GTAW焊熔池形態(tài)的數(shù)值模擬及視覺(jué)檢測(cè)

摘要隨著焊接產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，發(fā)展焊接自動(dòng)化和智能化已成為必然趨勢(shì)，而其核心問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的自動(dòng)控制，通過(guò)理論或?qū)嶒?yàn)的手段獲取熔池的動(dòng)態(tài)信息，具有非常重要的實(shí)際意義。本文分別利用數(shù)值模擬技術(shù)和視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)GTAW焊熔池進(jìn)行數(shù)值模擬和視覺(jué)檢測(cè)，從理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)GTAW焊熔池進(jìn)行研究。熔池的數(shù)值模擬過(guò)程建立了GTAW焊熔池的三維瞬態(tài)數(shù)值分析模型，模型中充分考慮熔池液態(tài)金屬對(duì)流傳熱和熔池外工件的固態(tài)導(dǎo)熱；焊接過(guò)程中的相變潛熱；熔池流體的紊流特性；材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化等因素。焊接過(guò)程的電弧熱源模型采用雙橢圓熱流分布模型，該熱源模型有利于改善計(jì)算熔池的形態(tài)，提高熔池的計(jì)算精度。用FLUENT軟件對(duì)所建熔池的數(shù)值分析模型進(jìn)行求解，提取熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及熔池形態(tài)等結(jié)果信息并進(jìn)行分析，還分析了不同焊接電流情況下的熔池的動(dòng)態(tài)行為。熔池的視覺(jué)檢測(cè)過(guò)程是利用主動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)對(duì)焊接熔池進(jìn)行拍攝，以小功率半導(dǎo)體激光器作為系統(tǒng)主動(dòng)光源，采用投影光柵條紋的方式照明熔池，用窄帶濾波和4f系統(tǒng)空間濾波相結(jié)合的方法抑制電弧光的干擾，CCD通過(guò)4f系統(tǒng)對(duì)熔池進(jìn)行拍攝，拍攝出了清晰的熔池圖像。再通過(guò)圖像處理成功地提取了熔池形狀及形狀參數(shù)對(duì)GTAW焊熔池進(jìn)行數(shù)值模擬和視覺(jué)檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，結(jié)果顯示二者數(shù)據(jù)吻合良好，相對(duì)的誤差值在允許誤差以內(nèi)，可以為焊接過(guò)程的進(jìn)一步研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：GTAW焊；溫度場(chǎng)；流場(chǎng)；熔池形態(tài)；數(shù)值模型；視覺(jué)檢測(cè)ABSTRACTWiththerisingdemandsofweldingquality,thedevelopmentofweldingautomationandintelligencehasbecomeaninevitabletrend.Anditskeyproblemisthatrealizationautomaticcontrolofweldingpooldynamicprocess.Acquisitionthedynamicinformationofpoolbytheoreticalorexperimentalmethodshasimportantpracticalsignificance.Inthispaper,usingnumericalsimulationtechnologyandvisioninspectiontonumericalsimulationandinspectionGTAWweldingpool,systematicstudiedGTAWweldingpoolintheoryandexperiments.Intheprocessofnumericalsimulation,athree-dimensionaltransientnumericalmodelofGTAWweldingisestablished.Inthemodel,manyfactorsareconsideredincludingconvectiveheattransferofliquidmetalandheatconductionofsolidmetal,latentheatinweldingprocess,turbulencecharacteristicsofweldingpoolfluid,materialthermophysicalpropertiesasthefunctionoftemperatureandsoon.Modelofarcheatsourceisuseddouble-ellipticdistributionmodesforheatflux,itwillhelpimproveweldingpoolshapeandincreasethecalculationaccuracy.SolvingthenumericalanalysismodelbyFLUENTsoftware,thenextractandanalysistheresultinformationsuchastemperaturefield,flowfieldandweldingpoolshape.Andweldingpoolbehaviorsindifferentweldingcurrentconditionisanalyzed.Intheprocessofvisualinspection,anactivevisualinspectionsystemisusedtoshootweldingpool.Alow-powersemiconductorlaserisanactivelightsourceinthesystem,thenprojectgratingfringeontheweldingpoolsurface,narrowbandfilterandspatialfilteringareusedtofilteringoutthedisturbanceofarc,through4fsystemusingCCDshootweldingpoolandgainsclearimages.TNumericalsimulationtechnologyandvisualinspectionareusedtostudyGTAWweldingpool,analysisofthestudyresults,thencomparedthenumericalsimulationresultsandvisualinspectionresults,thecomparisonresultsshowtwodataingoodagreementwitheachother.Andthiscanprovideareliabletheoreticalbasisandexperimentaldataforfurtherstudyofweldingprocess.Keywords:GTAWwelding;temperaturefield;flowfield;weldingpoolshape;numericalsimulation;visualinspection目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第一章緒論 11.1研究背景及意義 11.2焊接熔池?cái)?shù)值模擬的進(jìn)展 21.3常用的數(shù)值模擬軟件 41.4焊接熔池視覺(jué)檢測(cè)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 51.5本文主要研究?jī)?nèi)容 7第二章GTAW焊熔池的數(shù)值分析模型 82.1模型的建立 82.2熔池的控制方程組 92.3熔池流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力分析 102.3.1浮力 102.3.2電磁力 112.3.3表面張力 112.4控制方程的定解條件 122.4.1初始條件 122.4.2邊界條件 12熱量邊界條件 12動(dòng)量邊界條件 142.5本章小結(jié) 14第三章焊接熔池?cái)?shù)值模型的求解 163.1FLUENT軟件相關(guān)知識(shí) 163.1.1FLUENT軟件簡(jiǎn)介 163.1.2FLUENT軟件的程序結(jié)構(gòu) 163.1.3用FLUENT求解一般問(wèn)題的步驟 173.2幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分 183.3計(jì)算模型的確定 193.3.1紊流模型 193.3.2熔化/凝固模型 193.4材料的熱物性能參數(shù) 203.5軟件的UDF編程 223.6方程的求解策略 233.7本章小結(jié) 24第四章熔池的數(shù)值模擬結(jié)果 254.1熔池溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果 254.2熔池流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果 284.3熔池形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化 324.4焊接電流對(duì)熔池的影響 334.4.1不同焊接電流時(shí)溫度場(chǎng)分布 334.4.2不同焊接電流時(shí)流場(chǎng)分布 344.4.3不同焊接電流時(shí)熔池形狀的變化 354.5本章小結(jié) 36第五章GTAW焊熔池的視覺(jué)檢測(cè) 385.1熔池視覺(jué)檢測(cè) 385.2試驗(yàn)系統(tǒng) 385.2.1試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成及原理 385.2.2試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 39窄帶濾波系統(tǒng) 404f系統(tǒng) 40激光投影角度和CCD拍攝角度 425.3熔池圖像的獲取 435.4熔池圖像的處理 445.4.1圖像濾波 455.4.2圖像增強(qiáng) 455.4.3圖像的邊緣提取 465.5熔池幾何參數(shù)的提取及對(duì)比分析 475.6本章小結(jié) 49結(jié)論 50致謝 51參考文獻(xiàn) 52攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果 56第一章緒論1.1研究背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，如造船、航空航天、冶金建筑等諸多領(lǐng)域。