Study on welding power source used in intelligent control system for weld pool shape in pulsed GTAW

This paper analyses the performance request of arc welding power source used in intelligent control of weld pool shape in pulsed GTAW, and develops a sample power source. The main circuit of the power source takes the structure of single ended inverter with two switches, and takes IGBTs as power switches. The working frequency of the inverter is set at 20 kHz. The control circuit takes PWM circuit as center, and uses single chip computer to complete the manage functions such as the control of working sequence, setting and changing of the welding parameters, sensing of the welding states and communication with outside computer etc. The dynamic reacting time of the whole power is 1 ms, the range of the output current is 5～250 A, the precision of the output current reaches to 1 A. The power strikes arc by contacting workpiece under 5 A, and have convenient interface with system computer. All above shows this power source is one with high performance.

RECONSTRUCTION OF WELD POOL SURFACE BASED ON SHAPE FROM SHADING

A valid image-processing algorithm of weld pool surface reconstruction according to an input image of weld pool based on shape from shading （SFS） in computer vision is presented. The weld pool surface information is related to the backside weld width, which is crucial to the quality of weld joint. The image of weld pool is recorded with an optical sensing method. Firstly, the reflectance map model, which specifies the imaging process, is estimated. Then, the algorithm of weld pool surface reconstruction based on SFS is implemented by iteration scheme and speeded by hierarchical structure. The results indicate the accuracy and effectiveness of the approach.

Effect of arc force on shape of the welding pool

Based on the three-dimensional model of TIG weld pool established,the effect of the arc force on liquid surface was investigated.The simulation was carried out with finite elements software Surface Evolver.The influence of the arc force on the weld pool shape was also studied.According to the results,the variation of the weld shape and the parameters with different arc force strength was obtained.Compared with the back weld pool,the top weld pool was influenced more strongly by the arc force.These results provide an effective basis for further study of the TIG weld pool.

奥氏体不锈钢薄板激光焊表面张力驱动熔池形成的数值模拟分析

为探究奥氏体不锈钢薄板激光焊接过程中表面张力对熔池形状、熔池流速、熔池静压的影响,以期优化焊接工艺并提高焊接质量。基于数值模拟分析方法,建立了移动旋转高斯曲面体热源模型,通过改变Marangoni对流系数来模拟不同表面张力条件,分析其对熔池形成过程、熔池形状、流速及熔池内静压力的影响。模拟结果表明,表面张力是影响熔池形态和内部静压力的关键因素,表面张力指向熔池内部,驱动熔池向中心汇聚,从而促进熔池的形成;表面张力的大小与熔池峰值温度、熔深、深宽比呈负相关,与峰值流速、熔宽、熔池内部静压力呈正相关;铜衬底的加入显著增大了过冷度,加速了熔池的冷却,有助于避开奥氏体不锈钢的敏化温度区间。

双层气流保护TIG焊接方法

介绍了一种双层气流保护TIG焊接方法,它适用于TIG焊接过程,解决现有普通TIG焊接熔池深度较浅和混合气体保护下钨极易氧化烧损的问题.该焊接方法将传统单一气体通道的TIG焊枪改造设计为双层气体通道,内层气体为纯惰性气体,保护电极,外层为惰性气体和活性气体的混合气体,向熔池过渡活性组元,改变熔池传热对流模式,增加熔池深度.结果表明,双层气流保护TIG焊接方法可使TIG焊熔池深宽比较普通弧焊深宽比增加2～3倍,同时避免了钨极氧化烧损,延长使用寿命.

铝合金T型接头双激光束双侧同步焊接温度场模拟

为了掌握双激光束双侧同步焊接工艺特性并得到最优焊接工艺匹配参数,对由铝合金6156底板与6056桁条组成的T型焊接接头进行了有限元数值模拟和试验研究.在改进以往激光热源模型的基础上,模拟分析了不同工艺参数匹配条件下的激光焊接过程,获得了实际可行的工艺参数范围.同时研究了焊接功率和焊接速度对熔池形状的影响规律,结果表明:焊接功率和焊接速度对焊缝成形具有重要影响,且熔池形状的模拟结果与试验结果吻合良好.最终获得了最佳的焊接工艺参数,为大型客机铝合金壁板的双激光束双侧同步焊接提供了理论指导.

