基于受限波尔兹曼机的GMAW管道打底焊的熔透预测方法
基于辐射测温的弧焊机器人GMAW动态过程辨识
第２ ６卷 第 ２期 ２０ ０ ７年 ４月
天
津
工
业
大
学
学
报
Ｖｏ ． Ｎｏ． １２６ ２ Ａｐ ｌ ２ ０７ ｉ ｒ ０
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＩ ＡＮＪＮ Ｉ ＰＯＬ ＥＣＨＮＩ ＵＮＩ ＹＴ Ｃ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
关 键 词 ： 色测 温 ；Ｇ ＡＷ ； 积 法 ；系统 辨 识 比 Ｍ 面
中图分类号 ：Ｇ ３ ． ；Ｐ ４ ． Ｔ ４ ４ ４ Ｔ ２２ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编 号 ： ６ １０ ４ （ ０７ ０ — ０７ ０ １７ — ２ Ｘ ２０ ） ２０ ７ —３
Ｉ ｅ ｔｆｃ ｔｏ ｏ Ｍ ＡＷ ｎ ｍ ｉ ｒ ｃ ｓ ｆａ ｃ ｗｅｄｉ ｏ ｏ ｄ ｎ ｉ ａ ｉ ｎ ｆＧ ｉ ｄｙ ａ ｃ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｒ ｌ ｎｇ ｒ ｂ ｔ
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｌ ｕ ｉ ｔｉ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｏ ｒ ｍｅｒ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ａ ｕ ｅ ｎ ；ＧＭＡＷ ；ａｅ ｔ ｏ ｃ ｒ ａ ｍｅｈ ｄ；ｓ ｓ ｍ ｄ ｎ ｉ ｃ ｔ ｎ ｙ ｔ ｉ ｅ ｔ ｉａｉ ｅ ｆ ｏ
焊接是一 个 弧焊 电源产 热和 工件 吸热 以及散 热 的 过程 ， 弧焊热 过程 决定 了焊缝 的宏 观质 量 和微 观质 量 ． 因此 在焊接质 量控 制 中 ， 够对 反 映热 过 程 的焊 接 温 能 度场 实时监 测就显 得极 为重 要 Ｊ传统 Ｇ Ａ 自动焊 ． Ｍ Ｗ 接通 常采用恒 定规 范 ， 导致在 焊接 过程 中发 生干扰 时 ， 热平衡 被破 坏 ， 接 效 果 变 差 ． 文 采 用 比色 测 温 技 焊 本 术 ， 大降低 了焊 接过程 中的弧光 干扰 ， 功对焊 接温 极 成
基于多传感器和支持向量机的GMAW焊接过程模式识别研究
基于多传感器和支持向量机的GMAW焊接过程模式识别研究作者：贺峰史亚斌王锋赵红武秦海兵来源：《科技创新与应用》2018年第34期摘要：GMAW（熔化极气体保护焊）是一个复杂的物理、化学过程，存在高度的复杂性和非线性性，有效的提高对其焊接过程模式识别的准确性一直是GMAW焊接过程监控的一个关键问题。
文章提出一种基于多传感器和SVM（支持向量机）的焊接过程模式识别方法。
通过多传感器对焊接过程中靶材力、振荡、电弧电流、电压和声压等信号同时进行采集，并进一步对其进行方差、小波以及希尔伯特黄变换；再综合焊接过程中各信号数据和训练样本的特点选取并建立多分类SVM和核函数模型，并利用对焊缝的CT断层扫描加以验证，实验结果表明该方法对焊接过程模式具有较高的准确率。
关键词：GMAW；多传感器；支持向量机；焊接过程模式识别；参数优化中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0001-05Abstract： GMAW （gas-shielded metal arc welding） is a complex physical and chemical process， there is a high degree of complexity and nonlinearity. Effectively improving the accuracy of pattern recognition of its welding process has been a key issue of GMAW process monitoring. A method for pattern recognition of welding process based on multi-sensor and SVM （support vector machine） is presented in this paper. The signals of target force， oscillation， arc current， voltage and sound pressure are collected at the same time by multi-sensors， and the variance， wavelet and Hilbert-Huang Transform are carried out. According to the characteristics of signal data and training samples in the welding process， the multi-classification SVM and kernel function models are established and verified by CT tomography of welding seams. The experimental results show that the method has a high accuracy for the welding process mode.Keywords： GMAW； multi-sensor； support vector machine； pattern recognition of welding process； parameter optimization1 概述作为一种目前应用最广泛的焊接方法，GMAW焊具有成本低、焊丝利用率高、焊接速度快和对各种靶材适应性强的特点，因此广泛运用于薄钢板、低熔点材料的各类焊接加工领域。
P-GMAW正面熔透特征量及视觉传感方位
收稿日期：2005-07-08基金项目：国防“十五”预研资助项目（41318.5.1.2）P -GMAW 正面熔透特征量及视觉传感方位闫志鸿，张广军，高洪明，吴林（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨150001）摘要：在焊缝成形过程控制中，由于受焊接结构的限制，常常需要从工件正面来检测熔透情况。
文中分析了薄板脉冲熔化极气体保护焊（P-GMAW ）全熔透过程的成形规律，从熔融金属体积量出发，提出了可以反映熔透的正面熔池及焊缝特征参量。
从多个角度观察熔池，获取了清晰的脉冲基值期间熔池图像，针对所提出的特征参量，分析了各个观察视角的优缺点。
