脉冲熔化极气体保护焊熔池的视觉传感与实时控制

研究对脉冲熔化极气体保护焊（GMAW）熔池过程采用视觉传感与实时控制方法的可行性问题。由于GMAW过程的熔滴过渡现象的复杂性，尝试模拟焊工通过观察熔池变化等因素来调整焊接参数获取满意的焊缝成形的行为。建立了脉冲GMAW过程熔池视觉传感系统，宏观上将熔滴过渡对熔池特征的影响作为黑箱过程处理，根据脉冲GMAW弧光光谱分布和熔池图像特征提取，实现对脉冲GMAW熔池动态过程的实时检测。采用辨识算法建立焊接动态过程的数学模型，进而设计脉冲GMAW熔宽的PID控制器，实现对脉冲GMAW熔池宽度的实时控制。试验表明，建立的视觉传感系统、图像处理算法以及控制器设计检测与控制熔池变化在一定程度上的能够满足脉冲GMAW焊缝宽度的实时性与精度要求。     

2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡行为

以2219铝合金为研究对象,搭建了激光驱动GMAW熔滴过渡试验系统,采用高速摄像系统拍摄熔滴过渡行为,分析了激光的加入对熔滴过渡行为的影响. 结果表明,通过改变工艺参数,激光的加入改变了熔滴的受力状态从而改变了熔滴过渡模式和飞行轨迹. 脉冲激光作用在熔滴缩颈处形成的蒸发反力可以有效促进熔滴过渡,得到“一脉一滴”的射滴过渡形式,提高熔滴过渡频率和熔滴过渡的稳定性,同时能够有效改善焊缝成形解决铝合金焊接射滴过渡工艺区间窄,对母材热输入高以及焊接过程稳定性差等问题.     

基于脉冲激光GMAW熔滴尺寸与过渡频率的控制

针对水下焊接修复中存在的射滴过渡可选参数范围狭窄、热输入高、焊接残余应力等问题,文中基于水下高压焊接试验舱,建立了包含多信号同步采集的激光增强GMAW试验平台,并在常压环境下进行了工艺试验.结果表明,合理选择激光作用位置和激光脉冲占空比,通过激光辅助作用,熔滴过渡摆脱了对焊接电流的主导性依赖,实现激光对GMAW熔滴过渡的主动控制.试验结果及相关理论分析为进一步的高压干法水下焊接过程稳定性控制研究及海洋工程应用奠定了基础.     

激光-GMAW复合焊接电弧热源形式对焊接过程参数及焊缝形状的影响

激光-脉冲GMAW复合焊接和激光-连续GMAW复合焊接两种热源形式在复合焊接中使用范围广,应用前景好。系统研究这两种热源形式和脉冲GMAW焊接以及连续GMAW焊接在焊接过程中的电参数变化特征及焊缝的形状尺寸。结果表明,激光-脉冲GMAW复合焊接中电参数平稳,焊接过程稳定,可有效地促进熔滴过渡,并且获得的焊缝尺寸较理想,熔深大、余高小,但激光功率3 000 W的复合焊接短路时电参数波动性增大。     

激光-GMAW复合焊接电弧热源形式对焊接过程参数及焊缝形态的影响

激光-脉冲GMAW复合焊接和激光-连续GMAW复合焊接两种热源形式在复合焊接中使用范围广,应用前景好.系统研究这两种热源形式和脉冲GMAW焊接以及连续GMAW焊接在焊接过程中的电参数变化特征及焊缝的形状尺寸.结果表明,激光-脉冲GMAW复合焊接中电参数平稳,焊接过程稳定,可有效地促进熔滴过渡,并且获得的焊缝尺寸较理想,熔深大、余高小,但激光功率3000W的复合焊接短路时电参数波动性增大.     

