Wu, X., Huang, J., He, J. et al. Oscillation Modes of Weld Pool in Stationary GTA Welding Using Structure Laser Method. Chin. J. Mech. Eng. 34, 89 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00609-9
研究背景及目的
近年來,高生產(chǎn)率和高質(zhì)量焊接的趨勢傾向于過程自動化,這刺激了自動化和相關(guān)系統(tǒng)的使用增加。鎢極氣體保護焊(GTAW)是一種主要的電弧焊工藝,由于其焊接質(zhì)量高、易于自動化等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器和航空航天結(jié)構(gòu)等高質(zhì)量部件的生產(chǎn)。為了找到可用于感知和控制的特征信號,進行了大量的工作。近年來,許多研究者嘗試用三維激光視覺方法對水池振蕩進行監(jiān)測。但是,仿真軟件的缺乏會導(dǎo)致大量的資本支出。本文采用模擬與實驗相結(jié)合的方法,得到不同時間的振蕩模式,來分析了靜止GTA熔池的振蕩模式。
試驗方法
本研究利用激光反射成像系統(tǒng)和激光視覺采集系統(tǒng)組成的測量系統(tǒng),通過高速攝像機,以1000幀每秒的速度對固定GTA焊接熔池表面進行觀測。分別觀測了固定直流GTA的熔池振蕩以及脈沖GTA的熔池振蕩情況。通過求解貝塞爾函數(shù),將熔池與圓膜振蕩聯(lián)系起來,分析熔池的振蕩模式以及隨時間的變化情況。
表1 四種典型的圓膜振蕩模式
利用COMSOL仿真軟件建立三維結(jié)構(gòu)激光網(wǎng)格模型:根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)建立波動方程的數(shù)學(xué)模型。然后設(shè)置源項,使其頻率的本征頻率大于或等于焊縫池的本征頻率,進行瞬態(tài)模擬,以找到并導(dǎo)出結(jié)構(gòu)激光網(wǎng)格系統(tǒng)所需的三維熔池模型。打開“幾何光學(xué)”模塊來繪制網(wǎng)格池和成像平面。激光發(fā)生器由 “網(wǎng)格釋放”技術(shù)形成30x30的激光點陣制成。發(fā)射的光照射到焊接池。反射的激光在到達成像平面時被“凍結(jié)”,內(nèi)置虛擬攝像頭可以拍攝熔池的三維網(wǎng)格圖像。分別在凸面、凹面、平面上進行測試,呈現(xiàn)的激光點陣符合理論預(yù)測。
圖1 測試系統(tǒng)原理圖
結(jié)果
基于貝塞爾方程分析了熔池的振動模式,并對熔池中常見的三維圖像進行了模擬。(0, 1)、(1, 1) ,、(2, 1), (0, 2)的激光點陣圖像。通過結(jié)構(gòu)激光光學(xué)測量仿真,得到了不同時間的振蕩模式?;诩す恻c陣圖像分析了靜止GTA熔池的振蕩模式。
在本研究中可以得到以下研究結(jié)果:
1)通過激光點陣圖像可以判斷熔池狀態(tài)。例如,通過區(qū)分凹面、凸面和平面的分布,我們可以看到熔池的振蕩模式和振蕩頻率,從而區(qū)分熔池的非熔透或熔透狀態(tài)。
2)固定直流GTA焊接時,振蕩模式一般為(0, 1),(0, 2)模式。在脈沖GTA焊接過程中,峰值電流階段電弧對熔池的沖擊會使熔池表面產(chǎn)生高頻振蕩,從而使熔池表面產(chǎn)生很大的畸變,產(chǎn)生(1, 1)、(2, 1)、(0, 2)振蕩模式。
3)盡管成像平面上的激光點陣圖像是不斷變化的,但基于激光點陣圖像可以識別熔池的形狀,激光發(fā)生器發(fā)射的點陣密度越大,測量精度越高。這也是改進結(jié)構(gòu)激光技術(shù)的一個方向。
圖1 (0,1)模式試驗結(jié)果
圖2 (1,1)模式試驗結(jié)果
圖3 (2,1)模式試驗結(jié)果
圖4 (0,2)模式試驗結(jié)果
結(jié)論
結(jié)果表明,仿真得到的激光點陣圖像與實驗結(jié)果相吻合?;诩す恻c陣圖像可以識別熔池的振蕩模式。本研究不僅可以為判斷熔池的穿透狀態(tài)提供條件,而且有助于進一步了解熔池的振蕩模式,開發(fā)更有效的觀察方法和測量工具,從而有效地控制和提高焊接質(zhì)量。
前景與應(yīng)用
目前學(xué)者所觀測到的熔池振型大多局限于(0, 1)、(1, 1)、(0, 2)模式,尤其是(2, 1)模型研究較少,原因是受實驗參數(shù)和設(shè)備條件的限制。由此可見,數(shù)值模擬在焊接領(lǐng)域是非常必要的,其能準確地解釋焊接過程中可能遇到的各種振動現(xiàn)象,模擬各種復(fù)雜的實驗條件,盡可能節(jié)省了經(jīng)費與時間。
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團隊帶頭人介紹
黃健康,工學(xué)博士,教授,碩士研究生導(dǎo)師,國際焊接工程師培訓(xùn)師,現(xiàn)任教于蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。當(dāng)前主要進行高溫高熵合金的材料制備,非晶、鋁合金等領(lǐng)域的異種金屬連接,焊接過程中物理、檢測及控制等領(lǐng)域的研究。主持及參與國家自然科學(xué)基金6項,軍工項目2項,其他企業(yè)技術(shù)開發(fā)橫向項目10項。國家自然科學(xué)基金函評專家、焊接學(xué)會計算機輔助焊接工程專業(yè)委員會委員等多個學(xué)術(shù)委員會委員,以及INT J HEAT MASS TRAN等30多個期刊資深審稿人?,F(xiàn)已發(fā)表論文 200 余篇,出版教材1部,授權(quán)專利10余項。
團隊研究方向
1) “原位增強梯度鈦合金的電弧增材制造及其組織與性能調(diào)控研究”提出于氬氣保護氣中加入適量的氮氣來原位生成氮化鈦增強相,并通過氬氮比實時調(diào)控來實現(xiàn)具有梯度功能的鈦合金零件。
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團隊發(fā)表高影響力論文
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