针对管焊缝，研究了其水平视角传感方法。
关键词：脉冲熔化极气体保护焊；全熔透；视觉检测方位；管焊缝中图分类号：TG409文献标识码：A文章编号：0253-360X （2006）08-047-04闫志鸿0序言熔深或熔透控制是焊接自动化中的基本问题，但在许多结构中（如压力容器），很难将传感器直接置于工件反面。
另外，当视觉传感器置于工件反面而没有附着在焊枪上时，二者的同步也较困难。
基于这些原因，寻求正面熔透信息便成为焊接界一直在探讨的课题之一。
通过观察熔池的几何形貌，一个熟练的操作工人可以判断当前的熔透情况［1］。
为了模拟这一过程，国内外的研究者开发了多种计算机视觉传感方法，用来获取可以反映熔透情况的正面熔池特征信息［2～5］。
随着计算机、图像处理和人工智能等技术的发展，计算机视觉以其信息量大、精度高、通用性好、检测范围大等特点，在焊接领域也得到越来越广泛的应用［6］。
但以往相关研究多集中于非熔化极气体保护焊。
作者以P -GMAW 过程为对象，研究其正反面成形规律，尝试从各种视角下获取熔池图像，并分析从各个视角观察熔池的特点及实用性。
1P-GMA W 全熔透过程成形规律分析全熔透过程一般用于厚板多道封底焊或薄板焊接，文中分别以2mm ，3mm 薄板堆焊与对接为对象，研究全熔透过程的成形规律。
基于Fluent的GMAW焊接熔滴过渡过程的动态模拟_李桓
对于熔滴过渡的模拟利用 Fluent 两相流模块
中的 VOF 模型追踪自由表面的变化。VOF 方法中引
入了一个函数即单元格流体体积函数 F(x，y，t)，该
函数代表每单元格内的流体体积。在该模型中利用
F 来捕捉气液两相界面随时间的运动状态，通体
运动时的变化轨迹，由此记录气液两相流体的运动 状态。其中 F 满足连续性守恒方程[6]
dF dt
=
鄣F 鄣t
+(V軑·塄)F=0
(4)
如果 F=1，表示单元格中充满流体；F=0，单元
格中没有流体；0<F<1，流体表面位于单元格中。
熔滴在长大及过渡过程中还受到力的作用，其
中经常考虑的四种力为：重力、电磁力、等离子流力
均促使熔滴过渡，表面张力阻碍熔滴过渡。
熔滴所受重力为
G= 4 πR3ρg
LI Huan1，DING Xue-ping1，YANG Li-jun1，GAO Ying2 (1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222，China)
例二(两脉一滴)的熔滴过渡模拟结果如图 4 所 示。例二与例一相比，焊接电流明显降低，对熔滴过 渡形式造成重要影响，使得熔滴过渡由一脉一滴转 变为两脉一滴。分析发现，在初始阶段即前 12 ms，电 流处于基值阶段，熔滴慢慢长大，第 13 ms 进入峰 值阶段，电磁力增大使熔滴变长，加速液滴金属向 下流动，但因此时促进熔滴过渡的力较小，该熔滴 并未在峰值结束时即 20 ms 左右发生过渡，之后电 流返回基值，虽然缩颈部位熔滴的体积已经很大，因 基值阶段电磁力依然很小，较小的电磁力无法克服 表面张力的作用，因而熔滴未能脱离焊丝端部，熔滴
基于电信号多元统计的GMAW焊接质量分析方法
在 工 艺 试 验 过 程 中 ， 入 ５ 干 扰 信 号 。（） ｌ 引 种 ￣ ｃ３ ｇ
表 １ 焊 接 工 艺 参 数
比较 理想 的焊接 情况 ； ｇｌ 护 气 体 流量 为 １ ② ｃ４保 ２～ｌ ３ Ｌ ｒｎ （ｇｌ 护气 体 流量 为 ９～１ ／ ｉ； ｃ６采 ／ ｉ； ）ｃ５保 ａ ￣ ０Ｌ ｍｎ（ ｌ ￣ｇ
Ｓ ＝（ ， ，，，， Ｓ 。 ５ Ｓ Ｓ Ｓ１Ｓ＇ ） ，
４ ２０ ８ ０ ８年 第 １ ２期
生产应用 俘 掳
用 ｄ ，表试 验号 ｉ 弋 ， 间的距 离 ， 。Ｇ ， …表示 之 Ｇ ， … 类 。ｄ 表 示 Ｇ 与 Ｇ 之 间 的距离 。 ：
ｌ、 ２ 、 ３ 、 ４ 、 ５
ｍ
分 别代 表 Ｓ Ｓ Ｓ Ｓ Ｓｌ 、 、
ｉ ｎ
．
ｄ ｕ＝
ａ 一 Ｉ ｘＩ
，
（） １
—
６ ２ 的范 围 内分 为 ６ ．５ｍｓ ３个组 ， 宽为 ０ １ｍ ； 弧 组 ． ｓ 燃
８ ．２ 为不 连续 的 １６组 ， 宽 为 ０ ５Ｖ； 于焊 接 ８ １５Ｖ） ８ 组 ． 对 电流 的 Ｐ Ｄ值 ， 个 电流 范 围 （一３ ． ５～４ ２ ２ ６ Ａ） Ｄ 整 １２ ７ ．５ 分为 ２ ９组 ， ５ 组宽 为 １ ９ ３ 短 路 时 间 ｔ 在 整个 ０ ０ ． ５ Ａ； ． ．５
俘 掳 生产应用
基 于 电信 号 多 元 统 计 的 ＧＭＡ 焊 接 质 量 分 析 方 法 Ｗ
中北 大学焊接 中心（ 太原 市 ００ ５ ） ３０ １
摘要
顾小燕
李志勇
王
耀
为了分析在不同干扰因素下的焊接过程信息与焊接质量的联系 ， 应用德 国汉诺 威焊接质 量分析仪 和采
基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型
第39卷第2期焊 接 学报 V〇1.39(2):075 - 079 2018年2月T R A N S A C T IO N S O F T H E C H IN A W E L D IN G IN S T IT U T IO N Feb r u a r y2018基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型张世亮％,胥国祥2，曹庆南2，潘海潮2，李鹏飞2(1.济南工程职业技术学院机电工程系，济南250200#2.江苏科技大学江苏省先进焊接技术重点实验室，镇江212003)摘要：基于F L U E N T软件，建立了适用的懷化极气体保护焊（gas metal arc w elding，G M A W)懷池动态行为数值分析模型，该模型考虑了气一液一固三相耦合.将电弧热输人视为双椭球体热源模型，将电弧等离子体描述为高速流向熔池的氩气，其流速呈高斯分布，流速峰值依据焊接电流确定，电弧压力与电弧等离子体对熔池表面的切应力在计算过程中获得;将熔滴过渡视为高温液态金属从熔池上部一定区域以一定速度流人熔池过程，通过对流速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率.利用该模型对不同条件下G M A W焊熔池热场及流场进行模拟计算，并分析其流体动力学特征.结果表明，模型能够合理地反映熔池动力学特征，同时还提高了计算效率.关键词：F L U E N T软件；6M A W焊；三相耦合；流体流动；数值分析模型中图分类号：T6 456.2 文献标识码：A d o i： 10.12073/j. hjxb. 20183900450序 言焊接过程中，熔池内流体流动对焊缝成形具有 重要影响%1]，故采用数值模拟技术对熔池流体动力 学特征进行研究，有助于全面理解焊缝成形物理机 制.对于6MAW焊，熔池动态行为所受影响主要来 自熔滴和电弧%2-4].