电弧作用下熔透型TIG熔池液面行为的数值模拟

在正面熔化半径RZ和板厚h一定的条件下,基于对有电弧作用的熔透型TIG焊接熔池三维液面行为的分析,获得了不同背面熔化半径RB的熔池三维形状模型,利用有限元分析软件surface evolver进行数值模拟,研究了电弧对熔透型TIG焊接熔池液面的影响.结果表明,电弧的作用与否对熔池下液面的大小和形状无显著的影响;在背面熔化尺寸较小时(RB≤2.5 mm附近),电弧对上液面特征量有较大作用;电弧的作用从整体上是使熔池上液面压低.在从脉冲基值过渡到脉冲峰值期间,电弧电压(或弧光光强)增加的部分是由电流增加和熔池上液面被压低两部分引起的.     

变间隙MAG焊熔透状态的粗糙-模糊控制方法

正面熔池与熔透状态之间存在一定的对应关系.然而与熔透状态潜在相关的熔池特征众多,如何去除冗余特征,建立一个反映熔池特征与熔透状态对应关系的简洁的知识模型,对实现焊接熔透在线控制具有重要意义.提出一种焊接熔透状态的粗糙-模糊控制方法,并在变间隙MAG焊接实验中进行验证.给出2种基于变精度粗糙集的属性约简算法,以求解表征熔透状态的熔池最小特征集.通过变间隙-电流焊接试验建立熔透状态决策信息系统,引入2个用以描述熔池尾部尖削程度的形状参数,基于粗糙集知识约简和规则提取算法获取熔透状态分类规则.构建熔池尾宽系数的模糊控制模型,利用最小化模糊熵来构造误差论域上的隶属函数.通过2组变间隙焊接实验对该控制模型进行验证,结果表明,闭环控制下焊缝背面熔宽均匀一致,符合焊接规范要求.     

非对称角根焊中焊枪偏移与熔透形态的关系

中厚板单侧开V形坡口角焊缝由于两侧结构不对称,根部焊接时散热差异大,易产生未熔合缺陷. 为保证根部打底焊良好熔透成形,提出根据正面熔池形貌变化实时调整焊枪角度的策略,提升焊接熔透质量. 结果表明,随着焊接角度变化,焊枪相对熔池发生了有规律位置偏移. 对采集到的正面熔池图像进行中值滤波等处理后获取焊枪中心的位置坐标,并研究了不同角度焊接的内部熔透形态,建立了熔池正面焊枪位置偏移量与内部熔透形态的定量关系,为利用正面熔池特征信息预测控制焊接内部熔透形态提供了一种新的方法.     

融合空间和通道特征的等离子弧焊熔池熔透状态预测方法

为了提高等离子弧焊熔池熔透状态预测的准确率,满足工业应用的需求,提出了一种融合图像空间和通道特征的熔池熔透状态预测模型PCSCNet.在该模型中对残差网络(residual network, ResNet50)结构进行改造,并融入压缩和激励网络来同时提取熔池正面图像的空间和通道特征信息.采用恒定电流等离子弧焊试验的数据集进行测试,建立了熔池正面图像与熔池熔透状态的对应关系.结果表明,模型预测准确率提升到95%以上.采用GradCAM方法对模型进行可视化,分析并揭示了模型预测的聚焦区域,与实际熔池的图像特征进行对比,验证了模型的合理性.     

大功率光纤激光焊熔透状态模糊聚类识别方法

熔透是评价激光焊接质量的重要因素,但在焊接过程中难以直接检测熔透状态.以大功率光纤激光焊接304不锈钢紧密对接焊缝为试验对象,研究一种基于熔池红外热像的熔透状态识别方法.采用红外摄像机摄取焊接区域熔池动态图像,提取熔池特征量,应用模糊聚类算法分析熔池特征量与熔透状态之间的关系,使用模糊C-均值（FCM）和Gustafson-Kessel（GK）两种模糊聚类法建立熔透状态识别模型.激光焊接试验结果表明,熔池表征与熔透状态之间存在密切关联,通过GK模糊聚类算法建立的模型对熔透状态能达到78%以上的识别率,为大功率光纤激光焊接过程熔透状态的识别和控制提供试验依据.     

