基板厚度对薄壁件GMA增材制造温度场的影响

对环形薄壁件GMA增材制造温度场进行数值模拟,采用热循环试验对计算结果进行验证,并研究基板厚度对堆积过程温度场的影响. 结果表明,基板厚度增加,熔池最高温度降低且长度减小,“拖尾”状况改善明显. 第一层中点热循环曲线上的波峰和波谷随基板厚度增加而降低,波峰差值先增大后趋于稳定,波谷差值先保持稳定再减小. 熔池轴向最大温度梯度随基板厚度增加而增大,但增量逐渐减少. 熄弧时刻,基板厚度增加,各层中点的轴向温度梯度增大,但随堆积高度增加,轴向温度梯度上升趋势明显减弱.     

基于边缘夹角附加损失函数的熔池形貌检测方法

针对弧焊增材制造过程中传统的熔池检测方法依赖经验参数、准确率低、识别时间较长的问题,提出了一种基于边缘夹角附加损失函数的熔池形貌检测方法,实现对熔池快速而精准的检测和识别. 首先,通过特征金字塔网络融合多种特征在多个尺度上表征熔池,摆脱对经验参数的依赖;其次,使用PointRend神经网络模块,基于细粒度特征及粗预测掩码对采样点优化,减少熔池目标检测及识别所需时间;再次,研究了边缘夹角附加损失函数,在角度空间上最大化分类间隔,使网络提取到的特征具有更强的可分性,进而改善模型识别的精度;最后,利用实际熔池监测数据进行试验测试. 结果表明,该方法识别精度高,精度达97.85%,当存在熔滴覆盖干扰时,也可以实现精确检测与识别;对比熔池的检测宽度和实测宽度,绝对误差在0.36 mm以内,试验结果验证了该方法的有效性和可靠性.     

基于透红外视觉传感的GMA-AM熔池图像质量评价

针对熔化极气体保护电弧(gas metal arc,GMA)增材制造(additive manufacturing,AM)图像感知,提出一种透红外熔池视觉传感方法. 为客观评价熔池图像质量,综合图像灰度、纹理、形状和频谱等四类特征定义了熔池图像质量评价参数φ. 结果表明,φ值越大,图像质量越好. 透红外熔池图像质量评价参数φ远大于近红外窄带熔池图像,熔池更清晰,对比度更高. 相比800,850和930 nm等透红外滤光片,990 nm透红外滤光片能过滤大部分电弧连续谱和特征谱,获得的熔池信息量最大,对比度更明显,边缘更清晰,细节信息更丰富,熔池图像质量最佳,是最佳取像窗口.     

TC4钛合金电弧增材制造叠层组织特征

采用CMT电弧增材制造技术制造了TC4钛合金薄壁墙构件,并对其组织特征进行了研究. 结果表明,在电弧增材制造过程中,受其热输入、多次热循环及冷却速度的影响,在其构件中产生了从高温保留下来的贯穿数个堆积层的原始β柱状晶晶界、水平层带条纹、马氏体组织和网篮组织等. 显微硬度显示,中下部区域硬度相对较高,平均硬度为336HV 0.1,上部显微硬度有明显降低,平均硬度为323.3HV 0.1.     

GTAW填丝增材制造熔池尾部固液分界点跟踪算法

针对GTAW填丝增材制造熔池尾部固液分界点检测难题,基于熔池液态边缘波动大,固态成形金属边缘波动小的特性,提出一种连续图像采集处理的熔池尾部固液分界点跟踪算法. 采用去噪、高斯滤波、边缘检测和阈值分割等算法预处理熔池尾部图像,根据连续图像熔池尾部边缘像素点坐标变化,计算其差异系数,通过多项式函数拟合像素点差异系数曲线,并求取其一阶导数,据此判定差异系数曲线折点,确定熔池尾部固液分界点. 结果表明,该算法有效地实现了GTAW填丝增材制造熔池尾部固液分界点的实时跟踪,算法简易、高效,具有良好的抗干扰能力.     

基于曲面分层的大型螺旋桨GMA增材制造

为了实现曲面复杂零件的高精度高效率增材制造,开发了高适应性的曲面分层算法.采用从空间角加权法向方向平移三角网格控制点的策略,生成与初始分层曲面等距的曲面簇,与模型求交运算,从而获得了每层曲面切片轮廓.在此基础上,使用基于体素化和曲面积分思想的曲面等距路径规划算法,获得了分层曲面上的等距轮廓偏置路径,保证了零件曲面轮廓的成形精度并进行了试验验证. 试验采用六轴机器人与旋倾变位机作为运动机构,使用熔化极气体保护电弧(gas metal arc,GMA)增材制造方法,在一个外径为0.2 m的圆柱金属管上,实际堆敷了直径1 m的扭转棱形螺旋桨.经过扫描检测和模型比对,得到桨叶的成形尺寸标准偏差为1.1 mm,最大偏差在3.0 mm以下.结果表明,对于特定曲面零件如螺旋桨的增材制造,曲面分层算法可以提高成形的效率和表面质量.     