因此，对GMAW焊熔池进行模 拟计算，必须全面、合理考虑两者作用.目前研究者已对GMAW焊熔池热场和流场进 行了大量数值模拟方面的研究，并已取得了较大进 展%2-7].对于熔滴的影响，目前主要采用两种方式 进行处理，第一种方式为通过分别建立熔滴热焓的 热源模型及熔滴冲击力的力源模型考虑其对熔池的 热、力作用#然后利用调节熔池表面变形方程积分体 积的变化间接考虑熔池液态金属体积的增加%2-3].该类模型计算相对简单，但与实际焊接物理过程不 同，无法真实描述熔滴与熔池的耦合行为.第二种 方式为建立高温液态金属的质量源%5-7]，但该方法 使得计算的收敛性显著恶化.而对于电弧对熔池的 热、力影响，目前其热源模型和电磁力源模型相对成 熟，但电弧等离子体对熔池力的作用则多采用电弧 压力模型%3,5,8]，而忽略了电弧等离子体对熔池自由收稿日期：2016 -06 -16基金项目：国家自然科学基金面上项目（51575252)#江苏省青蓝工 程资助项目#江苏省博士后基金项目（1601050A)表面的切应力作用.除上述模型，T s i等人%6-7&建立 了GMAW焊电弧一熔滴一熔池三者耦合的统一数值 分析模型，但该模型仅为二维，且计算成本极为高昂.基于上述分析，综合考虑熔滴及电弧对熔池动 态行为的影响，基于FLUENT软件建立适用、高效的 GMAW焊熔池气一液一固三相耦合三维统一数值 分析模型，为深入分析GMAW焊成形特征及参数优 化提供可靠、实用的技术支持.1数学模型!1电弧热源模型电弧热输入采用双椭球热源表征，其热流密度函S(/，0，'":12槡槡r,IU(a{+ar)G h c h"槡"j3/230 3 z2\exp|---272「|，尤&0\a{G D /(1)S(^，0，'":12槡槡*U(7{ +ar)Gc h"槡"/3/2303z2\exp|了丨，x<0\7K D h)(2)式中为热效率;/为焊接电流；U为电弧电压;S，S分别为热源前、后部分的热流密度分布函数;7, 7r，G，D h 分别为双椭球体热源的分布参数.76焊接学报第39卷图2熔池流体流动计算结果（％ = 〇" s ，/ = 180 A ，' = 23 V)Fig. 2 Calculated fluid flow in weld pool1.2熔滴过渡模型了简化计算，将金属态金属从熔定圆形区域以一定的速度流入熔池，该区域面积与焊丝横断面相同，在f l u e n t 软件中处理 为速度入口（ Velocity -inlet ).1出了计算区域，其中熔滴液态金属流入区域半径;通过态金属流速施加脉冲函数，熔滴的过.假定液态金属流速为常量，可依据 ％ 1 ]计算.而熔融金属的度可 2 400 K ，熔滴过 则依据文献%9]计算获得.@1计算区域几何模型（mm)Fig. 1Geometrical model of calculation domain1"电弧模型由于电值本身非常，故简化计算，将电等离子熔高速垂直流向熔池的氩气，不考虑其热场、 长变化，氩气度假定为环境温度;文中别采用热源电力源 表征电焊件的热作用及电磁力作用， 焊接热.此外，于氩气要成分的保护气体，电较接近柱状%3]，故电弧形态的简化较 ，对其力学较小.如图1所，〇%B 氩气速度入口.电磁力计算模型见文献% 1].氩气等离子体峰值流速为%9](g =V (3)式中为计算系数.由于电弧等离子体流速与电流密度密切相关， 故假定氩气流速与电流密度征相同，成高斯，其速度分布函数如下，即WN，） （4)式中:T 为氩气流速 ；T 为氩气速度入口区域(0，B ) 点到电弧中心的距离.计算过程中，采用V 0F 法熔池气液界面;电弧等离子熔池自由液面的作用力由计算过程得.此外，为了避免高速氩气对熔滴冲 的熔 离散，在熔滴速度入口区域〇%A 同样采用脉冲函数进 ，使得液态金属及氩气交替入计算区域.2结果与分析采用G M AW 焊对6 m m 厚Q 235钢板进行堆焊试验，焊接电 别为1&0 260 A ，电电压分别23 27 V ，焊接速度为1.2 m /m in ;取一半焊件为计算区域，其尺寸为50 mm X 20 mm X 9 mm ，其中3 mm 处气， 如 1 所 .用上述所建，通过f l u e n t 软件对GM AW 焊熔池瞬态温度 进 计算.计算过程中所用物性 见 ％ 1 ]， 步长为（2〜5" X 10-4S.图2给出了气一液一固三相耦的计算.相较于电弧等离子速，熔速较小；电等离子体冲击熔池自由液面后，迅速沿熔池自由液面向周边快速 ，从其 应力（或 力），可见 够 映 电熔滴对熔态 ，符实际焊接物理过程.为了 展示熔征，下文计算中省略了电弧等离子.6 4 0mm /z #^^^z第#期张世亮，等：基于FLUENT 软件的GMAW 焊熔池动态行为数值分析模型771 500 J 61 300 i |1 100 g 4900^ 20 5 10 15 20x 方向坐标x/m m (g )纵截面,t=0.6 s图3不同时刻GMAW 焊熔池温度场及流场分布（/ = 180 A # ' = 23 A)Fig. 3 Temperature and velocity fields in GMAW at different time〇5 10 15 20x 方向坐标x/m m (c )纵截面,t=0.56 s图3给出了焊接电流为180 A 时不同时刻 GMAW 焊热的，其中横截面位于热源中心处.可以看出，由于焊接电流相对较小，熔滴过 式为大滴状过渡;同由于焊接速度较快，则焊缝余高也较小.当6=0. 55 s 时，熔滴刚形成，但尚 未；受电压力 ，熔前部电弧作用区域存定下塌，下塌处表层金属流速 高于熔池内.熔池表面变形后壁附近金属快速流向熔池后部，并在熔池中部形成逆时针环流.当6=0. 56 s，熔滴继续向熔进，但刻熔池表面下塌减，同其表层金属流速显著 ，最大值仅 〖0.7 m /s (图3c ，3d ); 由于熔滴抵达熔池前，对电弧等离子体存在阻挡作用，此刻熔滴下部熔池区 域电弧作用力 ，故 静压力和表面张力作用，熔后态金属向前，熔下塌处表面 ，现与 [6]相，进一步表明了的性.而随着的推移，当熔滴刚进入熔，熔滴冲击力影响，熔池表面变形再次增大，变形下1 773s181 50061 300鉴41 10090027001 773 8 _s m/z#^*l l :^z3 0 0 07 0 0 0 07 5 3 10078焊接学报第39卷(f)横截面，t=0.542s0 5 1015 20x 方向坐标x/m m(e )纵截面,t=0.542 s (a )纵截面,t=0.41 s205 1015x 方向坐标x/m m(g )纵截面，t=0.55 s0 2 4 6 8 10y 方向坐标y/m m(b)横截面，t=0.41s图4不同时刻GMAW 焊温度场及流场分布（/ = 260 A ，' = 27 V)Fig. 4 Temperature and velocity fields in GMAW at different time金属向其周围流动，而变形大小与熔滴速度和尺 相关；由3>可以看出，受熔滴排挤向后金属与金属相遇，转向熔，在变形后部附近形成液态金属凸起.