快慢;激光入射角为正时,有利于抑制飞溅形成,而激光入射角为负时,则促进飞溅生成;激光入射角的正负明显影响匙孔的稳定性,当激光入射角为负时,匙孔稳定性降低,坍塌频率增加,产生气泡的概率提高。使用合适的激光正入射角有利于提高激光焊接质量。     

热输入及焊接顺序对熔池尺寸及变形量影响的数值分析

运用有限元分析方法,采用双椭球体热源模型,通过制定不同的焊接工艺方案,建立平板对接X型坡口焊接模型,研究不同热输入及焊接顺序对熔池及变形尺寸的影响。结果表明,焊接过程中存在明显的温度梯度,整个焊接过程中,都伴随着温度的变化。焊接热输入越大,熔池及热影响区的尺寸也越大。采用反复对称焊的方法,可以最大限度地减少焊接变形。     

焊接速度对电弧增材熔池流动及焊道形貌影响的数值模拟研究

焊接速度对电弧增材成形过程中传热传质以及焊道成形有重要影响，为探究其影响机理，建立TIG电弧增材成形过程的三维瞬态数值模型，采用VOF方法追踪熔池自由界面，研究不同焊接速度下单道熔积成形过程中的传热及熔池流态，并分析焊接速度对单道焊道形貌的影响。数值模拟结果表明，随着焊接速度减小，熔池的热积累增强，体积增大，熔池表面峰值温度提高，弧坑深度也加深；同时，在电磁力和熔池表面力的共同作用下，熔池表面流速峰值随焊接速度减小而减小，熔池内部流速增大，对流更充分。此外，随着焊接速度减小，成形焊道的宽度和高度均有不同程度的增加。相同条件下的试验与数值模拟的焊道轮廓对比验证了数值模拟结果的有效性，研究结论可为电弧增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。     

不锈钢超薄板脉冲微束等离子弧焊熔池尺寸和焊缝成形质量

利用基于背光光源的熔池视觉传感检测系统采集超薄板脉冲微束等离子弧焊焊接过程中熔池轮廓的变化,在平均电流为1.8 A条件下研究基值电流与峰值电流之比(0.29～0.71)、占空比(30％～70％)、脉冲频率(25～100 Hz)对304不锈钢超薄板焊接熔池尺寸和焊缝成形质量的影响.结果表明:在试验条件下采集到的熔池宽度均...     

活性剂焊接技术的研究

活性剂焊接是近十年来发展起来的增大焊接熔深，改善焊缝成形和焊接质量，提高焊接生产效率的新技术。早期主要集中在A—TIG焊，已在碳钢、不锈钢、高温合金、钛合金的焊接中有了成功的应用，对于铝镁合金的活性剂焊接技术也在研究中。目前研究认为活性剂提高熔深的机理一是活性剂可影响电弧特性，提高电弧的能量密度和作用于熔池的电弧力，二是活性剂影响了熔池的表面张力而提高了焊接熔深，或是2种原因兼而有之。随着A—TIG焊应用的成熟，活性剂焊接拓展到MIG焊、等离子弧焊和激光焊中的应用成为活性剂焊接发展的一个方向，在提高熔深，改善焊缝成形方面有了初步的效果。     

等离子弧焊接穿孔行为的声信号传感

使用高精度传声器采集穿孔型等离子弧焊接过程中的声音信号 ,围绕焊接过程中出现的“小孔效应” ,开展了等离子弧焊接熔透的声音信号传感方法的研究。结果表明 ,焊接过程中的声音信号在熔池的过渡阶段产生了剧烈的低频振动 ,与熔池的振动有关 ,说明声音信号的低频段分量中包含有熔池穿孔状态的信息。频域分析表明 ,声音信号的低频段分量 (0～ 10 0Hz) ,在熔池处于不同阶段时有明显的变化 ,熔池处于过渡阶段时其值大 ,穿孔后小 ,未穿孔时居中。据此 ,设计出了声音信号的A算法 ,用于识别焊接过程中熔池的穿孔状态 ,该算法可靠性较高 ,为等离子弧焊接熔透质量监测及闭环控制提供了前提条件     

激光致熔池图像获取及质心提取方法研究

激光焊接已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、医疗器械等领域关键部件的制造。为保证焊接质量,可使用工业CCD相机在焊接过程中实时检测熔池中心与焊缝间的偏差,并根据偏差进行调整。因此,首先要对激光致熔池获取和质心提取方法进行研究。由于激光焊接中熔池温度高,应用工业CCD相机直接拍摄熔池的图像无法进行图像处理。为拍摄熔池清晰图像,在对熔池辐射光线特性进行分析的基础上,结合工业CCD光谱响应特性,确定合适的采集熔池图像所需光谱波长范围。应用镜头前放置了所求波长滤光片的工业CCD相机,拍摄直接作用在304钢板上的激光致熔池图像,并对熔池边缘识别和熔池质心计算方法进行了研究。实验表明,所提出激光致熔池提取方法及质心计算方法有效。     

基于ANSYS分析异种钢辊子焊接温度场

轧机设备中的辊子是轧钢机的主要部件,通过对轧机设备中辊子的辊套和辊颈配合装配焊接温度场数值模拟,得出了移动的焊接熔池表面形状呈现着椭圆形拖尾的彗星状以及各时间段焊接温度场的分布情况,且进一步分析了焊接热过程骤冷骤热现象。并且在不同预热温度的前提下,研究了焊接熔池最高温度的变化情况,得出了二者之间的关系曲线。     

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。