《等离子弧焊接熔池-小孔传热机制及其动态行为测控原理》

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穿孔等离子弧焊接能够不开坡口一次焊透中厚钢板,是极具应用前景的高效、低成本焊接工艺。在等离子弧作用下,熔池内形成一个贯穿工件厚度的小孔,是等离子弧焊接中厚板时获得大熔深和大深宽比焊缝的关键。然而,小孔对工艺条件的变化十分敏感,熔池和小孔的稳定性差,制约着这一高能量密度焊接技术的工程应用。研究等离子弧焊接熔池-小孔传热机制及其动态行为测控原理,对于扩大穿孔等离子弧焊接的工艺裕度、大幅度提高中厚板焊接生产质量和效率具有重要的理论意义和工程实用价值。

在国家自然科学基金重点项目等的资助下,针对中厚板穿孔等离子弧焊接亟待解决的关键问题,该项目系统研究了穿孔等离子弧焊接过程中熔池-小孔的传热机制以及熔池穿孔动态行为的检测与控制原理。揭示了等离子弧-熔池-小孔动态行为之间的耦合作用规律,提出了新颖的“受控脉冲穿孔焊接”过程控制策略,研发了穿孔等离子弧焊接闭环控制系统。主要发现点如下:

(1)针对穿孔之后高能量密度等离子弧贯穿熔池的特点,建立了适用的组合式体积热源模型,更准确地描述了等离子弧沿工件厚度方向上的热-力分布作用规律。

(2)采用"局部热平衡-扩散近似法"处理等离子弧与不断变化的熔池表面之间的鞘层界面,保证了等离子弧与阳极间的电流和热流的连续性,建立了等离子弧-熔池-小孔动态行为的一体化模型,数值模拟了等离子弧与熔池的流场-热场以及小孔形状的动态演变过程。

(3)研制出低成本的等离子弧焊接背面小孔图像视觉传感系统,同时测量背面小孔出口几何尺寸以及背面小孔中心与焊枪轴线之间的偏移距离(即小孔中心偏移量)。发现背面小孔中心偏移量比小孔尺寸能更显著地反映小孔的动态特性、更准确地反映小孔的热状态和小孔前壁的熔化状态,可以作为判定小孔动态行为的依据之一。

(4)基于光谱分析设计滤光方案,采用单一CCD相机同步获取背面熔池、小孔的清晰图像。在受控脉冲周期内,脉冲电流峰值与穿孔阶段,同时提取背面熔池与小孔的尺寸与位置信息;在基值电流阶段小孔闭合时,也可检测清晰的背面熔池边界。

(5)对熔池-小孔动态行为规律进行理论分析,提出了“受控脉冲穿孔”的控制原理及方法,利用可靠、简便的尾焰电压信号对穿孔尺寸、状态进行实时检测,分别以小孔建立时间和小孔平均尺寸(平均尾焰电压值)为被控制量,以脉冲峰值电流及其下降斜率为控制量,建立了自适应的闭环控制系统,获得了良好的控制效果与焊缝成形。

8篇代表性论文先后被国内外著名同行专家正面引用和评述,他引256次,其中SCI他引148次。引用者包括美国国家工程院/捷克科学院和加拿大工程院的院士;美国物理学会、英国物理学会、澳大利亚物理学会、美国焊接学会、英国材料/矿物和矿业学会、英国高等教育学会、美国陶瓷学会、印度工程师学会的会士等。与该项目密切相关的一份博士论文被评选为山东省优秀博士论文,并获得第四届上银优秀机械博士论文奖。第一完成人应邀在国际会议做Plenary/Keynote报告4次、Invited报告11次。

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