基于变分立体匹配算法的GMAW熔池形貌三维重建

为实现完整熔池表面形貌三维传感,构建了双棱镜单摄像机立体视觉传感系统.针对熔池图像纹理缺乏造成的立体匹配困难的问题,引入了全局优化的变分立体匹配算法,通过建立包含灰度差异数据项和空间连续性约束项的能量函数的可行性泛函,经过迭代求解获得具有丰富细节的熔池表面稠密视差图.对自制非标准凹面形状进行立体匹配和三维重建,结果表明,宽度误差小于3.16%,深度误差小于4.82%.基于该算法实现了熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)的堆焊及V形坡口对焊条件下,不同熔透状态熔池稠密视差图计算和表面形貌的三维重建.     

送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟

通过数值模拟研究了不同送丝速度下电弧增材制造单道熔积成形过程中的传热传质及熔池流态,分析了送丝速度对焊道形貌的影响.结果表明,当送丝速度较小时,基板接受的电弧热较多,熔池的熔深较深且流动性较强,成形焊道较宽且高度较低;随着送丝速度的增大,熔融金属向上堆积,熔池体积增加,送丝速度达到一定值时,电磁力与表面张力达到动态平衡,熔深与焊道高度接近;当送丝速度较大时,液态金属对流减弱,熔深较浅,在表面张力的作用下,熔池边缘收缩导致焊道隆起.模拟与试验结果吻合较好,研究结果可以为GTAW电弧增材技术的工艺参数调控提供理论依据.     

电子束选区熔化增材制造熔池演化多尺度模拟

电子束选区熔化增材制造是金属增材制造领域的重要发展方向。为了理解和控制电子束扫描过程中熔池流场与温度场演化规律,并进一步探明和预测凝固成形件的微观组织形成过程,提高零件的冶金质量和力学性能,本文采用基于格子玻尔兹曼方法及有限体积法混合格式的三维传热传质模型,对熔池的形貌尺寸、温度场、流场及相场演化进行模拟。结果表明,当电子束扫描速度从800 mm/s增加到1600 mm/s时,冷却速度从0.19 K/μs增加到0.45 K/μs,温度梯度从0.99 K/μm增加到3.72 K/μm。进一步采用基于格子玻尔兹曼方法的微观枝晶生长模型探究微观组织形成机制,研究发现,固液界面处出现沿温度梯度方向生长的柱状晶,且电子束扫描速度越大,柱状晶生长越快,熔体流动可在一定程度上促进柱状晶的生长。     

基于异构计算的电弧增材制造熔池尺寸在线检测算法

电弧增材制造过程中的熔池形态影响沉积态金属的成形,为了得到良好的增材产品,首先需要实现对增材过程的在线监测,以获取熔池形态尺寸等数据,为进一步反馈控制提供前提条件。在线监测的重点之一在于计算机的图像处理速度,而图形处理器GPU作为强大的图形处理设备,比CPU更适合做大量图像相关的计算。为此,文中采用CPU/GPU异构协同并行计算方法,试图通过调用GPU设备加速图像处理过程,以实时获取电弧增材制造过程中的熔池形态尺寸信息。试验结果表明,无论GPU调用与否,同一处理程序对同一视频处理所得到的熔池宽度结果基本相同,而当调用GPU后,每帧图像的处理时间大幅降低,处理效率得到很大程度的提高。因此,异构计算为电弧增材制造熔池尺寸在线监测提供了可能。     

激光焊熔池图像三维形态恢复算法分析

利用熔池图像表面的明暗变化恢复熔池表面三维形态,分析熔高和熔宽等特征与焊接质量的关系.试验装置采用红外激光辅助光源和带有近红外窄带滤波组合系统的高速影像设备实时捕捉熔池动态图像,并根据统计学估计光源位置参数,采用基于单幅熔池灰度图像的明暗恢复形状技术(shape from shading,SFS)中的局部分析算法来恢复熔池三维表面形态,并通过中值滤波和三次样条插值对三维重建后熔池形状进行去噪和平滑处理.结果表明,所采用的方法能有效地恢复熔池表面信息,为大功率盘形激光焊接过程中根据熔池二维图像预测焊缝成形提供了一种方法.     

表面张力对激光深熔焊熔池流动的影响

为研究激光深熔焊中表面张力对熔池流动行为及熔池形貌的影响,获得活性剂对Q235低碳钢和304L不锈钢焊缝截面形貌的影响规律. 基于有限元计算软件Fluent,计算分析了激光深熔焊时表面张力在改变熔池流动行为中的重要作用. 结果表明,未添加活性剂焊接时,熔池液态金属的表面张力温度系数为负,熔池表面熔融金属以匙孔为中心由内向外流动,焊缝横截面形貌宽且浅. 添加活性剂焊接后,表面张力温度系数为正值,在熔池表面形成了由外向内的反向流动,形成了窄且深的焊缝形貌. 随表面张力温度系数绝对值的增大,表面张力变大,流体流动速度增大.     

