TIG焊接過程中的熔池三維表面演化行為研究.pdf

1、熔池的表面能會反映出焊縫的成形、焊縫的外觀和內(nèi)在質(zhì)量。因此，本文主要從 TIG焊熔池表面方面展開的一系列研究工作。提出了一種熔池三維表面恢復(fù)方法。通過將結(jié)構(gòu)激光投射到熔池表面，來采集結(jié)構(gòu)激光隨熔池表面形貌變化的反射圖像。同時(shí)，建立熔池表面高度與反射激光之間的關(guān)系，通過得到的反射激光圖像和對應(yīng)的幾何參數(shù)恢復(fù)出溶池表面三維形貌。利用這種方法能夠?qū)崟r(shí)的獲得熔池三維表面形貌，監(jiān)測熔池中液態(tài)金屬流動，從而在不增加焊接生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上提高了焊接過程

2、的可控性，反映了更豐富的熔池表面三維信息，對獲得成形美觀的焊縫和提高焊接智能化具有理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹了TIG焊熔池三維表面行為演化研究的觀測試驗(yàn)平臺，利用熔池表面類鏡面反射反射特性，提出了利用結(jié)構(gòu)激光投射熔池表面觀測其三維形貌的方法和基于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)激光的TIG焊熔池三維表面的恢復(fù)算法；利用此觀測方法觀測了定點(diǎn)TIG焊熔池三維表面的演化行為，通過熔池表面的恢復(fù)算法獲得了熔池表面的三維形貌。使用 FLO

3、W-3D軟件建立了定點(diǎn)TIG焊熔池三維表面的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行數(shù)值分析。通過對比焊后的熔池形貌，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。⑵從試驗(yàn)角度對焊接參數(shù)階躍（電流階躍和速度階躍）、脈沖TIG焊、TIG填絲焊熔滴對熔池三維表面的影響進(jìn)行了探究，利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對 TIG焊的熔池表面動態(tài)演化過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明：從低電流階躍到高電流時(shí)，熔池表面變形變化不大；從高電流階躍到低電流時(shí)，熔池表面變形發(fā)生明顯的變化；階躍電流之間的差值越

4、大，熔池表面的變形越劇烈。從低速度階躍到較高速度時(shí)，網(wǎng)格激光在熔池上的數(shù)量減少，熔池表面積先減小再增大，最后趨于穩(wěn)定；從高速度階躍到較低速度時(shí)，網(wǎng)格激光在熔池上的數(shù)量增加，熔池表面積增大。通過對 TIG填絲焊熔池表面的分析，可以發(fā)現(xiàn)：焊后熔池的形貌及試驗(yàn)結(jié)果與恢復(fù)結(jié)果之間存在一定的誤差，整體形貌相符。從數(shù)值模擬分析中得出：熔滴下落過程會引起熔池自由表面發(fā)生下凹；熔滴進(jìn)入熔池，改變了熔池原有溫度場和流場的分布，引起熔池自由表面發(fā)生嚴(yán)重的變

5、形，使熔池自由表面隨時(shí)間做阻尼振動。⑶分析了不同焊接速度對 TIG焊熔池三維表面演化的影響，根據(jù)采集系統(tǒng)采集到的反射激光圖像對不同焊接速度下的TIG焊熔池三維表面進(jìn)行恢復(fù)重構(gòu)并且與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。為了研究快速TIG焊焊駝峰焊道的形成機(jī)理，基于FLOW-3D建立了TIG焊駝峰焊道的數(shù)學(xué)模型，分析了快速移動的TIG焊駝峰焊道溫度場、流場和自由表面的變化情況，同時(shí)也分析了快速移動的TIG焊熔池表面凸起和下凹形成的原因。通過分析液態(tài)金屬凝固后