此后，电弧压力和电弧等离子 应力再次作用于熔 态表面， 熔 态行征与t 0.55s 时相似，如图3g ，3h 所示.由图 3可，焊接过程中，受熔滴过电弧作用力，熔池形态固定不变，熔表面下塌 态成周期性变化，更加符合实际焊接过程[6].4 出了焊接电流为260 A 时不同GMAW 焊热的计算.可以看出随着焊接电流的增大，熔滴过 增加，熔滴变小;同时，电压力及熔滴冲击力提高，熔表面变形增大;由于熔滴 较小，其进入熔池后，直熔池变形，仅熔池变形形态（图4i ,4d )，故条件下 状特征焊缝出现.受电弧等离子应力影响，熔池表面变形后壁上部附S m /Z #^*I E^ZU m l/Z #^*IE ^Z1500::900u/z鉴刭叵4^z008853 111 11第2期张世亮，等：基于FLUENT 软件的G M AW 焊熔池动态行为数值分析模型79近金属仍然沿熔池表层向后部流动，这与仅考虑电 弧压力时的计算结果不同%2];同样在熔池中部形成逆时针涡流，熔池基本流态与电流为180 A 时相似. 而对于熔池表面变形下方液态金属，其在电弧压力 及熔滴冲击力作用下，由熔池底部流向熔池后方，在 稍远处与回流液态金属相遇后，流向熔池上部，并入 涡流.由图4可知，由于熔滴过渡频率较大，熔滴冲 击力及电弧等离子体作用力相对稳定，不同时刻表 面变形的变化明显较电流为180 A 时小，仅下部表 面变形存在一定振荡，熔池形态相对稳定.3结论(1)综合考虑电弧、熔滴对熔池的热、力作用，基于FLUENT 软件，建立了适用的GM AW 焊流体流 动三维数值分析模型;对不同焊接条件下GM AW 焊 熔池流体流动进行了模拟计算，并对其特征进行了 分析.模型能够合理、准确地描述电弧和熔滴对 GMAW 焊熔池动态行为的主要影响，其计算结果更 为符合实际焊接过程，同时，模型适用范围更广，计 算效率较高，从而为GM AW 焊内部机理研究提供了可靠、实用的技术支持.(2) 当焊接电流为180 A 时，熔滴成大滴状过 渡，过渡频率较小，熔池表面变形呈周期性变化，且 表面下塌后部液态金属高速流向熔池后部，在熔池 中部形成逆时针涡流;而当焊接电流为260 A 时，熔 滴过渡频率较大，形成指状焊缝，熔池形态相对稳定.参考文献：[1]武传松.焊接热过程与熔池形态％ M].北京：机械工业出版社，2008.[2]孙俊生，武传松.电弧热流分布模式对GMAW 焊接温度场的影响[J ].焊接学报，1998, 19(4)) 255 -260.Sun Junsheng, Wu Chuansong. Modeling the w el(R pool behaviors in GMA wel(Ring [ J ]. Transactions of the China Wel(ding Institia- tion ，1998, 19(4) ： 255 -260.[3]陈姬，武传松，P ie r A ，等.F occA rc 双面焊熔池流场与温度场的数值模拟[J ].焊接学报，2015, 36(7): 9 -12.Chen J i，Wu Chuansong，Pitter A ，e t al . Numerical simulation offluid flow and temperature fields for double-sided ForccArc welding[J ]. Transactions of the C hinaW eldinglnstitution ，2015， 36 (7) ： 9-12.[4] Kumar A ，Tebroy T. Toward a unified model to prevent humping defects in gas tungsten arc welding[ J ]. Welding Journal ， 2006 (12) ： 292-304.[5]Cho J H ， Na S J. Three-dimensional analysis of molten pool in GMA-laser hybrid welding[J]. Welding Journal ，2009，88(4): 35 -43.[6 ] Hu J ，Tsai H L. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Part I: The arc [J ] • International Journal of Heat and Mass Transfer ， 2007, 50(5) ： 833 -846.[7 ]Hu J ，Tsai H L. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Part $ : Themetal [J ].InternationalJTransfer ，2007, 50(6) ： 808 -820.[8]胥国祥，张卫卫，马学周，等.激光V GMAW 复合热源焊流体流动数值分析模型[J ] •焊接学报，2015, 36(7)： 51 -54.Xu Guoxiang，Zhang Weiwei，Ma Xuezhou，et al. Numerical analysis model for fluid flow in laser V GMAW hybrid welding [ J ]. Transactions of the China Welding Institution ，2015，36 (7 )： 51 -54.[9 ] Kim C H ，Zhang W ，Debroy T. Modeling of temperature field andsolidified surface profile during gas metal arc fillet welding [ J ]. Journal of Applied Physics ，2003，94(4) ： 2667 -2679.作者简介：张世亮，男，1981年出生，硕士，讲师.主要从事焊接工艺及焊接过程的数值模拟方面的研究.