论文摘要
短路过渡是熔化极气体保护焊中的一种重要的熔滴过渡方式,其以优质、高效、低成本、节能、生产率高的特点,广泛应用于中、薄板焊接。对于短路过渡这一燃弧-短路交替的复杂非线性时变系统,其瞬时过程决定了焊接过程中产生飞溅的可能性以及焊缝的最终成形,因此国内外广大焊接工作者对熔化极气体保护焊短路过渡（GMAW-S）的熔滴、熔池等行为过程进行了大量的研究与探索工作。但长期以来由于受试验技术、研究手段等多方面的限制,此类研究工作主要集中在基于电信号的过程建模及工艺优化、基于电弧声信号的过渡状态判断、基于图像信号的熔深熔宽控制、还有部分基于熔滴图像信号的状态分析等,研究平台相对分散,建模数据较为单一,直接性和可验证性较差。因此整合研究平台,对GMAW-S焊接过程中瞬时状态所蕴含的机理进行研究,能够进一步加深对GMAW-S焊接过程的理解,为提出新的GMAW-S焊接过程控制思路提供科学依据。论文研制了一套由背光系统、滤光系统和成像系统所组成微距高速视觉传感系统。在背光系统设计中,根据所采用的AlGaInP半导体激光空间模式,基于高斯光束传输和光学波动成像理论,通过模拟计算,确定了空间滤波器和准直扩束光学系统的最优光学参数,获得了理想的平顶光束。在滤光系统设计中,根据偏振光学原理,设计偏振光学系统取代传统的小孔光阑以达到连续滤光的目的,并与保护镜片和干涉滤光片通过螺纹式连接装配组成了同轴调节系统。在成像系统设计中,根据所采用的高速摄像机参数,采用C/F转接座配置中微距可变焦镜头,获得了成像比率较高的GMAW-S、GMAW-P的熔滴细节图像。该系统的出现突破了以往焊接过程图像高速采集所面临的设备搭建耗时、参数设置复杂、焊接规范适用性差、成像质量不高的技术瓶颈,为广泛开展基于图像监测的各类焊接过程研究提供了可能。论文构建了由焊接控制系统、保护气混配供给系统、焊接电信号实时采集系统和高速视觉传感系统四部分组成的GMAW-S焊接试验平台,并进通过基于保护气配比的GMAW-S焊接试验,研究了不同组分保护气对GMAW-S熔滴过渡状态的影响。针对GMAW-S瞬时过程图像存在大量焊接烟尘、衍射条纹等复杂背景噪声,提出了一种结合频率域运算的线性图像处理算法。通过图像频率域转换,经过衰减低通滤波、灰度映射、高斯低通滤波和Laplacian锐化,最终获得不改变图像性质、主体细节突出、背景噪声大量减少的GMAW-S瞬时过程图像。并在此基础上,根据Mallat塔式算法构造3次B样条小波,通过多尺度小波边缘检测算法实现了GMAW-S瞬时过程图像中熔滴、液桥、熔池等目标物的边缘提取。论文研究了熔滴成形瞬时过程,并建立了该过程的力学模型,通过该模型进行计算分析后认为:表面张力提供的支持力为主要的熔滴成形驱动力,焊丝在熔滴成形过程中的熔化速度与小滴体积扩展速度相符,因此小滴在扩展过程中仍能保持滴状形状。论文以磁流体动力学理论和计算流体动力学方程为基础,综合考虑熔滴所受的电磁力、表面张力、等离子流力和重力的作用,建立了二维GMAW-S熔滴受激变形瞬时过程的动态数学模型。通过对该过程的模拟计算,研究分析了熔滴在长大和电流下降后的形态演变、内部液态金属流动机制以及速度场分布规律。论文对瞬时短路过渡过程进行深入研究,建立了瞬时短路过程力平衡临界方程,通过图像分析技术结合电信号定量计算,证明该临界方程能够真实的反映瞬时短路进程,并进一步探讨了瞬时短路过程的定义,认为以往对瞬时短路的定义“电极在非常短的时间和熔池发生接触,但没有发生金属过渡”是不完全的,建议应该摒弃时间概念,定义瞬时短路过程为熔化电极和熔池接触但没有建立液桥的短路现象,而把液桥建立但没有完全铺展开的短路过渡过程定义为瞬时短路过渡过程。
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