基于焊接温度场解析模型的定点GTAW熔深检测研究.pdf

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1、博士学位论文基于焊接温度场解析模型的定点GTAW熔深检测研究MEASUREMENTSOFGTAWWELDPENETRATIONBASEDONTEMPERATUREFIELDANALYTICMODEL武少杰哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG409学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学博士学位论文基于焊接温度场解析模型的定点GTAW熔深检测研究博士研究生：武少杰导师：高洪明教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG409U.D.C:62

2、1.791DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringMEASUREMENTSOFGTAWWELDPENETRATIONBASEDONTEMPERATUREFIELDANALYTICMODELCandidate：WuShaojieSupervisor：Prof.GaoHongmingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsSci.&Eng.DateofD

3、efence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要在焊接自动化与智能化的过程中，焊接质量控制是无法回避的关键问题，其主要瓶颈在于没有稳定可靠的传感方式来实时准确地检测焊接熔深。本文针对钨极氩弧焊(GTAW)焊接过程中熔深检测困难的问题，提出了一种基于焊接热过程解析模型，以动态熔池表面形貌为特征信息，通过对解析模型修正和优化，进而实时获取焊接熔深的新型测量方法。首先利用GTAW熔池表面的镜面特性建立了三维熔池表面传感系统。将点阵激光投射到熔池表面并截取反射图样获得具有熔池上表面信息的

4、照片，然后利用图像处理、三维重构等方法得到动态熔池表面形貌的特征信息。同时建立了GTAW焊接系统，利用该实验系统可以满足本文后续的实验要求。用基于单椭球热源的焊接温度场解析模型在有限厚板上计算得到了焊接温度场/熔池，以实时检测得到的熔池上表面形貌特征为修正参量分别从x-y和z方向分2次修正了焊接温度场。首先在x-y方向上修正焊接温度场，使检测以及计算得到的熔池上表面长度和宽度保持一致；然后在z方向上修正焊接温度场，使检测以及计算得到的熔池膨胀体积保持一致。经过2次修正后，计算熔深与实际熔深的误差小于3.9%。研究了热源分布系数对计算方法准确率的影响。根据分析可知，计算准确率可以根据修

5、正前熔宽准确率和修正前膨胀体积准确率预测得到。因为修正前熔宽准确率和修正前膨胀体积准确率可以在焊接过程中实时计算得到，因此可以实时计算计算准确率。建立了非线性模型来优化热源分布系数，并研究了最优热源分布系数的鲁棒性。根据试验发现，电流为60A时的最优热源分布系数在电流为65A和70A时依然能够准确地检测出熔深。由于解析模型的限制多、计算速度慢，很难满足实际生产中的工艺要求。通过分析GTAW焊接温度场解析模型的推导过程，建立了基于无限大板单椭球热源的定点GTAW焊接温度场递归解析模型，解决了原有解析模型计算过程中电流必须恒定以及初始温度场必须均匀的问题。同时也解决了原解析模型中计算量会

6、随着焊接时间的增加而增大的问题。将由离散温度值组成的焊接温度场拟合成解析表达式的形式，减小了递归解析模型的计算量。通过工艺试验验证了拟合模型和递归解析模型的准确率，结果表明，用上述模型计算得到的焊接温度场可以准确地检测熔深。最后通过工艺试验验证了递归解析模型在历史温度场不均匀时的准确率。-I-哈尔滨工业大学博士学位论文利用焊枪步进式运动来模拟工件温度场不均匀的环境，通过研究发现，当历史焊接温度场不均匀时，利用基于熔池表面形貌特征修正的递归解析模型依然能够准确地检测熔深。同时探究了影响该熔深检测方法的因素，发现修正的次数以及拟合模型的精度是影响熔深准确率的主要因素。关键词：钨极氩弧焊；

7、熔池形貌检测；热过程解析计算；焊接温度场修正；GTAW熔深检测-II-AbstractAbstractWeldpenetrationcontrolisamajorchallengeinautomatic/intelligentweldingprocess.However,thepenetrationcannotbedirectly/conventionallymeasurableduringthegastungstenarcwelding(GTAW)pro