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(dòng)化，這刺激了自動(dòng)化和相關(guān)系統(tǒng)的使用增加。鎢極氣體保護(hù)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(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，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(hào)，進(jìn)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(duì)水池振蕩進(jìn)行監(jiān)測。但是，仿真軟件的缺乏會(huì)導(dǎo)致大量的資本支出。本文采用模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到不同時(shí)間的振蕩模式，來分析了靜止GTA熔池的振蕩模式。

試驗(yàn)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(jī)，以1000幀每秒的速度對(duì)固定GTA焊接熔池表面進(jìn)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(shí)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(dòng)方程的數(shù)學(xué)模型。然后設(shè)置源項(xiàng)，使其頻率的本征頻率大于或等于焊縫池的本征頻率，進(jìn)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(diǎn)陣制成。發(fā)射的光照射到焊接池。反射的激光在到達(dá)成像平面時(shí)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(jìn)行測試，呈現(xiàn)的激光點(diǎn)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(dòng)模式，并對(duì)熔池中常見的三維圖像進(jìn)行了模擬。(0, 1)、(1, 1) ,、(2, 1), (0, 2)的激光點(diǎn)陣圖像。通過結(jié)構(gòu)激光光學(xué)測量仿真，得到了不同時(shí)間的振蕩模式?；诩す恻c(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(duì)熔池的沖擊會(huì)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(diǎn)陣圖像是不斷變化的，但基于激光點(diǎn)陣圖像可以識(shí)別熔池的形狀，激光發(fā)生器發(fā)射的點(diǎn)陣密度越大，測量精度越高。這也是改進(jìn)結(jié)構(gòu)激光技術(shù)的一個(gè)方向。

圖1 （0,1）模式試驗(yàn)結(jié)果

圖2 （1,1）模式試驗(yàn)結(jié)果

圖3 （2,1）模式試驗(yàn)結(jié)果

圖4 （0,2）模式試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論

結(jié)果表明，仿真得到的激光點(diǎn)陣圖像與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合?；诩す恻c(diǎn)陣圖像可以識(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確地解釋焊接過程中可能遇到的各種振動(dòng)現(xiàn)象，模擬各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件，盡可能節(jié)省了經(jīng)費(fèi)與時(shí)間。

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團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(xiàng)，軍工項(xiàng)目2項(xiàng)，其他企業(yè)技術(shù)開發(fā)橫向項(xiàng)目10項(xiàng)。國家自然科學(xué)基金函評(píng)專家、焊接學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)輔助焊接工程專業(yè)委員會(huì)委員等多個(gè)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，以及INT J HEAT MASS TRAN等30多個(gè)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(xiàng)。

團(tuán)隊(duì)研究方向

1) “原位增強(qiáng)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(hù)氣中加入適量的氮?dú)鈦碓簧傻佋鰪?qiáng)相，并通過氬氮比實(shí)時(shí)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)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釬焊工藝與機(jī)理研究”，創(chuàng)新地提出電弧輔助激光熔釬焊方法，即采用小功率電弧輔助激光（但不復(fù)合）對(duì)鋁/鋼異種金屬剪裁板進(jìn)行熔釬拼焊，從而解決對(duì)接焊縫成形難題。

3）“脈沖旁路耦合電弧MIG焊三維焊接快速成形工藝及多物理場耦合機(jī)理研究”，提出脈沖旁路耦合電弧MIG焊快速成形方法，在熱過程精確控制條件下，對(duì)熱、流、應(yīng)力應(yīng)變等多物理場相互耦合作用的基礎(chǔ)科學(xué)問題進(jìn)行研究。

4）“ TIG焊電弧與熔池雙向耦合作用下界面行為試驗(yàn)與機(jī)理研究”, 利用結(jié)構(gòu)激光在TIG焊熔池表面的鏡面反射來進(jìn)行熔池表面研究，提出了一種基于反射點(diǎn)更新的三維恢復(fù)算法建立了TIG焊電弧與熔池統(tǒng)一模型，進(jìn)一步揭示了駝峰焊道形成機(jī)制。

團(tuán)隊(duì)發(fā)表高影響力論文

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