對(duì)焊接質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，如焊縫成形和焊接接頭性能等。因此很多研究人員都對(duì)焊接過(guò)程展開了廣泛而又深入的研究[1-2]，對(duì)焊接過(guò)程的研究主要可分為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。焊接過(guò)程的數(shù)值模擬是把焊接技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一門技術(shù)，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值算法的發(fā)展，通過(guò)建立焊接過(guò)程的數(shù)值模型，給定模型的定解條件，計(jì)算出焊接過(guò)程中的一些信息，通過(guò)這些信息優(yōu)化焊接參數(shù)和條件，以獲得成形好的焊縫和高性能的焊接接頭等。因?yàn)楹附舆^(guò)程的數(shù)值模擬比傳統(tǒng)的焊接實(shí)驗(yàn)更省時(shí)省力，而且可以模擬一些實(shí)驗(yàn)很難測(cè)得的數(shù)據(jù)或結(jié)果，所以得到了很大的發(fā)展。目前焊接數(shù)值模擬已遍及了焊接過(guò)程的很多領(lǐng)域，如：（1）焊接熱傳導(dǎo)分析；（2）焊接熔池流體流動(dòng)分析；（3）焊接應(yīng)力應(yīng)變分析；（4）焊接接頭力學(xué)行為分析；（5）焊接冶金和焊接接頭組織性能預(yù)測(cè)等。焊接過(guò)程數(shù)值模擬的發(fā)展對(duì)研究焊接過(guò)程有著積極的推動(dòng)作用，是今后焊接發(fā)展的一個(gè)重要方向[3]。但目前也尚存一些問(wèn)題：如材料的熱物性數(shù)據(jù)不足、熱源分布參數(shù)的確定、電弧功率有效系數(shù)和焊接熔池的處理等。本文通過(guò)修正熱源分布模型、設(shè)置焊接熔池流體的紊流特性，對(duì)焊接熔池進(jìn)行數(shù)值模擬，研究熔池?zé)釄?chǎng)、流場(chǎng)、形態(tài)等過(guò)程，有助于節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源，有助于人們理解焊接過(guò)程的物理實(shí)質(zhì)，有助于提高焊接質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等。隨著現(xiàn)代焊接工藝的發(fā)展，焊接過(guò)程的檢測(cè)技術(shù)已變得越來(lái)越重要，焊接過(guò)程的檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]，焊接過(guò)程的自動(dòng)化和智能化等現(xiàn)在焊接工藝技術(shù)的發(fā)展都離不開傳感系統(tǒng)對(duì)焊接過(guò)程參數(shù)和焊接質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有很多種，如力、聲、熱、電、光學(xué)檢測(cè)方法[5]，但光學(xué)檢測(cè)(視覺(jué)檢測(cè))方法因?yàn)榫哂胁唤佑|、非慣性及信息量大、可靠性強(qiáng)，可以直接攝取熔池區(qū)圖像，直接反映焊接過(guò)程熔化金屬的動(dòng)態(tài)行為等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在焊縫跟蹤、焊接熔透、熔寬、熔池行為、熔滴的過(guò)度形態(tài)、溫度場(chǎng)監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，焊接過(guò)程的視覺(jué)檢測(cè)對(duì)提高焊接質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的控制都起著很重要的作用。因此，利用數(shù)值模擬技術(shù)和視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)GTAW焊接熔池進(jìn)行研究，具有重要的理論和實(shí)際意義。本課題來(lái)源于導(dǎo)師的課題，得到國(guó)家自然科學(xué)基金(50565003)“復(fù)合光學(xué)空間濾波的MIG焊熔池三維面形傳感研究”的資助。1.2焊接熔池?cái)?shù)值模擬的進(jìn)展焊接過(guò)程的理論計(jì)算開始于上世紀(jì)四十年代。D.Rosenthal[6]，H·H·雷卡林[7]等對(duì)焊接熱過(guò)程的解析做了許多工作并形成系統(tǒng)理論。但由于他們的研究所做假設(shè)與實(shí)際情況差異較大，導(dǎo)致在熔池區(qū)域的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差很大。后來(lái)許多研究人員[8-9]都在D.Rosenthal和H·H·雷卡林的基礎(chǔ)上對(duì)焊接熱過(guò)程進(jìn)行了研究。Adames、木原博和稻埂道夫等人根據(jù)熱傳導(dǎo)微分方程，以大量實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)傳熱學(xué)理論，經(jīng)過(guò)整理、歸納和驗(yàn)證，建立了不同情況下的焊接傳熱方程。但實(shí)驗(yàn)的工作量大，又有確定的應(yīng)用條件和范圍，且可靠性取決于測(cè)試手段的速度[3]，因此還是存在一定的缺陷。