发表论文6篇.E m a il ：mains@ 163. com： 胥国祥，男，博士，副教授.Email ： xugxiang@$MAIN TOPICS,ABSTRACTS & KEY WORDS 2018,V 〇1.39,N o.2Weld bead formation in narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding process LIU Liming, HUChenghui，FANG Dislieng ( Liaoning Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024, China) . pp 66 -7〇Abstract : The narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding process was originally proposed，its princip)le was introduced ，and the effects of welding parameters on weld bead formation were investigated. In order to eliminate the convex formation of the w eld appearance ， a tungsten arc was placed behind the triple-wire indirect arc. Results showthat the triple-wire indirect arc can realize good sidewall fusion in narrow-gap welding ， and the sidewall penetration increases with the increase of the welding current，decreases of the welding speed and the groove gap. Without the tungsten arc，the convex weld appearance appears ，and with the tungsten arc，the concave surface forms in welding process. During narrow-gap welding，the concave weld bead surfacc benefits the base metal fusion at the weld root andlayers fusion.Key words ： triple-wire; indirect arc; narrow-gap weldingMechanical properties of friction stir lap welded 2024-T4 aluminum alloy joints for pin not plunging into lower sheet YE Jiehe1，LIU Xuesong2，WANG Suhuan1 ( 1. CSR Qingdao Sifang C o.，L td.，Qingdao 266111，China ； 2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining ， Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China) . pp 71 -74Abstract ： Hook defect is the key factor on the mechanical properties of friction stir lap welded ( FSLW) joints. In order to avoid the hook d efect as much as possible，the tool pin did not plunge into lower sheet during the FSLW process of 2024-T4 aluminum d o y. The cross sections and mechanical properties of FSLW joints at different rotational speeds were studied. The experimental results show t hat when the pin does not plunge into lower sheet，the lap interface is continuous and presents the horizontal distrilDution. The width of stir zone bottom is greater than the diameter of pin tip due to the small pin length，which leads to the increase of effective lap width ( ELW ). Tensile fracture model is obtained during tensile test. Compared with the rotational speed of 500 r/m in，the ELW and lap shear failure load at 600 r/min are both slightly increased. In this study ， the maximum lap shear failure load is about 143 MPa.Key words ： friction stir lap welding ； 2024-T4 aluminum alloy; hook; lap shear failure loadA numerical analysis model of weld pool dynamic behavior in GMAW based on FLUENT software ZHANG Shil-iang1，XUGuoxiang2，CAOQingnan2，PAN Haichao2，LI Peng- fei2 ( 1. Mechanical and Electrical Engineering Department ，Jinan Engineering Vocational Technical College ， Jinan 250200, China ； 2. Key Laboratory of Advanced Welding Technology of Jiangsu Province ， Jiang University of Science and Technology ， Zhenjiang 212003，China) . pp 75 -79Abstract ： Based on FLUENT soft^vare ， an adaptive numerical analysis model of weld pool dynamic behavior in gas metal arc welding ( GMAW) was developed which considered the three phase coupling of gas-liquid-solid