脉冲MIG焊不稳定过渡过程的观察与分析

基于高速摄像和电信号分析系统,采集了一定焊接工艺参数下脉冲MIG焊焊接过程的电信号,借助电信号小波分析设备对不稳定焊接过程进行了宏观分析,并对焊接熔滴过渡过程中的不稳定现象进行了高速摄像观察.观察发现,脉冲MIG焊不稳定焊接过程呈现出多种熔滴过渡形式,过渡熔滴形状多样,熔滴尺寸不均匀,熔滴形成过程中重心不稳,熔滴爆炸引起飞溅以及熔池振荡.通过对焊接过程不稳定现象的观察与分析,指出焊丝熔化能量的随机性以及熔滴上综合作用力的随机性是熔滴尺寸具有不确定性的根源.对脉冲MIG焊焊接过程不稳定现象的研究将有利于对焊接工艺性能进行有效控制.     

基于脉冲激光的GMAW熔滴过渡解耦控制

实现电流解耦的熔滴过渡,在足够低的焊接电流下仍能获得稳定的细颗粒或射滴过渡,将从根本上提升熔化极气体保护焊（GMAW）过程的稳定性和焊接质量.为此,文中提出了一种采用激光脉冲照射熔滴,利用蒸发反冲力驱动熔滴过渡的新方法.首先试验观测了光致蒸发现象,初步分析了激光蒸发反冲力的特征.进而观测分析了小电流下脉冲激光控制熔滴过渡的效果.结果表明,采用激光脉冲照射能够实现熔滴过渡与焊接电流的完全解耦,熔滴过渡随激光脉冲表现为一脉一滴的形式,熔滴飞行轨迹沿激光入射方向有一定偏转,但对焊缝成形无不良影响.     

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。     

超声模式对GMAW短路过渡行为与焊缝成形的影响

文中研究了连续输出的超声与脉冲输出的超声对GMAW短路过渡行为与焊缝成形的影响.结果表明，焊接过程中引入连续超声与脉冲超声均能改善GMAW短路过渡行为与焊缝成形.两种模式对熔滴过渡行为的影响基本一致；在焊缝成形方面，连续超声对于焊缝熔深的影响更为显著.具体结果为普通GMAW短路过渡周期约为86.5 ms；连续超声辅助GMAW短路过渡周期约为79 ms；脉冲超声辅助GMAW短路过渡周期约为76.5 ms.普通GMAW的熔宽为5.06 mm、熔深为0.361 mm，焊缝余高为1.253 mm. 与普通GMAW相比，连续超声辅助GMAW焊缝熔宽减小了0.4 mm，焊缝熔深增加了100%；脉冲超声辅助GMAW焊缝熔宽减小了0.19 mm，焊缝熔深增加了67.6%.     

脉冲双丝GMAW熔滴过渡过程中熔池波动行为数值分析

研究了脉冲双丝GMAW过程中熔池自由表面受周期性熔滴冲击引起的动态波动行为. 根据二维波动理论建立了熔池液面受迫振动以及由此产生的二维波动行为的瞬态数学模型，推导出控制微分方程，给出了相应的初始条件和边界条件并编制程序进行了数值分析. 得到了熔池自由表面的位移和振动速度分布规律、不同熔滴过渡条件下熔池自由表面的瞬时波动规律及焊接过程中表面波动所引起的干涉现象. 结果表明，表面波主要起源于前丝、后丝中心附近，导致熔池表面有较强的凹陷. 选用直径1.0 mm的焊丝可以减小熔池表面波动，防止出现较粗的焊缝波纹；当熔滴过渡频率为1 000 Hz时，容易出现焊接波纹粗大、咬边等缺陷，波动干涉随熔滴过渡频率减小而减小. 文中的工作能够为脉冲双丝GMAW的工业化生产和焊接工艺参数的优化提供基础数据和理论指导.     

