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。

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。

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.。

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。

高效热丝GMAW 焊接工艺熔敷速率试验分析马宗标1， 黄鹏飞1， 张轩宁1， 王亚纯1， 代宏博1， 王光辉2(1. 北京工业大学，现代焊接设备研究与开发中心，北京，100124； 2. 杭州凯尔达电焊机有限公司，杭州，310018)摘要： 交流热丝GMAW 工艺是一种高效焊接工艺，其主弧为传统GMAW 电弧. 填充焊丝和熔池及母材构成闭合回路，交流脉冲预热电流流经该回路，产生电阻热并预热填充焊丝. 当被预热到高温的填充焊丝进入熔池后，在液态金属作用下迅速熔化. 进行了高效热丝GMAW 工艺的试验研究，找到填充焊丝预热电流、填充焊丝伸出长度、焊丝间距、主弧焊接规范等参数之间的匹配规律，实现了20 kg/h 以上的熔敷速率. 分析了前述影响因子对熔敷效率的影响规律. 结果表明，热丝GMAW 在提高熔敷速率和熔敷系数方面相对传统焊接工艺有明显优势，可以实现高熔敷率低热输入的工艺效果. 该工艺在高强钢大厚板焊接等领域具有广阔的应用前景.创新点： (1) 基于GMAW 焊工艺方法，填充焊丝直插熔池并通过交流脉冲电流，在电阻热与主弧热能协同作用下熔化填充焊丝.(2) 针对影响熔敷速率变化趋势的关键因素做出分析,得到最佳工艺参数区间.关键词： 热丝；工艺窗口；熔敷速率；熔敷系数中图分类号：TG 444 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .202006050040 序言随着工业界对高效焊接工艺的不断追求，热丝气体保护电弧焊工艺受到广泛的关注. 传统热丝焊工艺主要是针对非熔化极气体保护焊GTAW 的.填充焊丝经过一对电极后进入熔池，在电极之间施加电压，则会有电流流过填充焊丝，产生的电阻热可以预热填充焊丝，从而有效提高熔敷效率. 也可以把高频感应线圈套在填充焊丝外部，既消除旁路预热电路带来的磁偏吹影响，还可以适用于低电阻率的焊丝，填充送丝速度可以达到冷丝焊工艺的3倍左右[1-2]. 可以扩大焊接电流的合理范围[3]，并且热丝 GTAW 焊具有更高的焊缝沉积速率和优良的焊缝形状[4]. 通过控制高频输出电流，还可以调整焊接热输入. 热丝TIG 焊工艺有多种不同方案，但由于主弧是TIG 电弧，单纯依靠填充焊丝提高效率有限. 可以采用双钨极耦合的方案[5]，或者采用TIG 与等离子弧耦合及 TIG 与激光耦合等具备高密度能量热源的方案[6-9].北京工业大学的李泳格开发了一种交流热丝GMAW 焊接[10]，采用交流电流预热填充焊丝，很好的抑制了热丝电流对主弧的干扰. 在大电流主弧作用下熔池中有足够多高温液态金属，可以保证预热后的填充金属迅速熔化，极大地改善熔敷效率，并获得均匀的焊缝. 该工艺中，填充焊丝与母材之间不会形成电弧，附加热输入很小. 填充焊丝的加入可以有效降低熔池温度，减小热影响区的范围，抑制凝固过程中晶粒的长大，提高焊缝质量.热丝GMAW 焊工艺可以对焊接热输入和熔敷效率独立调节，实现两者解耦，这对控制和改善焊接过程中熔池凝固和结晶过程有重要意义. 此外，在常规电弧焊工艺中，高温电弧可能造成大量合金元素的烧损，不利于焊缝金属的合金化. 而采用热丝焊接工艺可以把合金成分添加到填充焊丝中去，其加热温度略高于金属的熔点，但是远低于电弧中心的温度，所以合金元素可以在熔池中很好的保留，这对改善焊缝的合金成分非常重要. 交流热丝GMAW 工艺具有高熔敷速率和低热输入的特点，又增加了冶金工艺的灵活性，应用前景非常广阔.热丝GMAW 工艺虽然具有明显的优势，但有关其熔敷速率影响因素及规律的研究相对较少. 文收稿日期：2020 − 06 − 05基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075011，51475008)第 42 卷 第 1 期2021 年 1 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol .42(1):44 − 48January 2021中进行了工艺试验研究，探索了不同焊接工艺参数对焊丝熔化速度的影响规律，得到了不同预热电流、填充焊丝伸出长度、填充焊丝与主焊丝间距，以及主弧电流电压等条件下填充送丝速度的工艺窗口.1 试验方法试验平台主要由GMAW电源、交流脉冲热丝电源、送丝机及高速摄像机等部件组成. 主弧电源使用常规直流GMAW电源，用来熔化主焊丝、加热母材并形成熔池；交流脉冲热丝电源可以输出优化后的脉冲电流,其频率为200 Hz，电流幅值可以在100～300 A之间调节. 在热丝GMAW焊接工艺中，填充焊丝被直接送入熔池，预热电源输出交流脉冲电流经由热丝、熔池和母材构成的回路，产生电阻热可以预热填充焊丝. 这里主焊枪垂直于母材，填充焊丝在电弧正前方以45°角进入熔池. 填充焊丝被预热到较高温度后进入熔池，在高温液态金属的作用下熔化，可以极大的提高熔敷速率. 中频脉冲电流可以有效防止电磁力引起的主电弧扰动，保持焊接过程稳定. 图1所示为焊接试验平台组成.图 1 焊接操作平台Fig. 