基于FLUENT的TIG焊瞬态熔池三维形态的数值模拟

根据流体力学和传热学原理,建立了TIG焊瞬态熔池三维数值分析模型.电弧热源模型采用典型的高斯热源分布模型,模型考虑熔池液态金属对流传热、熔池外工件的固态导热、焊接过程中的相变潜热、熔池流体的紊流特性、材料的热物理性能参数随温度变化等因素.用enthalpy-porosity方法处理工件熔化/凝固过程中的问题,FLUENTRNGk-ε湍流模型对TIG焊熔池模型进行求解.给出了熔池形状的可视化图形结果,熔池形状特征参数随时间的动态变化.结果表明,计算值与实测值吻合良好.

激光焊接熔池特性的三维数值模拟

为了对激光深熔焊接熔池特性进行三维解析模拟,基于一定的基本假设条件将焊接过程视为准稳态过程,应用激光焊接低碳钢熔池形状和温度分布的三维控制数学模型,以求解相态转变界面为基础,将对激光深熔焊接熔池特性的模拟简化为对气-液相界面和固-液相界面位置和温度分布的积分方程的求解,得出了焊接试样上的熔池几何形状和温度分布情况.结果表明:熔池形状相对光轴中心向后偏移,且熔池前沿壁陡峭,后沿壁过渡平滑;熔池深度和宽度随着激光功率的增大同步增大,随焊接速度的增加同步减小,随光斑尺寸增大熔宽增大而熔深减小;熔池各层面上的最高温度点均偏后于光束中心,等温线分布密集表明激光焊接热影响区窄.

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.

5056铝合金氩弧焊接数值分析与熔池形貌研究

为研究铝合金钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas Welding,TIG）温度场的分布规律及焊接熔池的形貌特征,采用ABAQUS有限元软件建立了平板堆焊模型,进行了数值模拟与仿真。结果显示：在焊接方向上,焊接温度云图等温线呈前疏后密的分布特征;焊缝横截面的等温线呈一组同心半椭圆形貌。通过铝合金TIG焊接试验验证了仿真分析结果的准确性,试验采用150 mm×100 mm×10 mm的5056铝合金为焊接基板和直径为2 mm的2218铝铜合金丝材为焊丝,以不同电流值,在数控三轴联动平台上进行了单道焊接试验。结果表明,当输入电流增大时,熔池的宽度减小,熔池的深度增加,试验结果与数值仿真分析相吻合。并对焊接过程中存在偏析、裂纹、气孔、咬边等缺陷进行了分析,提出了具体解决措施。

钨极氩弧焊熔池表面高度测量中变形条纹图的获取

提出一种基于条纹反射和傅立叶变换的测量GTAW熔池表面高度的新方法.利用激光器将光栅条纹投影在GTAW熔池表面,反射光轴上设置双透镜系统以转移熔池物面,利用空间滤波的方法阻挡弧光成分,在输出面放置白屏接收反射的熔池变形激光条纹,用CCD对屏上变形条纹实时成像.分析了焊枪位置、熔池的反射性能、弧光辐射等对变形条纹图获取的影响,找出合适的投影角度、拍摄系统参数以达到最好的拍摄效果.结果表明,所获得的熔池区变形激光条纹图像清晰且满足图像处理要求,并初步计算出熔池前部的表面形貌.

激光焊接热源和焊速对温度场影响的数值模拟

利用不同的工艺参数,进行A304不锈钢薄板激光对焊试验。建立了激光焊接的三维有限元模型,通过有限元方法,分析了热源模型和焊接速度对激光焊接过程中温度场和熔池形状的影响。结果显示,热源和焊速对温度场和熔池形状有很大影响,应用旋转高斯曲面热源模型得到的熔池形状与试验结果吻合良好。

三丝GMAW不同电流配比对焊缝成形的影响机理研究

三丝GMAW是一种有效提高焊接速度的焊接方法,但电流配比对最后的焊缝成形具有重要的影响,焊接工艺实验表明适当提高引导弧的电流有利于形成形态良好的焊缝。本文针对三丝电流配比对焊缝成形的影响,采用数值模拟方法,研究了不同电流配比对焊缝成形的影响机理,揭示了三丝GMAW不同电流配比下的熔池形态及流动场的不同分布规律。研究结果表明:适当提高引导弧的电流可形成互相连通、熔宽分布均匀的三丝GMAW共熔池,有利于形成明显的"推-拉"流动方式,减缓熔池的后退效应,降低凝固速度,增强焊接过程的稳定性,有利于形成均匀一致的焊缝。