T.Kasuya[10]等對(duì)分布于工件內(nèi)部的熱源、有限尺寸的表面線狀熱源以及局部預(yù)熱等情況進(jìn)行了解析，提高了解析方法的精度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，推動(dòng)了焊接過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，焊接熱過(guò)程的數(shù)值分析始于上世紀(jì)七十年代。加拿大的Z.Plaey[11]用有限差分法編制了可以分析非矩形截面、單層、雙層U型、V型坡口的焊接傳熱程序，采用半經(jīng)驗(yàn)法處理熱源，材料熱物參數(shù)與溫度有關(guān)，取得了與實(shí)際比較接近的計(jì)算結(jié)果。美國(guó)的G.W.Krutzy[12]的博士論文中用有限元法建立了二維焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算模型并考慮了相變潛熱，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱為溫度的函數(shù)，工件對(duì)周圍環(huán)境的對(duì)流和輻射傳熱等。S.Kou[13]建立了模擬厚板鎢極氫弧焊和等離子弧堆焊的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)三維熱場(chǎng)有限差分計(jì)算模型。考慮了材料的熱物性能參數(shù)是溫度的函數(shù)，熱源的大小和分布，材料的熔化潛熱等。解決了熱源分布、材料熱物理性能的非線性等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)唐慕堯[14]等人于1981年編制了有限元熱傳導(dǎo)分析程序，進(jìn)行了薄板焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的線性計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。隨后上海交通大學(xué)的陳楚[15]等人對(duì)非線性的熱傳導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行了分析，建立了焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算模型，程序中考慮了材料熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化以及表面散熱的情況，能進(jìn)行固定熱源或移動(dòng)熱源、薄板或厚板、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或非準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)二維溫度場(chǎng)的有限元分析。并在脈沖TIG焊接溫度場(chǎng)以及局部干法水下焊接溫度場(chǎng)等方面進(jìn)行了實(shí)例分析。汪建華[16-17]等與日本大阪大學(xué)合作對(duì)三維焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，研究了焊接溫度場(chǎng)的特點(diǎn)和提高計(jì)算精度的方法，蔡洪能[18]等人建立了運(yùn)動(dòng)電弧雙橢圓熱源分布模型，并在此基礎(chǔ)上研制了三維瞬態(tài)非線性熱傳導(dǎo)的有限元程序。上述的工作都是把液態(tài)熔池區(qū)域和熔池外固態(tài)區(qū)域一起視為固體，忽略了液態(tài)熔池金屬流體對(duì)傳熱過(guò)程的影響，沒(méi)有考慮焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對(duì)流傳熱的特性，這就導(dǎo)致了計(jì)算存在一定的誤差。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，為焊接過(guò)程的數(shù)值模擬的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件，有可能摒棄以前計(jì)算模型中的許多不合理假設(shè)，把更多切合實(shí)際的條件加到模型中去，如考慮液態(tài)金屬對(duì)流傳熱、移動(dòng)熱源、復(fù)雜邊界等，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。有關(guān)于焊接熔池流體對(duì)流傳熱的研究起始于70年代末，V.Parelic和K.Masubuchi等曾分別提出利用熔池邊界作為一個(gè)內(nèi)部條件，通過(guò)在熱影響區(qū)中求解固體導(dǎo)熱方程來(lái)計(jì)算焊接溫度的方法，但其成功與否的關(guān)鍵取決于熔合面方程本身的精度。然而，影響焊接熔池形狀的因素很復(fù)雜，包括表面張力、電磁力、自然對(duì)流等，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[19]。C.R.Heiple[20-21]指出，由于在焊接熔池內(nèi)部存在很大的溫度梯度，所以熔池表面上存在表面張力梯度，驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。