1 Welding operator在试验过程中，采用同步数据采集和高速摄像技术实现对焊接过程的准确记录. 利用高速摄像技术可以研究焊接过程中电弧的位置、形态和熔池波动状态，也可以观察填充焊丝的熔化状态. 高速摄像仪型号为MV-D1024E，拍摄频率625帧/秒，系统分辨率为512 × 512点阵.热丝GMAW工艺的基本试验条件为：焊丝型号：JM-56；焊丝直径ϕ 1.2 mm；保护气体成分：80% Ar + 20% CO2；气体流量：15 L/min；主弧焊丝伸出长度：18 mm；焊接速度：0.4 m/min；母材型号：Q235；母材厚度：10 mm.填充焊丝和主焊丝的相对位置如图2所示. 主要研究如下几个因素对熔敷速率的影响规律：①填充焊丝预热电流；②填充焊丝伸出长度；③填充焊丝与主焊丝间距；④主弧电流和电压.图 2 几何尺寸Fig. 2 Geometric dimensions在其它参数不变的条件下，分别独立调节交流热丝预热电流、填充焊丝伸出长度、填充焊丝与主焊丝间距，以及主弧电流电压，找到与该条件相匹配的最佳填充焊丝速度范围，并研究其影响规律.通过高速摄像观察填充焊丝，可以找到填充焊丝送入GMAW熔池中，刚好既不起弧也不触到熔池底部的状态. 也可以同时监测送丝电机的电枢电流作为辅助判据，当电枢电流有较明显的增大趋势时，可以认为填充焊丝已经抵到熔池底部.2 工艺参数对熔敷速率的影响规律2.1 热丝电流对熔敷速率的影响规律在热丝GMAW工艺过程中，交流预热电流产生电阻热对填充焊丝加热，电流的大小直接影响焊丝的温度分布. 文中试验主要研究热丝预热电流对填充焊丝送丝速度范围的影响规律.进行工艺试验时，填充焊丝的伸出长度为18 mm，主弧焊丝和填充焊丝间距为12 mm，交流热丝电流从100 A调节到300 A.图3中上部曲线表示在设定的热丝电流条件下，填充焊丝可以使用的最大速度. 当填充速度大于该曲线数值时，填充焊丝端部将触及熔池底部，造成熔池不稳. 而下部曲线表示该预热电流下，填第 1 期马宗标，等：高效热丝GMAW焊接工艺熔敷速率试验分析45充焊丝可以使用的最小速度. 当速度过小时，由于焊丝熔化较快，可能会使焊丝端头离开熔池表面，产生电弧和飞溅，造成焊接过程失稳. 下文中试验的曲线都代表相同的含义，不再赘述.由图3可知，随着预热电流的增加，填充焊丝送丝速度相应增加，熔敷速率提高. 填充焊丝的加热能量主要源于两个部分：预热电流电阻热和熔池储热. 这里熔池储热不变，但是预热能量和预热电流的平方成正比，所以该曲线呈指数形式增长. 且预热电流越大，可以使用的送丝速度范围也相应扩大.当热丝电流最大达到300 A时，辅助焊丝送丝速度可以达到25 m/min，附加熔敷速率约14 kg/h.此时主弧的送丝速度约16 m/min，综合熔敷速率已经可以达到20 kg/h以上，相对常规的GMAW工艺效率提高一倍.2.2 焊丝伸出长度对熔敷速率影响规律在焊丝预热过程中，焊丝伸出长度大小决定了预热电流产生电阻热的时间，进而影响到焊丝温度分布，伸出长度越长则预热效果越明显. 文中试验研究伸出长度对填充焊丝送丝速度的影响规律. 试验设定预热电流为200 A，主弧焊丝和填充焊丝间距为12 mm；焊接速度为0.40 m/min，改变填充焊丝伸出长度，测量相应条件下填充送丝速度的最小值及最大值. 结果如图4所示.由图4可知，随着填充焊丝伸出长度的增加，其送丝速度也相应增加，而且基本呈线性关系. 最小和最大送丝速度的差值变化不太明显. 这是由于在预热电流不变的条件下，预热能量与焊丝伸出长度呈正比，所以该曲线呈线性状态. 由于焊丝的电阻率随着温度的上升略有增加，所以整体曲线呈略上翘的形态. 由图可知，填充焊丝伸出长度和熔敷速率之间有明显的关系，其送丝速度的调节范围在10～20 m/min之间，附加熔敷速率最大可达10 kg/h 左右.2.3 填充焊丝与主丝间距对熔敷速率的影响规律填充焊丝进入熔池的位置直接影响了电弧对焊丝的加热效果. 该位置如果靠近电弧中心，则电弧对填充焊丝的加热将会从间接加热渐变为直接加热. 从提高熔敷效率的角度考虑，直接加热的效率最高，但是从保证合金化的角度考虑，直接加热会增加填充焊丝中合金元素的烧损.文中试验主要研究焊丝间距对熔敷速率的影响规律. 填充焊丝伸出长度为18 mm，预热电流设定为100 A；改变填充焊丝与主弧焊丝之间的距离，并找到填充焊丝的合理送丝速度区间. 结果如图5所示.302520151056810焊丝间距S/mm121416246810121416最小值最大值图 5 焊丝间距对填充焊丝送丝速度区间影响Fig. 5 Effect of welding wire spacing on the wire feeding speed range of filled welding wire由图5可知，当焊丝间距约为6 mm时，最大填充送丝速度可以达到30 m/min，对应熔敷速率提高约15 kg/h. 但此时填充焊丝已经进入主弧的中心区，所以加热功率很大，氧化烧损比较严重，不利于填充金属的合金化过程. 随着焊丝间距的增大，30 25 20 15 10 5100150200热丝电流I/A 250300246810121416最小值最大值图 3 热丝电流对填充焊丝送丝速度区间影响Fig. 3 Effect of hot wire current on the wire feeding speed range of filled welding wire24最小值最大值221210864 20181614121086141618202224填充焊丝伸出长度L/mm26283032图 4 填充焊丝伸出长度对填充焊丝送丝速度区间影响Fig. 