Wu, X., Huang, J., He, J. et al. Oscillation Modes of Weld Pool in Stationary GTA Welding Using Structure Laser Method. Chin. J. Mech. Eng. 34, 89 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00609-9

研究背景及目的

近年來，高生產(chǎn)率和高質量焊接的趨勢傾向于過程自動化，這刺激了自動化和相關系統(tǒng)的使用增加。鎢極氣體保護焊(GTAW)是一種主要的電弧焊工藝，由于其焊接質量高、易于自動化等優(yōu)點，已廣泛應用于反應堆壓力容器和航空航天結構等高質量部件的生產(chǎn)。為了找到可用于感知和控制的特征信號，進行了大量的工作。近年來，許多研究者嘗試用三維激光視覺方法對水池振蕩進行監(jiān)測。但是，仿真軟件的缺乏會導致大量的資本支出。本文采用模擬與實驗相結合的方法，得到不同時間的振蕩模式，來分析了靜止GTA熔池的振蕩模式。

試驗方法

本研究利用激光反射成像系統(tǒng)和激光視覺采集系統(tǒng)組成的測量系統(tǒng)，通過高速攝像機，以1000幀每秒的速度對固定GTA焊接熔池表面進行觀測。分別觀測了固定直流GTA的熔池振蕩以及脈沖GTA的熔池振蕩情況。通過求解貝塞爾函數(shù)，將熔池與圓膜振蕩聯(lián)系起來，分析熔池的振蕩模式以及隨時間的變化情況。

表1 四種典型的圓膜振蕩模式

利用COMSOL仿真軟件建立三維結構激光網(wǎng)格模型：根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)建立波動方程的數(shù)學模型。然后設置源項，使其頻率的本征頻率大于或等于焊縫池的本征頻率，進行瞬態(tài)模擬，以找到并導出結構激光網(wǎng)格系統(tǒng)所需的三維熔池模型。打開“幾何光學”模塊來繪制網(wǎng)格池和成像平面。激光發(fā)生器由 “網(wǎng)格釋放”技術形成30x30的激光點陣制成。發(fā)射的光照射到焊接池。反射的激光在到達成像平面時被“凍結”，內(nèi)置虛擬攝像頭可以拍攝熔池的三維網(wǎng)格圖像。分別在凸面、凹面、平面上進行測試，呈現(xiàn)的激光點陣符合理論預測。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖

結果

基于貝塞爾方程分析了熔池的振動模式，并對熔池中常見的三維圖像進行了模擬。(0, 1)、(1, 1) ,、(2, 1), (0, 2)的激光點陣圖像。通過結構激光光學測量仿真，得到了不同時間的振蕩模式?；诩す恻c陣圖像分析了靜止GTA熔池的振蕩模式。

在本研究中可以得到以下研究結果：

1)通過激光點陣圖像可以判斷熔池狀態(tài)。例如，通過區(qū)分凹面、凸面和平面的分布，我們可以看到熔池的振蕩模式和振蕩頻率，從而區(qū)分熔池的非熔透或熔透狀態(tài)。

2)固定直流GTA焊接時，振蕩模式一般為(0, 1)，(0, 2)模式。在脈沖GTA焊接過程中，峰值電流階段電弧對熔池的沖擊會使熔池表面產(chǎn)生高頻振蕩，從而使熔池表面產(chǎn)生很大的畸變，產(chǎn)生(1, 1)、(2, 1)、(0, 2)振蕩模式。

3)盡管成像平面上的激光點陣圖像是不斷變化的，但基于激光點陣圖像可以識別熔池的形狀，激光發(fā)生器發(fā)射的點陣密度越大，測量精度越高。這也是改進結構激光技術的一個方向。

圖1 （0,1）模式試驗結果

圖2 （1,1）模式試驗結果

圖3 （2,1）模式試驗結果

圖4 （0,2）模式試驗結果

結論

結果表明，仿真得到的激光點陣圖像與實驗結果相吻合?；诩す恻c陣圖像可以識別熔池的振蕩模式。本研究不僅可以為判斷熔池的穿透狀態(tài)提供條件，而且有助于進一步了解熔池的振蕩模式，開發(fā)更有效的觀察方法和測量工具，從而有效地控制和提高焊接質量。

前景與應用

目前學者所觀測到的熔池振型大多局限于(0, 1)、(1, 1)、(0, 2)模式，尤其是(2, 1)模型研究較少，原因是受實驗參數(shù)和設備條件的限制。由此可見，數(shù)值模擬在焊接領域是非常必要的，其能準確地解釋焊接過程中可能遇到的各種振動現(xiàn)象，模擬各種復雜的實驗條件，盡可能節(jié)省了經(jīng)費與時間。

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團隊帶頭人介紹

黃健康，工學博士，教授，碩士研究生導師，國際焊接工程師培訓師，現(xiàn)任教于蘭州理工大學材料科學與工程學院。當前主要進行高溫高熵合金的材料制備，非晶、鋁合金等領域的異種金屬連接，焊接過程中物理、檢測及控制等領域的研究。主持及參與國家自然科學基金6項，軍工項目2項，其他企業(yè)技術開發(fā)橫向項目10項。國家自然科學基金函評專家、焊接學會計算機輔助焊接工程專業(yè)委員會委員等多個學術委員會委員，以及INT J HEAT MASS TRAN等30多個期刊資深審稿人?，F(xiàn)已發(fā)表論文 200 余篇，出版教材1部，授權專利10余項。

團隊研究方向

1) “原位增強梯度鈦合金的電弧增材制造及其組織與性能調(diào)控研究”提出于氬氣保護氣中加入適量的氮氣來原位生成氮化鈦增強相，并通過氬氮比實時調(diào)控來實現(xiàn)具有梯度功能的鈦合金零件。

2）“鋁/鋼剪裁板電弧輔助激光熔釬焊工藝與機理研究”，創(chuàng)新地提出電弧輔助激光熔釬焊方法，即采用小功率電弧輔助激光（但不復合）對鋁/鋼異種金屬剪裁板進行熔釬拼焊，從而解決對接焊縫成形難題。

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團隊發(fā)表高影響力論文

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