Oreper和Szekely首先對(duì)定點(diǎn)GTA焊接熔池流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值研究，首次考慮了表面張力在對(duì)流中的作用，提出了焊接熔池流體受熔池表面張力、電磁力、浮力的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。結(jié)果分析表明，流體對(duì)流傳熱對(duì)確定熔池溫度場(chǎng)分布、焊縫結(jié)晶過(guò)程和熔池形狀等都有明顯的影響[22]。Romanan等[23]在對(duì)定點(diǎn)電弧焊數(shù)值模擬技術(shù)的改進(jìn)和計(jì)算網(wǎng)格的精細(xì)劃分等方面做了很多工作。S.Kou首次對(duì)GTA焊接熔池流場(chǎng)和熱場(chǎng)的三維數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，模型中所用的熱流、電流分布參數(shù)和電弧熱效率都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，并在準(zhǔn)靜態(tài)的條件下進(jìn)一步分析了熔池對(duì)流的影響，還提出了熔池對(duì)流對(duì)氣孔和偏析形成過(guò)程的影響[24]。武傳松[25-26]建立了運(yùn)動(dòng)電弧三維TIG焊熔池流體流動(dòng)及傳熱模型，模型中采用高斯熱源，考慮熔池液態(tài)金屬對(duì)流傳熱和熔池外工件的固體導(dǎo)熱、材料熱物參數(shù)隨溫度變化和工件表面的對(duì)流和輻射傳熱，熔池流體的驅(qū)動(dòng)力有由于熔池中溫度場(chǎng)分布不均勻而產(chǎn)生的浮力；由于表面存在溫度梯度而引起的熔池表面張力和熔接電流進(jìn)入熔池中與其自感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的電磁力。曹振寧[27]等建立了三維TIG焊接熔池流場(chǎng)和熱場(chǎng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，推導(dǎo)出了熔池熔透情況下的TIG焊接熔池上表面和下表面的變形方程，建立了TIG焊接熔透熔池流場(chǎng)與熱場(chǎng)的數(shù)值分析模型，克服了TIG焊熔池流場(chǎng)與熱場(chǎng)模型不能處理熔透情況的局限性。鄭煒[28]等分析了電弧脈沖TIG焊接熔池的流體流動(dòng)與傳熱，建立了一套適合于該模型的非穩(wěn)態(tài)、非線性、多區(qū)域特點(diǎn)的數(shù)值模擬方法，采用附加源項(xiàng)法處理邊界條件，SLMPLEC算法處理流場(chǎng)的速度與壓力耦合。總之，近年來(lái)對(duì)焊接過(guò)程的數(shù)值模擬取得了很大的發(fā)展，計(jì)算模型也從只考慮固體導(dǎo)熱發(fā)展為考慮熔池流體對(duì)流傳熱和熔池外工件固體導(dǎo)熱、從固定電弧發(fā)展為運(yùn)動(dòng)電弧、從二維模型發(fā)展為三維模型、從靜態(tài)發(fā)展為瞬態(tài)。焊接過(guò)程的數(shù)值模擬越來(lái)越接近焊接過(guò)程的實(shí)際情況，將對(duì)焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。1.3常用的數(shù)值模擬軟件用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)焊接熔池行為進(jìn)行數(shù)值求解，已成為焊接過(guò)程研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。對(duì)焊接過(guò)程的數(shù)值研究，一般有自編程序和使用商業(yè)軟件二種途徑。早期對(duì)焊接熔池流場(chǎng)和熱場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬一般采用個(gè)人自編程進(jìn)行研究，具有針對(duì)性強(qiáng)、簡(jiǎn)潔靈活等特點(diǎn)。后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛展，商業(yè)軟件逐漸出現(xiàn)，商業(yè)軟件具有通用性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣、帶有同其他軟件的接口及前后處理等優(yōu)點(diǎn)。因此很多研究者都采用商業(yè)軟件對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。目前在焊接領(lǐng)域常用的商業(yè)軟件有FLUENT、ANSYS、PHOENICS等。1FLUENTFLUENT軟件是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，由FLUENT公司于1983年首次推出。可以求解涉及流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等方面的問(wèn)題。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。FLUENT具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值求解方法及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。