4 Effect of dry extension of filler wire on the wire feeding speed range of filler wire46焊 接 学 报第 42 卷最佳送丝速度范围不断降低，当焊丝间距大于11 mm 时，焊丝预热所受电弧热减小，其熔化速度减小，填充焊丝速度也相应减小，熔敷速率随之降低. 速度区间减小，并最终趋于稳定. 此时电弧对焊丝的热影响已经很小，熔敷速率主要受电阻热和熔池热的影响.2.4 主弧规范对填充焊丝熔化速度影响规律在热丝GMAW 工艺中，主弧能量用于熔化母材形成熔池，熔池的热量又用于熔化经过预热的填充焊丝. 熔池的形状和温度对填充焊丝的熔化有直接的影响. 文中试验研究主弧电流电压参数对填充焊丝送丝速度规范区间的影响规律. 试验时主弧焊丝和填充焊丝间距为12 mm ；热丝电流200 A ，焊接速度0.4 m/min . 主弧电流电压从210 A/29 V 上升到360 A/35 V 时. 最佳填充焊丝送丝区间如图6所示.200220240260280主弧电流 I z /A30032034036038045678910111213最小值最大值图 6 主弧电流对填充焊丝送丝速度区间影响Fig. 6 Effect of main arc current and voltage on the wirefeeding speed range of filled welding wire由图6可知，随着主弧电流的增加，填充焊丝最小送丝速度基本保持不变，最大送丝速度随主弧规范的增加也迅速上升. 当主弧电流超过300 A 后，最大送丝速度增速明显.熔敷速率主要受两方面因素影响. 一是电弧功率，主弧电流增加的同时，其匹配电压也在相应增加，所以电弧功率的变化速度越来越快，熔敷速率的增加也随之变快；二是熔池深度，熔池深度影响到熔池加热填充焊丝的时间，当主弧电流大于300 A 时，电弧挖掘作用明显增加，从而熔池深度增加，其对填充焊丝的加热时间也在延长，所以熔敷速率增加明显. 从焊缝效果来看，随着主弧电流电压的增加，焊缝的余高和成形饱满度也相应增加.3 热丝GMAW 工艺熔敷系数分析在热丝GMAW 焊接工艺中，填充焊丝的存在可以使熔池的温度降低，熔池和热影响区金属的过热程度也相应减小，所以接头性能会有很大改善，这对很多热输入敏感的高强钢有重要的意义. 另外，从熔敷系数的角度分析，为了产生相同数量的熔敷金属，热丝GMAW 所需要的能量也比较少.熔敷系数可以由下面公式计算，即式中：a 是熔敷系数(g/A·s)；M 是熔敷金属量(g)；I 是焊接电流(A)；t 是焊接时间(s).在热丝GMAW 焊接工艺中，一般电弧稳定飞溅很少，所以可用熔化金属量近似替代熔敷金属量. 热丝预热功率和电弧功率相比，在焊接电流较小时，占比不足20%，在焊接电流较大时，占比只有不足10%，所以计算时以主弧能量为主. 熔化总金属量可以由主弧送丝速度和填充焊丝送丝速度之和经过计算得到. 这里以前面2.4节的试验数据为基础，可以获得焊接电流和熔敷系数的关系如图7所示.200220240260280300320焊接电流 I /A普通 MAG 焊热丝 MAG 焊340360380图 7 焊接电流和熔敷系数之间关系Fig. 7 Relationship between deposition rate and weld-ing current图7中虚线代表常规GMAW 工艺熔敷系数和焊接电流的关系，也就是单独主弧的熔敷系数同电流关系. 由曲线可知，随着电流的增大，熔敷系数略有减小. 这是由于焊接电流越大，则熔滴的过热程度越高，所以单位电流熔化焊丝的质量反而有所下降. 图中实线所示为热丝GMAW 工艺整体熔敷系数，该曲线前段略有下降，但后段又有提高. 其中熔敷系数下降的原因和常规GMAW 相同，后段由于电弧功率增大后，电弧加热的范围也有所增大，填充焊丝也吸收了部分电弧热量的原故，所以熔敷系数有所提高.综合比较可知，热丝GMAW 可以提高熔敷系第 1 期马宗标，等：高效热丝GMAW 焊接工艺熔敷速率试验分析47数约一倍左右，从节能减排的角度比较，热丝GMAW 也有明显的优势.4 结论(1) 研究了热丝GMAW 焊接工艺中，多种工艺参数对填充焊丝送丝速度工艺窗口的影响规律. 结果表明，该工艺可以达到20 kg/h 以上的熔敷速率，相比传统GMAW 工艺提高效率一倍以上.(2) 对比了热丝GMAW 工艺和常规GMAW 焊接工艺的熔敷系数和电流关系曲线，结果表明热丝GMAW 可以提高熔敷系数一倍左右.参考文献范成磊, 梁迎春, 杨春利, 等. 铝合金高频感应热丝TIG 焊接方法[J]. 焊接学报, 2006, 27(7): 49 − 52.Fan Chenglei, Liang Yingchun, Yang Chunli, et al . TIG welding method of aluminum alloy high-frequency induction hot wire[J].Transactions of the China Welding Institution, 2006, 27(7): 49 −52.[1]吕世雄, 孙清洁, 范阳阳, 等. 电弧热丝TIG 焊工艺特点分析[J]. 焊接, 2007(10): 41 − 43.Lü Shixiong, Sun Qingjie, Fan Yangyang, et al . Analysis of the characteristics of arc hot wire TIG welding process[J]. Welding &Joining, 2007(10): 41 − 43.