phases. The arc heat input was regarded as a double ellijDsoid body heat source，and arc plasma was treated as a rgon gas flowing toward the weld pool in high velocity. The flow velocity of argon gas was assumed to be a Gaussian distribution mode，and its peak value was determined by welding current. The pressure and shear stress exerting onweld pool free surface due to arc plasma wereculation. The droplet transfer was assumed as the process of high-temperature metal licquid flowing into weld pool from the certain region above it and the time pulse function flow velocity of liquid metal lor considering the droplet transfer frequency. Using this model ，the temperature and velocity fields in GMAW were computed under different welding conditions and fluid dynamic feature of weld pool was analyzed. The results show that the established model can reflect the dynamic feature of weld pool more reasonably and the calculation efficiency is also enhanced.Key words ： FLUENT software; GMAW ； three phase coupling; fluid flow; numerical analysis modelHigh temperature oxidation and thermal shock properties of thermal barrier coating by CoCrAlY surface modification HAN Zhiyong ，HAN Jian ，QIU Zhenzhen (Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiines and Maintenance ，Civil Aviation University of China ，Tianjin 300300，China) . pp 80 - 83Abstract ： CoCrAlY coating was prepared by air plasma spray ( APS) on the surface of Ni-based superalloy ，nano-scale A1 film was deposited on the surface of CoCrAlY by electron beam evaporation and modified by high current pulsed electron beam and the deposition of ceramic coating on CoCrAlY surface by APS. The high temperature oxidation test and thermal shock test of the thermal barrier coating in air atmosphere were carried out. The results show that the thermally grown oxide ( TGO) generated at the interface in the thermal barrier coating of modified CoCrAlY has high continuity and compactness ater high temperature oxidation at 1 050 i in static air ，which can effectively hinder the further development of oxidation and avoid the formation of corner oxide ， and then the resistance properties of the thermal barrier coating are improved. The thermal shock tests were conducted by heat to 1 050 i and water quenching at 10 i ，the rate of abscission of thermal barrier coating is only about 2g .Key words ： CoCrAlY coating; high current plused electron beam; high temperature oxidation; phase composition; sur- fac=topographyE fect of heat input on weld morphology and tensile properties of bobbin friction stir welded joints HAO Yunfei1，WEI Ruigang1，ZHOU Qing1，HU Xiao1，WANG Guoqing2 (1. Capital AerosjDace Machinery Company ，Beijing 100076，China; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology ， Beijing 100076，China) . pp 84-88Abstract ： The effect of welding heat input on the profile of th ie nugget and tensile properties of th ie bobbin friction stir welded joints was systematically investigated. The results of macro- scopical morphology of joints showed that the initial hour-glass shape parabola flattened around the pin center prior to the emergence of a nugget bulge ，as the heat input factor is graduaiy increased from 0. 