基于实际熔敷形状的旋转电弧传感器数学模型

旋转电弧传感器数学模型是提高焊接质量、旋转电弧信号处理和焊缝偏差提取的理论基础, 焊接熔敷金属堆积形状是决定旋转电弧长度主要因素之一,影响其数学模型精确度. 采用双线结构光传感系统对焊接收弧阶段焊缝进行三维重建获得焊接熔池熔敷形状,运用单纯形法最优化电弧长度,在此基础上建立了旋转电弧传感器数学模型及仿真模型. 结果表明,该数学模型相对于假设的三角锥熔敷形状数学模型,消除了焊接过程工件变形引起的电流信号误差,减小了焊缝转角和焊缝偏差检测误差,提高了旋转电弧传感器数学模型精度.     

基于熔池红外图像实时跟踪焊缝宽度算法研究

在激光焊接过程中,激光焊机所附带的传感器能够准确实时地反映焊接过程,焊缝宽度的实时动态变化对于描述焊接质量起着至关重要的作用。焊缝宽度准确测量的研究有助于理解焊接过程,获得焊接质量控制模型。针对大功率光纤激光焊接,利用恰当的滤镜系统获得清晰的焊缝熔池图像,建立熔池红外传感跟踪系统。针对大功率光纤激光焊接304型不锈钢过程,研究一种通过熔池图像实时检测焊缝宽度变化的方法。利用高速摄像机获得熔池动态红外图像,通过一系列图像处理技术得到焊缝宽度的识别模型。解决了在金属处于高温下熔池与周边非熔化区的温度比较接近,很难用红外摄像来准确测量焊缝宽度的难题。试验结果表明,所建立的焊缝实际宽度测量模型测量效果良好。     

大功率碟形激光焊支持向量回归熔宽预测算法

大功率碟形激光焊接作为一种重要的新型激光加工技术在制造业领域得到日益广泛的应用.针对焊接过程多变量强耦合性以及反馈的实时性要求,提出了用支持向量机(SVR)对焊接过程中熔宽变化量进行预测的新方法,并根据焊接试验数据对其性能进行验证.同时分析对比了支持向量机与BP神经网络的预测效果.结果表明,BP神经网络和支持向量机的训练和单步预测效果良好,均可以应用在大功率碟形激光焊接过程中,但SVR模型要更加适应于大功率碟形激光焊接过程的样本训练和预测.当采样点数N值取10时预测效果最优.     

基于卷积神经网络的CO2焊接熔池图像状态识别方法

为了通过熔池图像对焊接状态进行判断,将卷积神经网络引入到CO2焊接熔池图像状态识别中,提出了一种CO2焊接熔池状态识别卷积神经网络CNN-M。该网络使用简单预处理的熔池图像作为输入向量,避免了人工提取图像特征的主观性对识别率的不良影响。同时,CNN-M采用了ReLU激活函数、随机Dropout及SVM分类器来降低样本集稀少可能导致的网络过拟合现象。试验结果表明,和人工提取熔池特征状态作为输入向量的BP神经网络相比,CNN-M在识别率及识别速度方面均体现出了更好的性能,其良好的泛化能力能够满足在线熔池状态监控的要求。     

Simulation of microstructure evolution in fused-coating additive manufacturing based on phase field approach

The mechanical properties of metal components are determined by the solidification behavior and microstructure. A quantitative phase field model is used to investigate the microstructure evolution of fused-coating additive manufacturing, by which to improve the quality of deposition. During the fused-coating process, the molten metal in a crucible flows out of a nozzle and then reaches the substrate. The solidification happens at the moment when the molten metal comes into contact with substrate moving in three-dimensional space. The macroscopic heat transfer model of fused-coating is established to get the temperature field considered as the initial temperature boundary conditions in the phase field model. The numerical and experimental results show that the morphology of grains varies with different solidification environments. Columnar grains are observed during the early period at the bottom of fused-coating layer and the equiaxed grains appear subsequently ahead of the columnar grains. Columnar dendrites phase field simulations about the grains morphology and solute distribution are conducted considering the solidification environments. The simulation results are in good agreement with experimental results.     

激光深熔焊过程熔池小孔发声数值计算与试验分析

激光深熔焊过程中产生的声信号是激光焊接过程质量检测的重要参量.文中对3.5 mm厚的低碳钢板进行焊接速度分别为3,4和5 cm/s的工艺试验,得到了三种典型的熔池小孔,即平底形熔池小孔、锥形熔池小孔和匙形熔池小孔.通过对声信号的频谱分析,得到这三种不同形状的熔池小孔的共振频率分别为:1 503.9 Hz、1 894.53 Hz和2 792.96 Hz.同时,文中对试验得到的三种形状的熔池小孔发声过程进行了数值分析,得到了对应的共振频率,分别为:1 453.125 Hz、1 890.625 Hz和2 750 Hz.数值计算得到的结果与试验结果误差在5%范围内.结果表明,文中所建立的熔池小孔模型能很好的反映出实际的焊接过程声信号的声场分布,为声信号在质量检测中的应用提供理论基础.