[2]Aravinda P, Irappa S, Basavarajappa, et al . Assessment of impactstrength of welds produced by cold wire and hot wire gas tung-sten arc welding (GTAW) processes[J]. Materials Today: Pro-ceedings, 2020, 24(Pt 2): 983 − 994.[3]He H, Wu C, Lin S, et al . Pulsed TIG welding-brazing of alumin-um-stainless steel with an Al-Cu twin hot wire[J]. Journal of Ma-terials Engineering & Performance, 2019, 28(3): 1180 − 1189.[4]Liu W, Ma J, Liu S, et al . Experimental and numerical investiga-tion of laser hot wire welding[J]. 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Research and Development Center of Modern Welding Equipment, Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China；2. Hangzhou Keida Welding Machine Co., Ltd., Hangzhou, 310018, China). pp 44-48Abstract: Alternating current and hot wire GMAW process is a kind of efficient welding process, the main arc of which is the traditional GMAW arc. Under the action of AC pulse preheating current, the filler wire can flow form a closed loop with the welding pool structure in the base metal. The current flows through the loop to generate resistance heat to preheat the filler wire. The filled wire preheated to high temperature will melt rapidly under the thermal influence of the liquid metal after entering the molten pool. In this experiment, the high efficiency hot wire GMAW process was studied. The study found the matching rules among the parameters such as the preheating current of the filler wire, the extension length of the filler wire, the distance between the filler wire, the main arc welding specification, etc. Finally, it was realized the deposition rate above 20 kg/h. Through the analysis of the influence rules of the above factors on the deposition efficiency, the results show that: compared with the traditional welding process, hot wire GMAW has obvious advantages in improving the deposition rate and deposition coefficient. This process has a broad application prospect in the field of high strength steel thick plate welding.Highlights: (1) Based on GMAW welding process, this pro-cess requires that the filler wire be inserted directly into the molten pool and be melted by AC pulse current. Therefore, the filler wire can be melted under the synergistic effect of resist-ance heat and main arc heat energy.