高气压环境脉冲MAG焊气体混合比对焊接稳定性的影响

分析了压力环境下气体混合比对脉冲MAG焊飞溅率及焊缝熔池形状的影响.结果表明,压力环境下相同比例的保护气体在流速不变的情况下,起活性作用的气体组分相对较多,电弧弧柱紊乱加剧,飞溅剧烈,焊接过程极不稳定.为获得高气压环境下稳定的焊接过程,减小飞溅率,通过提高混合气体配比中氩气体积分数来降低活性气体造成的能量损失,从而减少飞溅.防止缺陷的产生.综合考虑飞溅率、熔滴过渡稳定性及焊缝熔池形状等因素,在0.3 MPa环境压力下使用90%Ar+10%CO2混合气进行焊接可获得最佳的焊接效果.气体配比的有效调节对于提高高气压环境下脉冲MAG焊焊接过程稳定性和焊接质量具有显著作用.

基于形状先验活动轮廓的焊接图像熔池分割方法

焊接熔池与弧光距离最近,受到的干扰最严重,导致熔池图像分割十分困难.文中提出了一种极坐标下基于凸形形状先验和边缘候选点的活动轮廓模型.首先,使用灰度和梯度极值相结合的方法获得熔池边缘候选点;然后,基于边缘候选点的位置信息,以及极坐标下轮廓顶点组成的内角信息构造活动轮廓模型的边缘能量项及形状能量项;最后,使用贪婪算法获得了最小能量轮廓顶点,使用三次B样条插值获得了光滑封闭的熔池轮廓.结果表明,提出的活动轮廓模型对初始轮廓不敏感,可以获得精度较高的熔池分割结果,能够克服弧光等噪声的干扰.

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。

保护气氛中添加活性气体对焊接熔池形态影响的研究现状

在惰性保护气氛中添加活性气体可以有效地控制熔池形态,并且易于调节熔池中氧元素的含量(质量分数(wO),以下同).就氦(He)和氩(Ar)保护气氛下分别添加O2和CO2对焊接熔池形态的影响进行了综述,并总结出最优的活性气体添加量.讨论不同焊接工艺下焊接熔池形态变化程度,对优化生产工艺有一定的指导意义.

中厚板低频脉冲TIG打底焊的电弧形态及熔池行为

针对中厚钢板传统背衬板手工打底焊接工艺存在的效率低、工序复杂、过程稳定性差等问题,采用低频率、大占空比的脉冲TIG方法来实现无衬板5mm大钝边16MnR钢的单面焊双面成形.利用高速摄像详细观察了焊接电弧穿过熔孔的被压缩过程,统计分析了一定焊接速度下电弧尾焰偏转角度和长度与焊缝熔透的相关性.实验结果表明:在一定焊接规范下,电弧熔化钝边形成孔状熔池,穿过熔孔的电弧尾焰偏转角度和长度均与焊接速度呈负相关,且与焊缝熔透程度约呈现正相关,通过观测电弧尾焰尺寸,可对打底焊时焊缝的熔透程度做出预判;电弧周期性变化的热力耦合作用增强了熔池液态金属的搅拌及对流作用,在表面张力、重力、电弧力以及气体吹力的共同作用下,熔孔侧壁上的液态金属向熔池边缘及底部流动,增强了熔池中的热传导,能有效增加焊缝熔深.

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Point Rend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.

激光深熔TIG复合焊电弧特性及熔池行为的研究

对10 mm的Q345B板进行光纤激光与深熔TIG旁轴复合焊接实验,探究激光与电弧的最佳复合方式,利用高速摄像系统观测电弧形态和熔池行为的变化,并分析激光对电弧和熔池的影响机制。实验结果表明:焊枪垂直,激光倾斜30°的复合方式所得到的焊缝熔深最大。复合焊接利用激光增强熔池金属流动的特性弥补了深熔TIG高速焊接焊缝无法成型的缺陷。