基于視覺技術(shù)的GMAW-S熔滴過渡瞬時過程研究.pdf

1、短路過渡是熔化極氣體保護(hù)焊中的一種重要的熔滴過渡方式，其以優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、節(jié)能、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中、薄板焊接。對于短路過渡這一燃弧-短路交替的復(fù)雜非線性時變系統(tǒng)，其瞬時過程決定了焊接過程中產(chǎn)生飛濺的可能性以及焊縫的最終成形，因此國內(nèi)外廣大焊接工作者對熔化極氣體保護(hù)焊短路過渡(GMAW-S)的熔滴、熔池等行為過程進(jìn)行了大量的研究與探索工作。但長期以來由于受試驗(yàn)技術(shù)、研究手段等多方面的限制，此類研究工作主要集中在基于電信號的過

2、程建模及工藝優(yōu)化、基于電弧聲信號的過渡狀態(tài)判斷、基于圖像信號的熔深熔寬控制、還有部分基于熔滴圖像信號的狀態(tài)分析等，研究平臺相對分散，建模數(shù)據(jù)較為單一，直接性和可驗(yàn)證性較差。因此整合研究平臺，對GMAW-S焊接過程中瞬時狀態(tài)所蘊(yùn)含的機(jī)理進(jìn)行研究，能夠進(jìn)一步加深對GMAW-S焊接過程的理解，為提出新的GMAW-S焊接過程控制思路提供科學(xué)依據(jù)。 論文研制了一套由背光系統(tǒng)、濾光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)所組成微距高速視覺傳感系統(tǒng)。在背光系統(tǒng)設(shè)計中，

3、根據(jù)所采用的AlGaInP半導(dǎo)體激光空間模式，基于高斯光束傳輸和光學(xué)波動成像理論，通過模擬計算，確定了空間濾波器和準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)的最優(yōu)光學(xué)參數(shù)，獲得了理想的平頂光束。在濾光系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)偏振光學(xué)原理，設(shè)計偏振光學(xué)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的小孔光闌以達(dá)到連續(xù)濾光的目的，并與保護(hù)鏡片和干涉濾光片通過螺紋式連接裝配組成了同軸調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在成像系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)所采用的高速攝像機(jī)參數(shù)，采用C/F轉(zhuǎn)接座配置中微距可變焦鏡頭，獲得了成像比率較高的GMAW-S、

4、GMAW-P的熔滴細(xì)節(jié)圖像。該系統(tǒng)的出現(xiàn)突破了以往焊接過程圖像高速采集所面臨的設(shè)備搭建耗時、參數(shù)設(shè)置復(fù)雜、焊接規(guī)范適用性差、成像質(zhì)量不高的技術(shù)瓶頸，為廣泛開展基于圖像監(jiān)測的各類焊接過程研究提供了可能。 論文構(gòu)建了由焊接控制系統(tǒng)、保護(hù)氣混配供給系統(tǒng)、焊接電信號實(shí)時采集系統(tǒng)和高速視覺傳感系統(tǒng)四部分組成的GMAW-S焊接試驗(yàn)平臺，并進(jìn)通過基于保護(hù)氣配比的GMAW-S焊接試驗(yàn)，研究了不同組分保護(hù)氣對GMAW-S熔滴過渡狀態(tài)的影響。

5、 針對GMAW-S瞬時過程圖像存在大量焊接煙塵、衍射條紋等復(fù)雜背景噪聲，提出了一種結(jié)合頻率域運(yùn)算的線性圖像處理算法。通過圖像頻率域轉(zhuǎn)換，經(jīng)過衰減低通濾波、灰度映射、高斯低通濾波和Laplacian銳化，最終獲得不改變圖像性質(zhì)、主體細(xì)節(jié)突出、背景噪聲大量減少的GMAW-S瞬時過程圖像。并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Mallat塔式算法構(gòu)造3次B樣條小波，通過多尺度小波邊緣檢測算法實(shí)現(xiàn)了GMAW-S瞬時過程圖像中熔滴、液橋、熔池等目標(biāo)物的邊緣提取。

6、 論文研究了熔滴成形瞬時過程，并建立了該過程的力學(xué)模型，通過該模型進(jìn)行計算分析后認(rèn)為：表面張力提供的支持力為主要的熔滴成形驅(qū)動力，焊絲在熔滴成形過程中的熔化速度與小滴體積擴(kuò)展速度相符，因此小滴在擴(kuò)展過程中仍能保持滴狀形狀。 論文以磁流體動力學(xué)理論和計算流體動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，綜合考慮熔滴所受的電磁力、表面張力、等離子流力和重力的作用，建立了二維GMAW-S熔滴受激變形瞬時過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過對該過程的模擬計算，研究分析了

7、熔滴在長大和電流下降后的形態(tài)演變、內(nèi)部液態(tài)金屬流動機(jī)制以及速度場分布規(guī)律。 論文對瞬時短路過渡過程進(jìn)行深入研究，建立了瞬時短路過程力平衡臨界方程，通過圖像分析技術(shù)結(jié)合電信號定量計算，證明該臨界方程能夠真實(shí)的反映瞬時短路進(jìn)程，并進(jìn)一步探討了瞬時短路過程的定義，認(rèn)為以往對瞬時短路的定義“電極在非常短的時間和熔池發(fā)生接觸，但沒有發(fā)生金屬過渡”是不完全的，建議應(yīng)該摒棄時間概念，定義瞬時短路過程為熔化電極和熔池接觸但沒有建立液橋的短路現(xiàn)象