(2) By analyzing the key factors affecting and the changing trend of deposition rate, this paper obtained the optimal pro-cess parameter range.Key words: hot wire；process window；deposition rate；de-position coefficientFinite element analysis of solder joint reliability of 3D packaging chip SUN Lei1,2， ZHANG Yi1， CHEN Minghe2， ZHANG Liang3， MIAO Naiming1 (1. Changzhou University, Changzhou, 213164, China；2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016, China；3. Jia-ngsu Normal University, Xuzhou, 221116, China). pp 49-53 Abstract:In this paper, Sn and Sn3.9Ag0.6Cu solders, which are widely used in industry, were selected as bonding materials for 3D packaging chips. The 3D packaging model was established using ANSYS finite element software. Based on the Garofalo-Arminius’s constitutive equation, the process of thermal cycle under the temperature condition from −55 ~ 125 °C. In addition, the influence of packaging structure and process parameters on the reliability of solder joint was discussed by Taguchi method. The results show that the contact area between Cu pillar and solder joint is the weak area of the whole structure, and the maximum stress appears at the second solder joint in the rightmost row of the intermetallic compound (IMC) solder joint array. Through the Taguchi method and combined with the finite element simulation results, the contribution of the four factors to S/N was obtained as follows: solder joint array, solder joint height, chip thickness, solder joint material, of which the solder joint array has the largest influence, followed by solder joint height and chip thickness, solder joint material has the least influence. Based on the optimization design, the optimal matching combination was solder joint array 3 × 3, solder joint height 0.02 mm, chip thickness 0.2 mm and solder joint material Cu6Sn5.Highlights:(1) Based on Garofalo-Arminius's constitutive equation, the stress of 3D package solder joints under thermal cycling load was simulated to reveal the weak area of the pack-age structure.(2) The 3D package structure was optimized by the Taguchi method, and the optimal combination of structure and process parameters was obtained.Key words: 3D packaging；reliability of solder joint；stress distribution；Taguchi methodIV TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION2021, Vol. 42, No. 1。

