基于结构激光的TIG焊熔池三维表面演化行为研究

摘要

焊接过程中，熔池表面形貌承载着丰富的可表征焊接质量优劣的信息，如工件熔透情况等。因此，本文主要从熔池表面方面所展开的一系列研究工作，从熔池表面的凹凸性、表面的动态演变过程以及熔池振荡等角度来研究与工件熔透情况的相关性，以达到在焊接过程中控制焊接质量的目的。本文基于张裕明教授提出的熔池表面类镜面反射特性及熔池表面与工件表面对光束反射特性上的差异的基础上，开展了基于点阵激光和网格激光视觉传感的熔池表面行为研究工作。
　　首先，基于网格激光对熔池表面反射成像模式进行了分析，通过人为设定障碍物的方式对凹面、凸面的表面激光反射成像模式进行了分析，通过研究发现，当在凸面的左边且靠近激光器的位置设定障碍物时，成像盲区出现在成像屏的左边区域且靠近成像屏的顶端位置，即凸面反射成像模式在水平方向上为顺序模式，在垂直方向上为逆序模式。而对于凹面，当在凹面的右边且靠近成像屏的位置设定障碍物时，成像盲区出现在成像屏的左边区域且靠近成像屏的顶端位置，即凹面反射成像模式在水平方向上为逆序模式，在垂直方向上为顺序模式。
　　其次，基于成像屏与工件水平面垂直时所建立的单屏试验系统，对标准的凹凸面的激光反射成像形态进行了分析，从理论角度验证了凹凸面的激光反射成像模式；提出了基于成像屏与工件水平面成60°方向上的斜屏试验系统，对熔池三维尺寸进行了恢复计算；在此基础上，提出了基于两个成像屏平行且均垂直于水平面的双屏试验系统TIG焊熔池三维表面恢复方法，并进行了初步的试验探究过程以及误差分析。
　　然后，从试验的角度对不同焊接电流下的熔池表面凹凸性与熔透状态的相关性进行了探究，在此过程中主要通过焊接过程中实时的结构激光反射成像形态进行表征。利用仿真和试验相结合的方法对定点TIG焊的熔池表面动态演变过程进行分析，同时分析了定点TIG焊焊接电流对熔池熔宽、熔深的影响。结果表明：当焊接电流为70A时，仿真与试验结果同时表明定点TIG焊熔池表面的演变过程由凸面向凹面转变，结构激光的成像形态也伴随着慢慢向中间聚集。在定点TIG焊的焊接过程中，熔池表面是动态变化的。当焊接电流为50 A时，在焊接过程中熔池表面一直是凸的；随着焊接电流的增大，在开始焊接时熔池表面是向上凸的，并随着焊接的进行，熔池表面慢慢发生变化，由凸面向凹面发生转变，工件也由未熔透向完全熔透转变。定点TIG焊焊接工艺试验与仿真结果表明，熔池表面的凹凸性、动态变化过程和工件熔透情况，可利用经熔池表面反射的激光成像形态来表征。
　　最后，研究了脉冲TIG焊熔池表面的变化及其振荡规律，利用MATLAB对脉冲TIG焊熔池表面的振荡演变过程进行了仿真分析，并基于网格激光的成像形态变化特征对脉冲TIG焊熔池三维表面振荡模式进行了探究。通过研究得出以下结论：通过仿真与试验探究，脉冲TIG焊熔池表面的振荡服从贝塞尔方程的振荡模式。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 结构激光运用于观测熔池信息的研究现状

1.3 基于三维视觉传感的TIG焊熔池三维表面观测研究现状

1.4 TIG焊熔池三维表面变形的研究现状

1.5 本文研究内容及创新点

第2章 TIG焊熔池自由表面观测系统

2.1 结构激光视觉法观测TIG焊熔池表面的原理

2.2 TIG焊熔池三维表面研究试验系统简介

2.3 反射成像特征

2.4 试验系统

2.5 本章小结

第3章 TIG焊熔池三维表面观测研究

3.1 提出熔池三维表面观测算法

3.2 基于单屏试验系统的凹凸面激光反射成像仿真结果分析

3.3 基于斜屏试验系统的熔池自由表面三维观测计算

3.4 基于双屏试验系统的熔池自由表面三维观测计算

3.5 基于遗传算法的熔池表面分析

3.6 本章小结

第4章 TIG焊熔池三维表面动态演变过程

4.1 直流TIG焊熔池表面凹凸性研究

4.2 定点TIG焊熔池表面动态演变过程

4.3 焊接电流对焊缝熔深和熔宽的影响

4.4 本章小结

第5章 脉冲TIG焊熔池表面振荡研究

5.1 熔池表面振荡模式仿真分析

5.2 脉冲TIG焊熔池表面动态变化过程

5.3 熔池表面振动规律

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文