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(chan) 率和高質量焊接的趨勢傾(qing) 向於(yu) 過程自動化，這刺激了自動化和相關(guan) 係統的使用增加。鎢極氣體(ti) 保護焊(GTAW)是一種主要的電弧焊工藝，由於(yu) 其焊接質量高、易於(yu) 自動化等優(you) 點，已廣泛應用於(yu) 反應堆壓力容器和航空航天結構等高質量部件的生產(chan) 。為(wei) 了找到可用於(yu) 感知和控製的特征信號，進行了大量的工作。近年來，許多研究者嚐試用三維激光視覺方法對水池振蕩進行監測。但是，仿真軟件的缺乏會(hui) 導致大量的資本支出。本文采用模擬與(yu) 實驗相結合的方法，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係統和激光視覺采集係統組成的測量係統，通過高速攝像機，以1000幀每秒的速度對固定GTA焊接熔池表麵進行觀測。分別觀測了固定直流GTA的熔池振蕩以及脈衝(chong) GTA的熔池振蕩情況。通過求解貝塞爾函數，將熔池與(yu) 圓膜振蕩聯係起來，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構激光網格模型：根據第一類貝塞爾函數建立波動方程的數學模型。然後設置源項，使其頻率的本征頻率大於(yu) 或等於(yu) 焊縫池的本征頻率，進行瞬態模擬，以找到並導出結構激光網格係統所需的三維熔池模型。打開“幾何光學”模塊來繪製網格池和成像平麵。激光發生器由 “網格釋放”技術形成30x30的激光點陣製成。發射的光照射到焊接池。反射的激光在到達成像平麵時被“凍結”，內(nei) 置虛擬攝像頭可以拍攝熔池的三維網格圖像。分別在凸麵、凹麵、平麵上進行測試，呈現的激光點陣符合理論預測。

圖1 測試係統原理圖

結果

基於(yu) 貝塞爾方程分析了熔池的振動模式，並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。通過結構激光光學測量仿真，得到了不同時間的振蕩模式。基於(yu) 激光點陣圖像分析了靜止GTA熔池的振蕩模式。

在本研究中可以得到以下研究結果：

1)通過激光點陣圖像可以判斷熔池狀態。例如，通過區分凹麵、凸麵和平麵的分布，我們(men) 可以看到熔池的振蕩模式和振蕩頻率，從(cong) 而區分熔池的非熔透或熔透狀態。

2)固定直流GTA焊接時，振蕩模式一般為(wei) (0, 1)，(0, 2)模式。在脈衝(chong) GTA焊接過程中，峰值電流階段電弧對熔池的衝(chong) 擊會(hui) 使熔池表麵產(chan) 生高頻振蕩，從(cong) 而使熔池表麵產(chan) 生很大的畸變，產(chan) 生(1, 1)、(2, 1)、(0, 2)振蕩模式。

3)盡管成像平麵上的激光點陣圖像是不斷變化的，但基於(yu) 激光點陣圖像可以識別熔池的形狀，激光發生器發射的點陣密度越大，測量精度越高。這也是改進結構激光技術的一個(ge) 方向。

圖1 （0,1）模式試驗結果

圖2 （1,1）模式試驗結果

圖3 （2,1）模式試驗結果

圖4 （0,2）模式試驗結果

結論

結果表明，仿真得到的激光點陣圖像與(yu) 實驗結果相吻合。基於(yu) 激光點陣圖像可以識別熔池的振蕩模式。本研究不僅(jin) 可以為(wei) 判斷熔池的穿透狀態提供條件，而且有助於(yu) 進一步了解熔池的振蕩模式，開發更有效的觀察方法和測量工具，從(cong) 而有效地控製和提高焊接質量。

前景與(yu) 應用

目前學者所觀測到的熔池振型大多局限於(yu) (0, 1)、(1, 1)、(0, 2)模式，尤其是(2, 1)模型研究較少，原因是受實驗參數和設備條件的限製。由此可見，數值模擬在焊接領域是非常必要的，其能準確地解釋焊接過程中可能遇到的各種振動現象，模擬各種複雜的實驗條件，盡可能節省了經費與(yu) 時間。

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團隊帶頭人介紹

黃健康，工學博士，教授，碩士研究生導師，國際焊接工程師培訓師，現任教於(yu) 蘭(lan) 州理工大學材料科學與(yu) 工程學院。當前主要進行高溫高熵合金的材料製備，非晶、鋁合金等領域的異種金屬連接，焊接過程中物理、檢測及控製等領域的研究。主持及參與(yu) 國家自然科學基金6項，軍(jun) 工項目2項，其他企業(ye) 技術開發橫向項目10項。國家自然科學基金函評專(zhuan) 家、焊接學會(hui) 計算機輔助焊接工程專(zhuan) 業(ye) 委員會(hui) 委員等多個(ge) 學術委員會(hui) 委員，以及INT J HEAT MASS TRAN等30多個(ge) 期刊資深審稿人。現已發表論文 200 餘(yu) 篇，出版教材1部，授權專(zhuan) 利10餘(yu) 項。

團隊研究方向

1) “原位增強梯度鈦合金的電弧增材製造及其組織與(yu) 性能調控研究”提出於(yu) 氬氣保護氣中加入適量的氮氣來原位生成氮化鈦增強相，並通過氬氮比實時調控來實現具有梯度功能的鈦合金零件。

2）“鋁/鋼剪裁板電弧輔助激光熔釺焊工藝與(yu) 機理研究”，創新地提出電弧輔助激光熔釺焊方法，即采用小功率電弧輔助激光（但不複合）對鋁/鋼異種金屬剪裁板進行熔釺拚焊，從(cong) 而解決(jue) 對接焊縫成形難題。

3）“脈衝(chong) 旁路耦合電弧MIG焊三維焊接快速成形工藝及多物理場耦合機理研究”，提出脈衝(chong) 旁路耦合電弧MIG焊快速成形方法，在熱過程精確控製條件下，對熱、流、應力應變等多物理場相互耦合作用的基礎科學問題進行研究。

4）“ TIG焊電弧與(yu) 熔池雙向耦合作用下界麵行為(wei) 試驗與(yu) 機理研究”, 利用結構激光在TIG焊熔池表麵的鏡麵反射來進行熔池表麵研究，提出了一種基於(yu) 反射點更新的三維恢複算法建立了TIG焊電弧與(yu) 熔池統一模型，進一步揭示了駝峰焊道形成機製。

團隊發表高影響力論文

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