基于频率域运算的脉冲GMAW熔滴图像的线性处理王广伟;蔡艳;华学明;吴毅雄【期刊名称】《焊接学报》【年(卷),期】2007(028)007【摘要】通过微距高速摄影系统对脉冲GMAW过程进行拍摄,熔滴图像存在较多的焊接烟尘以及电弧光导致的环境噪声和衍射条纹,对进一步通过图像算法定量计算熔滴尺寸、缩颈变化等特征参数造成困难.因此在保证图像处理前后性质不变的条件下,采用频率域运算方式,设计了针对脉冲GMAW熔滴图像的衰减低通滤波器、高斯低通滤波器,并结合灰度映射和拉普拉斯叠加算法建立起了熔滴图像线性处理结构.结果表明,频率域的运算与线性处理结构的结合能够获得与噪声背景相分离的脉冲GMAW熔滴形态清晰图像,同时保证了图像的真实有效,为高精度定量分析脉冲GMAW过程提供了可能.【总页数】5页(P57-60,64)【作者】王广伟;蔡艳;华学明;吴毅雄【作者单位】上海交通大学,材料科学与工程学院,上海,200030;上海交通大学,材料科学与工程学院,上海,200030;上海交通大学,材料科学与工程学院,上海,200030;上海交通大学,材料科学与工程学院,上海,200030【正文语种】中文【中图分类】TG409【相关文献】1.激光增强GMAW熔滴短路过渡行为分析 [J], 贾亚洲;陈树君;肖珺;王立伟2.基于脉冲激光GMAW熔滴尺寸与过渡频率的控制 [J], 马正住;朱加雷;周灿丰;李卫强3.采用金属粉芯焊丝的GMAW电弧与熔滴行为检测与分析 [J], 何冠宇4.纯CO2保护气的GMAW熔滴喷射过渡研究进展 [J], 孙咸5.脉冲DE-GMAW过程熔滴受力分析及电流波形设计研究 [J], 黄健康;何笑英;张正鹏;沈利民;石玗;樊丁因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种新型的GMAW三维温度场解析模型
岳建锋;李亮玉;武宝林;王天琪
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2008(029)004
【摘要】提出了一种新型GMAW(gas metal arc welding)三维温度场解析模型,将焊接过程中熔滴热焓对熔透成形的影响考虑在内.在模型中影响焊件的热输入因素主要有电弧热和熔滴热焓两部分.电弧热按半椭球形式分布,熔滴热焓考虑为按高斯分布的两个点热源,对新型热源的温度场模型进行了公式推导,得到了有限尺寸试件的三维温度场解析式.为了验证模型的有效性,在低碳钢试件上作了堆焊试验,对焊接不同时刻焊件横切面熔透等温线的理论计算与试验进行比较,结果显示该新型模型具有一定的有效性.
【总页数】4页(P49-52)
【作者】岳建锋;李亮玉;武宝林;王天琪
【作者单位】天津工业大学,天津市现代机电装备技术重点实验室,天津,300160;天津工业大学,天津市现代机电装备技术重点实验室,天津,300160;天津工业大学,天津市现代机电装备技术重点实验室,天津,300160;天津工业大学,天津市现代机电装备技术重点实验室,天津,300160
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28
【相关文献】
1.一种新型蒸汽吞吐产能预测解析模型 [J], 郑舰;陈更新;刘鹏程
2.脉冲GMAW熔滴过渡动态过程的解析模型 [J], 李士凯;陈茂爱;武传松
3.某新型通风方式空冷汽轮发电机转子三维温度场 [J], 路义萍;陈朋飞;邓海燕;韩家德
4.一种新型的集成电路金属连线温度分析解析模型 [J], 王乃龙;周润德
5.基于弧焊温度场正面信息的熔透控制──三维温度场熔透解析模型及验证 [J], 李亮玉;陈树君;殷树言
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基于压电执行器的GMAW熔滴过渡控制史明宇;刘嘉;朱孝祥;白立来【摘要】熔化极气体保护焊(GMAW)作为一种高效灵活的焊接方法,已得到了广泛应用,但在精密焊接应用较少,其熔滴过渡不易控制、焊接过程不够稳定是限制其应用的主要原因.在此提出以施加机械力的方式使熔滴发生可控的过渡行为,设计了以DSP为核心的压电执行器的控制系统,采用等速送丝和快速回抽相结合的熔滴过控制方案.以响应速度快,频率高的压电执行器为基础设计了焊丝挤压回抽系统结构,实现了焊丝的送进回抽功能.在该系统的控制下,实现了同一电流下不同频率的熔滴过渡行为和对焊接过程熔滴尺寸的控制.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2016(046)012【总页数】5页(P118-121,127)【关键词】压电执行器;熔滴过渡;焊丝回抽【作者】史明宇;刘嘉;朱孝祥;白立来【作者单位】北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124【正文语种】中文【中图分类】TG444+.72GMAW作为一种高效灵活的焊接方法，已广泛应用于工业自动化焊接生产，但在航天与核能领域，为了确保焊接的可靠性，仍然以TIG焊为主。