6 to 4. 0. The nugget bulge is a unique physical phenomenon of the bobbin friction stir welded joints under the high heat input conditions ，which is usuaiy accompanied by internal wormhole defects. The profile of the nugget zone depends on the interaction of the plastic metal flow field moving radially outwardly along the center in the bobbin friction stir welded joints and the thermo-mechanical afected zone. The results of th ie tensile testing showed that th ie tensile properties of th ie joints present a decreasing trend with the gradual increase of the welding heat inputKactor.。
GMAW增材制造堆积熔池表面三维重建及熔宽控制
国内图书分类号：TG455 密级：公开西南交通大学研究生学位论文GMAW增材制造堆积熔池表面三维重建及熔宽控制年级2015级姓名尹紫秋申请学位级别工学硕士专业材料科学与工程指导老师熊俊副教授二零一八年五月Classified Index: TG455Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisThree-dimensional reconstruction of molten pool appearance and width control in GMAW-basedadditive manufacturingGrade:2015Candidate:Yin ZiqiuAcademic Degree Applied for :Master DegreeSpeciality:Materials Science and EngineeringSupervisor:XiongjunMay,2018谨向资助本课题的国家自然科学基金（61573293）表示衷心的感谢！We gratefully acknowledge the National Nature Science Foundation of China (61573293) for supporting this work.摘要熔化极气体保护电弧增材制造（Gas metal arc welding-based additive manufacturing, GMAW-AM）是直接成形低成本复杂金属零部件的主要方法之一。
然而，GMAW-AM过程存在众多扰动因素，难以保证堆积层熔池尺寸均匀一致；同时，现存的检测方法无法完整表征电弧增材制造熔池三维几何尺寸。
基于此，本文设计虚拟双目视觉传感系统，重建GMAW-AM熔池表面三维形貌；搭建熔池宽度控制系统，设计模糊控制器实现熔池宽度的实时闭环反馈控制。
首先基于双棱镜折射原理，设计了基于单摄像机的虚拟双目视觉传感系统，使单摄像机获得了立体图像对；搭建了包含GMAW热源、虚拟双目视觉传感系统、电机运动系统、中央计算机、试验控制箱的GMAW-AM熔宽控制实验系统。
2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡行为
2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡行为0 序言熔化极气体保护焊(GMAW)具有设备简单，焊接可达性和适应性强，易于实现自动化等优点，当前铝合金焊接生产绝大多数都采用MIG焊，但常规MIG焊接2219铝合金存在气孔多、焊接接头质量差、焊接效率低、稳定性差、射滴过渡可选工艺区间窄等问题[1-4]. 在焊接过程中，熔滴过渡对工艺稳定性和焊接质量具有重要影响，稳定的熔滴过渡能够在可控热量和质量输入的情况下改善焊接质量. 激光−电弧复合焊接技术是由英国的Steen教授于上世纪70年代末提出来的一种复合热源焊接方法，该方法综合了激光焊接和电弧焊接各自的优点，同时对各自在焊接过程中所存在的缺点在一定程度上进行了互补.二十世纪三十年代，国立北平图书馆对青年职员选聘的原则是：“为事择人，不因人择事。
对于专门人才，尤愿罗致”［1］（6）。
在这一用人方针的指导下，国立北平图书馆针对文献编纂一职，特别延揽了一批有着文史知识背景或文献整理经验的青年人才。
尽管国内外研究人员对激光电弧复合热源焊接过程进行了大量研究，但是大部分都是激光作用在熔池上[5-6]，即激光面向熔池的复合热源焊接，激光作用在熔滴上(即激光面向熔滴)增强铝合金焊接熔滴过渡行为的研究相对较少. 激光增强熔化极气体保护焊这一新型复合形式由美国肯塔基大学研究人员提出，北京工业大学肖珺完成了基于脉冲激光与电弧力调控的GMAW熔滴过渡主动控制，实现了恒流条件下电流解耦的熔滴过渡，在足够低的电流下用碳钢焊丝获得了稳定的细颗粒或射滴过渡[7-8]. 文中基于这一思想，建立了2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡行为研究试验系统，对激光控制铝合金焊接熔滴过渡行为进行了验证分析，将稳定性差、易产生大颗粒飞溅的短路过渡转换为“一脉一滴”的射滴过渡.1 试验系统2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡试验系统组成如图1所示，该系统包括激光系统、焊接系统、高速摄像拍摄系统和电流电压信号采集存储系统. 试验中采用IPG公司的YLS-4000激光器，最大输出功率为 4 kW，光源输出波长为 1 070 nm，焦距200 mm，可以输出连续激光也可编程输出脉冲激光，光斑直径0.2 mm，离焦量为0. 焊接系统采用德国 KEMPPI生产的 FastMig Pulse 450焊机，焊机模式选择为1-MIG(即一元化)模式.