基于激光视觉的GTAW熔池振荡行为解析

摘要

熔池振荡作为一种常见的熔池表面波动现象，其振荡行为中承载了丰富的熔池特征信息。可靠检测并提取熔池表面振荡特征信号对深入理解电弧熔池耦合作用、焊缝熔透状态、熔池液态金属表面张力等焊接基础理论问题具有十分重要的意义。然而，由于实际在 G TAW 焊接过程中，熔池表面振荡幅度非常微弱，想要准确获取熔池表面振荡特征信息十分困难。针对传统熔池振荡法(弧压法和弧光法)信噪比低、鲁棒性差、无法表征熔池表面三维振荡信息的缺点，本文创新性的提出了一种基于激光视觉的 G TAW 熔池自由表面振荡三维测量方法，并利用该方法对G TAW 定点及连续焊接过程中的熔池自由表面振荡行为开展了以下几方面的研究工作。 针对 G TAW 熔池自由表面振荡特征及激光视觉法的原理，开发并建立了基于 Labview软件平台的脉冲 GTAW(P-GTAW)激光视觉熔池振荡三维检测软硬件试验系统。该系统能够实现对焊接过程中反射激光条纹图像信号的实时采集、存储、保存及后续图像处理，同时具有实时输出控制信号和优化激源工艺参数等功能。 针对高速CCD摄像机采集的反射激光条纹图像动态变化特征，提出了基于图像亮度值法的熔池振荡特征频率提取算法和基于图像质心法的熔池表面振荡幅度提取算法，分别用于从CCD数字图像中提取熔池振荡频率信息和熔池表面振荡幅度信息；并对以上两种算法的有效性和鲁邦性进行了研究。研究结果表明亮度值法提取的熔池振荡一维信号信噪比大、重复性强、具有较强的鲁棒性；图像质心法提取的熔池振荡幅度信号对实际熔池自由表面振荡的位移量具有明显的光学放大作用，能够用于表征实际熔池表面振荡幅度。 对定点G TAW熔池振荡行为进行了研究。研究表明未熔透熔池存在一种特征振荡频率且振荡频率较高，振荡幅度较低，表面振荡模式与液体自由表面波受激后的振荡行为类似；全熔透熔池(背面熔宽大于5mm)存在一种特征频率且振荡频率较低，振荡幅度较大，表面振荡模式与“二维薄膜”受激后的振荡行为类似；而临界熔透状态下的熔池(背面熔宽小于5mm)频域信号上同时存在一高一低两种特征频率，其自由表面振荡实质上为横向和纵向两个振荡方向相互垂直的振荡波的合成。利用不同熔透状态下熔池振荡频率特征，提出了一种步进焊接临界熔透实时检测及控制算法，并进行了控制试验。研究表明，提出的控制算法能够实现对步进焊接条件下焊缝临界熔透状态的实时检测及控制。根据不同熔透状态下的熔池振荡行为特征，分别采用基于自由表面波理论的未熔透熔池振荡解析模型和基于二维薄膜理论的全熔透熔池振荡解析模型对熔池振荡频率与熔池尺寸之间的关系进行了分析。结果表明以上模型能够用于解析熔池尺寸与振荡频率之间的关系。 对连续G TAW熔池振荡行为进行了研究。首先通过工艺试验分析了焊接速度对未熔透熔池振荡行为的影响，结果表明，电弧热源的移动会引起电弧轴线与熔池几何中心线的偏移量增大，焊接速度越大，偏移量越大；随着偏移量的增加，熔池表面振荡模式逐渐由定点焊时的对称振荡模式向非对称的“晃动”模式转变；“晃动”模式下的振荡频率较低，接近于全熔透熔池振荡频率范围，会对后续熔透信号的检测产生严重干扰；采用熔池三维瞬态温度场解析数学模型仿真分析了“晃动”模式出现的临界焊接速度和临界偏移量；在“晃动”模式出现的临界焊接速度范围内，研究了不同熔透状态下的熔池振荡行为，结果表明，连续焊接条件下熔池从未熔透—临界熔透—全熔透的振荡频率特征、振荡幅度、振荡模式与定点焊时基本一致。不同熔透状态下的频率特征可用于连续焊接条件下熔透状态的实时检测及控制。 最后利用熔池振荡频率与熔池尺寸、液态金属表面张力之间的直接物理对应关系，提出了一种G TAW熔池液态金属表面张力测量方法，利用该测量方法对不锈钢A-TIG焊涂覆两类不同活性剂(氧化物、氟化物)作用下熔池液态金属表面张力进行了测量，并从表面张力的角度分析了活性剂增加熔深的机理。研究表明氧化物活性剂能够改变熔池液态金属表面张力温度梯度系数和熔池内部“马兰格尼对流”的流动模式，熔池中氧元素的含量是影响熔池液态金属表面张力变化的主要因素。氟化物活性剂能够降低熔池液态金属表面张力绝对值，但并不会影响熔池表面张力温度梯度系数，氟化物活性剂能够增加焊接电弧温度从而引起熔池中液态金属的平均温度升高，进而导致熔池平均表面张力绝对值降低和熔深增加。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 GTAW熔池信息测量的研究现状

1.3 GTAW熔池振荡信息测量的研究现状

1.4 本文研究内容及创新点

第2章 GTAW激光视觉熔池振荡检测方法及试验系统

2.1 GTAW激光视觉熔池振荡检测方法及基本原理

2 . 2 激光视觉G TAW熔池振荡试验系统

2.3 本章小结

第3章 GTAW熔池振荡特征信号提取算法研究

3.1 五线模板反射激光条纹动态变化过程分析与特征频率提取算法的提出

3.2 单线模板反射激光条纹动态变化过程分析与熔池振荡幅度提取算法的提出

3.3 本章小结

第4章 GTAW定点焊熔池振荡行为研究

4.1 试验材料

4.2 激源对熔池振荡信号的影响

4.3 不同熔透状态下熔池振荡行为研究

4.4 熔池自由表面振荡的李萨如图形研究

4.5 步进焊接熔透实时控制研究

4.6 未熔透和全熔透熔池振荡解析模型

4.7 本章小结

第5章 GTAW连续焊接熔池振荡行为研究

5.1 焊接速度对熔池振荡信号传感质量的影响

5.2 焊接速度对熔池振荡行为的影响

5.3 不同熔透状态下熔池振荡行为研究

5.4 本章小结

第6章 GTAW熔池液态金属表面张力测量及A-TIG熔深增加机理研究

6 . 1 激光视觉G TAW熔池液态金属表面张力测量方法的提出

6.2 活性剂对熔池液态金属表面张力的影响及熔深增加机理

6.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录 B 专利