这是因为TIG焊中填充金属是通过电弧间接加热，很容易调节热输入；填充焊丝不通过焊接电流，不存在熔滴过渡问题，焊接过程没有飞溅，焊缝成形美观[1]。

GMAW采用可熔化焊丝与焊件之间的电弧作为热源来熔化焊丝，虽然提高了焊接效率，但也带来了熔滴过渡过程受焊接电压、电流影响大，熔滴过渡及热输入难以控制，无法保证高质量焊接的问题[2]。

为实现GMAW焊接过程熔滴过渡的可控性，本研究提出一种施加外力的方式，通过改变熔滴的受力平衡状态，使熔滴在同一电流下实现不同尺寸的熔滴过渡，进而消除GMAW电压电流对熔滴过渡的影响，实现过程稳定、热输入可控的焊接过程。

基于声音信号的GMAW焊接状态监测方法研究
倪畅;薛瑞雷;刘宏胜;周建平;李晓娟
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2022(45)23
【摘要】针对焊接过程中因保护气体和外部气流干扰等情况所产生的异常焊接状态,提出了一种基于电弧声音信号特征结合长短期记忆(LSTM)神经网络的监测方法,基于梅尔频谱(Mel⁃spectrogram)下的电弧声音特征对焊接过程进行分析。

采用高速脉冲全位置熔化极气体保护焊(GMAW)下行焊焊接技术,搭建了短弧高速脉冲
X80管线钢GMAW实验平台,记录了全工况条件下的电弧声数据。

根据电弧声音信号特点,采用daubechies小波作为小波基函数,利用启发式阈值对电弧声信号进行分解和重构,有效提高了电弧声音信号的信噪比。

通过正常和异常焊接状态下声音信号的梅尔频谱特征训练LSTM神经网络,建立了电弧声音信号的预测模型来检测异常焊接状态,该方法的灵敏度可以达到94.57%。

【总页数】6页(P115-120)
【作者】倪畅;薛瑞雷;刘宏胜;周建平;李晓娟
【作者单位】新疆大学智能制造现代产业学院(机械工程学院)
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7-34;TP391.4
【相关文献】
1.基于压电执行器的GMAW焊接解耦控制方法及机理的研究
2.基于电信号多元统计的GMAW焊接质量分析方法
3.基于模型分解的机器人GMAW焊接熔敷成形方法研究
4.基于声音信号的电厂设备状态监测分析
5.基于声音信号的电厂设备状态监测分析
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基于改进Canny算子的管道GMAW熔池边缘检测
康峰;薛瑞雷;刘泽庆;刘宏胜
【期刊名称】《现代制造工程》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】针对管道焊接过程中因受弧光、焊丝和电弧遮挡等多种因素的影响,致使熔池轮廓边缘难以准确提取的问题,提出一种改进传统Canny算子的熔池边缘检测算法。

首先通过引导滤波代替高斯滤波对熔池图像进行保边去噪;其次在水平和竖直方向的检测基础上增加45°和135°对角线方向的梯度模板计算梯度分量;最后利用局部自适应阈值代替非极大值抑制技术的双阈值的全局固定方法完成熔池的边缘检测,同时结合形态学处理技术,提高边缘提取的抗噪性和自适应性。

实验结果表明:通过不同的摆宽实验,将通过改进算法提取的熔池宽度与焊接完成后的焊缝宽度进行校验,提取的熔池宽度准确率大于95.56%,误差不超过0.3 mm,能满足熔化极气体保护焊(GMAW)熔池宽度测量精度的要求。