脉冲变极性等离子弧焊接信号的检测与分析

为了分析脉冲变极性等离子弧(variable polarity plasma arc, VPPA)焊接过程信号,通过数据采集卡与高速摄像机对脉冲VPPA焊接过程焊接电流、电弧电压、电弧形态及焊缝熔透状态进行了检测与分析。分析发现,系统输出电流均按给定变化,电弧形态也随脉冲电流变化而变化,系统运行稳定可靠。并对固定点焊接熔池振荡进行了分析,研究发现在焊点未熔透时,熔池振荡频率在75～90 Hz,而完全熔透时,振荡频率仅为15～25 Hz。因此,当熔池从未熔透转变为完全熔透时,熔池振荡频率发生突变。该现象可以应用于焊接质量在线控制,从而实现实时熔透控制。     

电弧焊熔池表征与熔透状态映射研究

针对电弧焊熔池图像特点,试验研究通过熔池特征映射熔透状态的方法。在焊接过程中由摄像机实时摄取熔池图像,并通过图像处理得到熔池的轮廓,而后提取熔池面积、熔宽以及熔池图像质心到熔池图像底部的距离等三个特征量,用这三个特征作为BP(Back Propagation)神经网络的输入参数,从而建立熔透识别模型。通过改变BP神经网络的隐含层神经元个数及训练函数获得不同的模型,分析比较各个模型对熔透的识别效果,并把识别效果最好的模型作为最终的焊缝熔透状态识别模型。试验结果表明,将Levenberg-Marquardt算法作为BP神经网络模型的训练算法能更加准确预测焊缝熔透状态。     

熔透熔池表面下塌变形的动态演变过程分析

根据熔池表面下塌变形的三维信息描述了工件的熔透程度．利用所建立的TIG（钨极惰性气体保护电弧焊）焊接熔池形态瞬时行为的数学模型,对准稳态情况下当焊接工艺参数发生突变时熔透熔池表面下塌变形的动态演变过程进行了数值模拟,得出了指导焊接熔透控制系统设计的基础数据．工艺实验结果表明,熔池上、下表面变形量的计算结果与实测数据基本吻合．     

熔池三维自由表面状态与TIG焊熔透的相关性研究

基于激光视觉测量原理,采用2台同规格的CCD摄像机实时同步采集了钨极惰性气体保护电弧焊熔池自由表面和背面熔宽动态变化视频图像,利用熔池自由表面三维恢复算法获得熔池三维自由表面形貌,并对不同熔透状态的熔池三维自由表面高度变化与同步采集的背面熔宽变化间的相关性进行了定性分析实验.通过建立理想熔池自由表面,入、反射激光束光学变换及成像屏数学模型,逆向仿真研究了不同熔透状态的熔池表面对反射激光点阵形态的影响规律.结果表明,基于激光视觉法获得的熔池三维自由表面动态变化与焊缝熔透之间具有相关性,当焊缝由未熔透过渡到熔透时,熔池表面由凸形逐渐变为凹形,且塌陷量随背面熔宽的增加而缓慢增大,反射激光点阵行曲率变小,激光点逐渐聚为一点.当过熔透时,背面熔宽增加,熔池表面塌陷量迅速增加,反射激光点阵行曲率反而变大,聚集的激光点阵纵向逐渐被拉开.熔池表面逆向建模仿真结果与实际测量结果基本一致,利用反射激光点阵的形态变化可以表征熔透变化.     

基于视觉传感的电子束深熔焊熔透点的判别

基于视觉传感的方法,对钛合金电子束焊熔池表面特征量进行了提取.结果表明,当焊缝从未熔透向熔透状态过渡时,熔池宽度和熔池长度均明显减小,其中以熔池宽度的减小尤为显著.因此,选择熔宽作为判断熔透点的特征量.经分析熔宽可以作为熔透特征量,用于监测焊接过程中熔深状态的改变,为钛合金电子束焊熔透控制提供了一种有效途径.     

Mathematical model and simulation of partial penetrated weld pool

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电弧力对TIG焊接熔池液面形态影响的数值模拟

在建立TIG焊接熔池液面三维形状模型基础上,对电弧力作用于熔池液面进行了表征,采用Surface Evolver有限元分析软件进行数值模拟,研究了电弧力对TIG焊接熔池液面三维形态的影响.得到了有电弧作用时,熔池的三维形态和熔池各液面参数随电弧力大小变化的规律.结果表明,在熔池形状一定时(正面、背面熔化区域半径和板厚一定),电弧力的作用深度增加会引起熔池上、下液面和固液面的表面积均增加,其中电弧力的大小对TIG焊接熔池的上液面影响程度大于下液面.这些分析结果为探讨TIG焊接熔池的各类问题提供了基础.     