焊枪与水平面夹角为50°，激光入射方向垂直于水平面，焊接过程中采用纯氩气进行保护，气流量为15 L/min，焊接速度6 mm/s，焊接过程中设置弧长修正系数均为4. 高速摄像系统采用每秒3 000帧的速度进行拍摄，并与电流电压信号同步采集. 试验采用ER4043铝合金焊丝，直径为1.2 mm，采用直流反接，焊接母材为2219铝合金，所有焊接试验均以表面堆焊的形式进行，喷嘴底部至工件距离为12 mm. 试验工艺参数见表1.图 1 2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡试验系统Fig. 1 Laser-driven metal transfer test system of 2219 aluminum alloy in GMAW表 1 2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡试验工艺参数Table 1 Process parameters of laser-driven metal transfer in GMAW编号焊接电流I/A脉冲宽度d/ms 2.1120 ～ 250 2.21502/0/−2/−42.5 2.3150−4 2.51003光丝间距L/mm激光功率P/kW脉冲频率f/Hz2 结果与分析2.1 2219铝合金MIG焊接熔滴过渡分析试验2.1首先分析了不同电流下2219铝合金MIG焊接的熔滴过渡行为，用于对比分析2219铝合金激光驱动GMAW熔滴过渡行为. 由试验2.1可得，当焊接电流为 120 A(图 2)和 150 A(图 3)时，熔滴过渡形式为短路过渡，短路过程具有随机性，熔滴尺寸不均匀，短路初期熔滴与熔池接触面积小，瞬时增大的焊接电流使熔滴在电磁收缩力作用下被快速排斥出熔池，形成大量大颗粒飞溅，导致焊接过程不稳定. 当焊接电流增加到180 A时，熔滴过渡形式主要有短路过渡和射滴过渡，过渡形式复杂，射滴过渡过程虽然稳定但夹杂的短路过渡与120和150 A时短路过渡情况不同(图4)，在大电流的情况下熔滴形成缩颈，熔滴与熔池短路时刻缩颈处的直径很小导致电流密度增大，熔滴从缩颈处爆断产生飞溅，同时强烈的爆破力会对熔池受力情况产生影响，难以实现稳定的焊接. 当焊接电流为200和250 A时，熔滴过渡形式为射滴过渡(图5)和射流过渡(图6). 虽然射滴过渡和射流过渡稳定性有所增强，但是电流的增加导致对母材的热输入增加从而容易产生焊接变形缺陷. 无激光作用时的熔滴过渡频率与电流的关系见图7，随着电流的增加，熔滴过渡频率增加，过渡模式由短路过渡转换为射滴过渡、射流过渡.2.2 连续激光作用下光丝间距对熔滴过渡行为的影响光丝间距的大小直接影响着两个热源相互作用的效果. 与恒压源配合的是等速送丝机构，因此激光与电弧的间距直接影响激光作用位置，如图8所示激光作用在熔池上和作用在熔滴上的作用机理完全不同.试验2.2中，当光丝间距为2 mm时，激光功率为2.5 kW时，由图9可得，激光照射母材产生的光致等离子体对电弧等离子体产生吸引作用，增强了电弧的稳定性，同时电弧等离子体和熔滴的温度由于激光光致等离子体的热辐射作用而提高，有利于降低表面张力，细化熔滴，促进熔滴过渡. 熔滴过渡模式从短路过渡变为射滴过渡，过渡频率增加，约为 100 Hz，焊接过程稳定. 当光丝间距为 0 mm，激光功率为2.5 kW时，熔滴过渡行为和光丝间距为2 mm时基本一致，过渡频率约为 108 Hz，但当激光继续功率增加 (激光功率为3 kW时)，如图10所示，此时激光等离子体对电弧压缩效果增强，照射熔池产生的金属蒸气会对熔滴产生向上的反冲力，从而使熔滴生长时间增加，直径增大，降低了熔滴过渡频率，过渡形式仍为短路过渡，频率约为60 Hz.CPU子系统工作分为主程序运行于响应FPGA发来的外部中断的中断服务程序。
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２ ０ １ ３年 １ ０月
计算机 应 用与软件
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Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ．１ ０ Ｏｅ ｔ ．２ ０１ ３
基 于 受 限 波 尔 兹曼 机 的 ＧＭＡＷ 管 道 打 底 焊 的熔 透 预 测 方 法
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关键词
中 图分 类 号
Ｒ Ｂ Ｍ 图像处理
Ｔ Ｐ ３ ９ １
训练样本
文献标识码
熔 池参数 质 量 监 控
Ａ
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ３ ８ ６ ｘ ． ２ ０ １ ３ ． １ ０ ． ０ ６ ６
Ａ Ｗ ＥＬＤ ＰＥＮＥＴＲＡＴＩ ｏ Ｎ ＰＲＥＤＩ ＣＴＩ ｏＮ Ｍ ＥＴＨｏ Ｄ ＢＡＳ ＥＤ ｏＮ ＲＢＭ ＦｏＲ ＧＭ ＡＷ ＰＩ ＰＥ． ＬＩ ＮＥ ＢＡＣＫＩ ＮＧ Ｗ ＥＬＤＩ ＮＧ
限波尔兹曼机 Ｒ Ｂ Ｍ（ Ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｒ ｃ ｔ ｅ ｄ Ｂ ｏ ｈ ｚ ｍａ ｎ ｎ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ） 作为一种机器 学习模型 ， 设置合适 的各项 学 习参数 ， 经训练 样本 训练后具 有高精 度 的预测能力。通过对视 觉传 感系统获得 的 Ｇ ＭＡ Ｗ 熔 池 图像进行 图像处理 ， 提取详细的熔池参数 ， 与焊接电流共 同作为 Ｒ Ｂ Ｍ 的输 入， 预 测焊接状态 ： 焊透 与焊穿。实验结果表 明， 在可接 受的范围 内， 能够 实现焊接质量 实时监控的 目标。
ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ ｗ ｄ ｄ ｍｅ ｍ．Ｒ Ｂ Ｍ（ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ Ｂ ｏ ｌ ｔ ｚ ｍ ａ ｎ ｎ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ）ｉ ｓ ａ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ
徐中路 李 静 陈 丹 李 芳
江苏 南京 ２ １ ０ ０ １ ６ ） 江苏 昆山 ２ １ ５ ３ ４ ７） （ 南京航空航 天大学计算机科学 与技术学 院 （ 昆山工业技术研究 院工业机器人研究所
摘
要
在现代 工业高速发展 的背景 下， 焊接是现代 制造领 域 的重要工 艺方法之 一， 焊接质量 的高低直接影响到工件 的质量 。受