【总页数】6页(P121-126)
【作者】康峰;薛瑞雷;刘泽庆;刘宏胜
【作者单位】新疆大学智能制造现代产业学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG457.6
【相关文献】
1.基于Canny边缘检测算子和去除小物体算法的熔池图像处理
2.一种形态学与Canny算子融合的焊接熔池边缘检测算法
3.基于改进Canny算子的树障与导线边缘检测算法
4.基于自适应阈值分割改进Canny算子的管道边缘检测方法研究
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窄间隙P-GMAW仰焊位置熔滴过渡影响因素及控制方法刘文吉;肖宇;杨嘉昇;朱鹏飞
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】管道窄间隙全位置焊接过程中,在接近仰焊位置容易出现焊接缺陷,制约了管道施工的质量和效率.文中针对管道自动焊仰焊位置成形差、可靠性低的问题,分析P-GMAW过程送丝速度、弧长修正、导电嘴到熔池距离等因素对熔滴过渡的影响规律.结果表明,增加弧长修正系数可以增大电弧对侧壁的热输入,能够缓解侧壁熔合不良的问题,但会使熔滴过渡路径难以控制.因此当焊枪运动到仰焊位置时,提高送丝速度有利于获得更小的熔滴、更高的过渡频率;降低导电嘴到熔池距离,可以增加电磁力、减小熔滴尺寸,从而更有利于仰焊位置熔滴向熔池的过渡,研究结果对于管道窄间隙焊接的工艺设计具有一定的指导意义.
【总页数】8页(P58-63)
【作者】刘文吉;肖宇;杨嘉昇;朱鹏飞
【作者单位】天津工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG441
【相关文献】
1.高速列车转向架构架超窄间隙激光填丝焊熔滴过渡行为研究
2.间隙对GMAW立焊熔滴过渡的影响及温度场特性
3.窄间隙约束下熔化极气体保护焊的电弧形态和熔滴过渡分析
4.大电流MAG焊不稳定熔滴过渡形成机理及影响因素分析
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基于变分立体匹配算法的GMAW熔池形貌三维重建
梁志敏;高旭;任政;武子琴;王立伟;汪殿龙
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】为实现完整熔池表面形貌三维传感,构建了双棱镜单摄像机立体视觉传感系统.针对熔池图像纹理缺乏造成的立体匹配困难的问题,引入了全局优化的变分立体匹配算法,通过建立包含灰度差异数据项和空间连续性约束项的能量函数的可行性泛函,经过迭代求解获得具有丰富细节的熔池表面稠密视差图.对自制非标准凹面形状进行立体匹配和三维重建,结果表明,宽度误差小于3.16%,深度误差小于
4.82%.基于该算法实现了熔化极气体保护焊(gasmetalarcwelding,GMAW)的堆焊及V形坡口对焊条件下,不同熔透状态熔池稠密视差图计算和表面形貌的三维重建.创新点:(1)搭建了基于单台摄像机的双棱镜立体视觉传感系统.(2)基于变分立体匹配算法实现了完整熔池表面视差计算和三维重建.
【总页数】7页(P61-66)
【作者】梁志敏;高旭;任政;武子琴;王立伟;汪殿龙
【作者单位】河北科技大学材料科学与工程学院;河北省材料近净成形技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG442
【相关文献】
1.基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之一：变分原理和算法构造
2.基于未标定彩色图像三维重建的立体匹配算法
3.基于ACT匹配的GMA增材制造熔池形貌三维重建
4.基于改进SIFT立体匹配算法的双目三维重建研究
5.基于SGBM半全局立体匹配算法的三维重建
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利用光致等离子体声信号监测激光焊缝的熔透性
段爱琴;邹世坤;胡伦骥;陈彦宾
【期刊名称】《电加工与模具》
【年(卷),期】2001(000)006
【摘要】介绍了CO2激光深熔焊接时，利用光致等离子体声信号来监测焊缝熔透性的一种方法。

文中通过试验研究，获得了焊缝熔透性变化时，光致等离子体声信号的变化规律，从而建立了一种可正面监测焊缝熔透性的方法。

【总页数】3页(P6-8)
【作者】段爱琴;邹世坤;胡伦骥;陈彦宾
【作者单位】北京航空工艺研究所;北京航空工艺研究所;华中科技大学;哈尔滨工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG456
【相关文献】
1.基于电弧声信号特征分析MAG焊熔透状态在线监测 [J], 毕淑娟;兰虎;刘立君
2.CO2激光焊接的同轴检测与熔透控制Ⅲ.板厚变化时熔透状态同轴光信号分析[J], 张旭东;陈武柱;刘春;国静
3.CO2激光拼焊熔透性实时监测 [J], 朱琼玉;王春明;吴松坪;胡伦骥;胡席远
4.不同熔透状态下高功率CO_2激光堆焊光致等离子体特征分析 [J], 蔡艳;戎磊;孙大为;李国华;吴毅雄
5.MIG焊电弧声信号与熔透状态相关性 [J], 刘立君;兰虎;郑红艳;于忠伟
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