GMAW熔滴过渡过程稳定性自相关分析

检测了熔化极气体保护焊(GMAW)中焊接电流和电弧电压大小等参数特征,利用数字信号分析与处理中的时域自相关特性原理,分析GMAW熔滴过渡过程的稳定性与参数关系,判断焊接电流和电压是否具有周期性.阐述焊接电弧系统中,电流自身、电压自身及电流和电压相互的变化存在相互关联,并对焊接电流和电压信号进行自相关分析,获得信号时域的周期和方差等特征信息,直观地反映出弧焊过程与熔滴过渡过程的稳定性.     

摆动电弧传感的窄坡口GMAW过程系统建模和仿真

为了研究窄坡口对焊接过程的影响规律,根据焊接的能量平衡和熔滴平衡等原理对基于摆动电弧传感的GMAW系统进行数值仿真. 针对焊炬高度的大小随着焊炬在坡口中的摆动不断变化,建立了包括焊炬摆动、电弧长度、电弧非线性负载及弧焊电源-电弧四个子系统的数学模型. 并将此数学模型转换为Matlab/simulink环境下,涵盖整个焊接回路的GMAW系统动态特征仿真模型. 结果表明,当焊接工艺参数相同时,运行系统仿真模型,可以获得和实际焊接试验基本相同的电流、电压波形数据.     

Pendant droplet oscillation during GMAW

Abstract

This paper deals with pendant droplet oscillation in pulsed current gas metal arc welding (GMAW). Using a constant current power source, bead on plate welds were made on mild steel plates. The frequency of the pendant droplet oscillation was monitored visually (using a high speed video camera) and electronically (by analysis of the voltage signals). The results obtained are compared with the results predicted by a model based on a mass spring system. It was found that the oscillation frequency of small droplets revealed by both monitoring techniques matches that predicted by the model. For larger droplets, the oscillation frequency measured by voltage signal analysis tends to be higher than that revealed by video analysis and that predicted by the model. This implies that during droplet oscillation in (GMAW) the arc behaviour may change and as a result the arc voltage is not any more proportionally related to the arc length.     

激光增强GMAW熔滴短路过渡行为分析

高能量密度的激光照射熔滴,使熔滴局部产生强烈蒸发,利用蒸发反力驱动熔滴受迫短路,促进熔滴脱离焊丝.以低碳钢为研究对象,搭建激光增强GMAW短路过渡焊接试验系统,对比研究了激光增强GMAW短路过渡焊接过程中激光入射位置、电弧高度对熔滴短路过渡行为的影响规律.结果表明,在焊接过程中施加一定功率的激光对熔滴短路过渡行为有明显的改善作用,可以通过激光改变熔滴的受力状态,控制过渡熔滴的尺寸,熔滴短路时间减小,燃弧时间增加,增加过渡频率,提高了焊接过程中的稳定性,激光增强后,焊缝表面成形均匀饱满,焊缝成形良好.     

光谱信息智能控制脉冲焊熔滴过渡

脉冲MIG焊熔滴过渡精确控制是当今焊接界研究的热门课题,采用光谱信号作为熔滴过渡传感信号,利用16倍单处机采集和处理光谱信息,从而对脉冲焊熔滴过渡过程进行了实时控制,利用本文介绍了的脉冲MIG焊光谱控制策略及实际控制方案,保证了1个脉冲过渡1个熔滴的熔滴过渡精确控制的可靠实现。     

摆动电弧窄间隙GMAW熔滴过渡规律

研究摆动电弧窄间隙焊接中的熔滴过渡规律是深入理解该焊接方法的重要基础,由于受到电弧摆动、窄间隙坡口的影响,摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡比常规焊接更加复杂.采用高速摄像系统及焊接电信号采集系统成功地对摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡过程进行观测研究,揭示了摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡特性,分析了摆动参数、焊接参数对熔滴过渡的影响.结果表明,由于焊丝在坡口之间的摆动改变了焊丝与侧壁之间的距离,引起了焊接电弧长度的变化,促使焊接电流发生了波动,从而导致了摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡的规律性变化.