脉冲电流作用下TIG焊接熔池行为的数值模拟

建立了脉冲焊接熔池行为的数值分析模型,分析了脉冲电流对ＴＩＧ焊接熔池流场,热场及熔池形状的影响规律。计算结果表明：熔池体积对电流的脉冲作用较敏感;脉冲ＴＩＧ焊接熔池内流体流动的主要驱动力是表面张力梯度。溶池中的流场随电流作周期性变化。     

直流叠加脉冲型TIG焊电弧─熔池特性分析

针对乏燃料后处理溶解器腐蚀裂纹等缺陷的快速、一次性、可靠焊接修复工程技术需求,提出一种直流叠加脉冲型TIG深熔焊接方法,在10和16 mm厚304不锈钢板上进行了系列平板堆焊工艺试验.以电弧-熔池特性变化为研究对象,对比分析脉冲电流作用和直流叠加脉冲型电流作用的电弧行为、熔池流动行为及温度场的变化规律,探讨了直流叠加至...     

激光-等离子弧复合焊接熔池流动和传热的数值分析

建立了激光-等离子弧复合焊接过程中液相区、糊状区和固相区的统一模型,在模型中同时考虑了表面张力、热浮力和电磁力的作用,通过数值计算得到了熔池的速度场和温度场,重点研究了电磁力对熔池流动和传热的影响.结果表明,在熔池形成的初始阶段,表面张力对熔池中的对流和传热起主要作用,而电磁力的作用受到抑制,随着熔深增加,电磁力作用增强并引起涡旋,导致熔深和下表面熔宽增加.针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与实际相符合.     

激光-等离子弧复合焊接熔池流动和传热的数值分析

建立了激光一等离子弧复合焊接过程中液相区、糊状区和固相区的统一模型，在模型中同时考虑了表面张力、热浮力和电磁力的作用，通过数值计算得到了熔池的速度场和温度场，重点研究了电磁力对熔池流动和传热的影响。结果表明，在熔池形成的初始阶段，表面张力对熔池中的对流和传热起主要作用，而电磁力的作用受到抑制，随着熔深增加，电磁力作用增强并引起涡旋，导致熔深和下表面熔宽增加。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与实际相符合。     

Stationary GMAW-P weld metal deposit spreading

Abstract

Non-isothermal spreading of non-travelling pulsed gas metal arc weld (GMAW-P) deposits was studied by experiments and numerical simulation. After an initial transient period, metal from the melting welding wire was deposited as a regular stream of droplets into a molten weld pool whose spreading was enhanced by direct arc heating of the solid substrate and weld pool convection. Accurate predictions of the final weld cross-section and time histories of base metal temperature and weld pool radius were produced by this simulation, which included mass, energy and momentum of transferring filler metal droplets. Dimensional analysis showed that speed of weld pool spreading was initially dominated by the momentum of liquid droplets while thermal convection by surface tension-driven flow became important at intermediate times. Eventually, the rate of spreading was matched to the thermal diffusion rate in the liquid. Capillary forces were never important in weld pool spreading. The weld metal deposit shape was well-approximated as a spherical cap with increasing volume and constant contact angle.     

AZ91D镁合金真空电子束深熔焊接熔池气泡流数值模拟

针对AZ91D镁合金焊接熔池的气—液两相流系统,在质量守恒和动量守恒的基础上,建立了真空电子束焊接熔池二维气泡流数学模型,模拟计算了熔池中的气相分布、气泡流流动现象,分析了对空腔型缺陷形成、分布的实际影响.结果表明,完全穿透型焊缝熔池中的气体逸出可能性大大高于非穿透型焊缝,使其出现空腔型缺陷的几率在一定程度上低于非穿透型焊缝.典型空腔型缺陷的形成过程与电子束焊特有的深熔焊缝熔池中气泡流的流型及其流动特征有密切关系.较高的液相对流速度更有利于熔池中气体的逸出,从而使焊缝最终的含气率较低.     

Modeling of the Weld Shape Development During the Autogenous Welding Process by Coupling Welding Arc with Weld Pool

A numerical model of the welding arc is coupled to a model for the heat transfer and fluid flow in the weld pool of a SUS304 stainless steel during a moving GTA welding process. The described model avoids the use of the assumption of the empirical Gaussian boundary conditions, and at the same time, provides reliable boundary conditions to analyze the weld pool. Based on the two-dimensional axisymmetric numerical modeling of the argon arc, the heat flux to workpiece, the input current density, and the plasma drag stress are obtained. The arc temperature contours, the distributions of heat flux, and current density at the anode are in fair agreement with the reported experimental results. Numerical simulation and experimental studies to the weld pool development are carried out for a moving GTA welding on SUS304 stainless steel with different oxygen content from 30 to 220 ppm. The calculated result show that the oxygen can change the Marangoni convection from outward to inward direction on the liquid pool surface and make the wide shallow weld shape become narrow deep one. The calculated result for the weld shape and weld D/W ratio agrees well with the experimental one.