因其在流體、傳熱方面的良好表現(xiàn)，可以比較方便地應(yīng)用于焊接熔池流場(chǎng)和熱場(chǎng)方面的數(shù)值模型[29-30]。2ANSYSANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。功能強(qiáng)大，涉及范圍廣，是融結(jié)構(gòu)、流體、傳熱、電磁、聲學(xué)于一體的有限元分析軟件。在石油化工、航空航天、機(jī)械制造、汽車交通、電子、土木工程、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS具有強(qiáng)大的耦合處理功能。用戶不但可用其進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)、電磁等的單獨(dú)研究，還可以在同一模型上進(jìn)行這些類型的相互耦合的研究。例如：熱-結(jié)構(gòu)耦合，電-磁-流體-熱耦合等。另外還具有智能分網(wǎng)、并行運(yùn)算和強(qiáng)大的非線性分析等能力。因此廣泛應(yīng)用于焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬、應(yīng)力應(yīng)變分析和焊接接頭性能分析等領(lǐng)域[31-32]。3PHOENICSPHOENICS是ParabolicHyperbolicOrEllipticNumericalIntegrationCodeSeries的縮寫。它是CHAM公司開發(fā)的產(chǎn)品，于1981年首次公開發(fā)行，是第一個(gè)最早投放市場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域的通用商業(yè)軟件。PHOENICS具有強(qiáng)大的前后處理能力、編程能力和獨(dú)特的邊界條件處理方法等特點(diǎn)，使研究工件者既可以擺脫繁瑣的編程、集中于本學(xué)科理論研究，又可以根據(jù)自身特點(diǎn)對(duì)PHOENICS進(jìn)行二次開發(fā)。具有經(jīng)濟(jì)性好、簡(jiǎn)單靈活、計(jì)算和繪圖系統(tǒng)合一等優(yōu)點(diǎn)。PHOENICS在焊接熔池流體流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬方面有廣泛的應(yīng)用[24,33]。另外還有SYSWELD、ANSYS-CFX等商業(yè)軟件也較適宜用于焊接過(guò)程的數(shù)值模擬。但商用性軟件通常針對(duì)范圍廣，不適合直接拿來(lái)對(duì)某一領(lǐng)域的具體問(wèn)題進(jìn)行處理。因此需要選擇合適商用軟件，對(duì)其進(jìn)行合理二次開發(fā)，才能適合對(duì)較具體的專業(yè)問(wèn)題進(jìn)行處理和研究。1.4焊接熔池視覺(jué)檢測(cè)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展焊接過(guò)程傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，熔池的視覺(jué)傳感是焊接過(guò)程傳感的重要組成部分。視覺(jué)傳感方法是利用視覺(jué)傳感器對(duì)焊接質(zhì)量信息進(jìn)行檢測(cè)，可以直接攝取熔池區(qū)的圖像，具有不接觸，非慣性及信息量大，可直接反映焊接過(guò)程熔化金屬的動(dòng)態(tài)行為等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于焊接過(guò)程的檢測(cè)及研究。視覺(jué)傳感根據(jù)有無(wú)輔助光源，可分為主動(dòng)視覺(jué)傳感和被動(dòng)視覺(jué)傳感兩大類。主動(dòng)視覺(jué)傳感是指利用外加光源照亮光源，利用熔池對(duì)主動(dòng)光源的反射光作為信號(hào)的一種視覺(jué)傳感方式。被動(dòng)視覺(jué)傳感是指利用熔池液態(tài)金屬輻射或熔池對(duì)電弧的反射光作為信號(hào)源的一種傳感方式。肖強(qiáng)[34]通過(guò)對(duì)弧光光譜的分析，認(rèn)為能夠在電弧光譜線中開一個(gè)窗口，利用窄帶濾光濾除弧光干擾，拍攝熔池圖像。以低碳鋼氬弧焊為研究對(duì)象，選取406.4±2nm為濾波窗口；以低碳鋼CO2氣體保護(hù)焊為研究對(duì)象，選取601±2nm為濾波窗口。據(jù)此建立焊縫跟蹤系統(tǒng)，取得了很好的效果。婁亞軍[35]利用選擇窄帶濾波窗口和降低焊接電流相結(jié)合的方法對(duì)熔池進(jìn)行傳感。利用脈沖GTAW焊基值期間焊接電流較小，弧光較弱的特點(diǎn)，用中心波長(zhǎng)為661nm，半寬為10nm的窄帶濾光系統(tǒng)對(duì)熔池圖像進(jìn)行拍攝，獲得了淺析的熔池圖像，并用于脈沖TIG焊熔寬的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。李克海[36]利用中心波長(zhǎng)610nm，帶寬20nm的窄帶復(fù)合濾光系統(tǒng)和廉價(jià)的CCD對(duì)脈沖TIG焊熔池幾何參數(shù)進(jìn)行了視覺(jué)檢測(cè)。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)同步采樣小電流時(shí)的熔池圖像，有效地減小了弧光的干擾，獲取熔池圖像，提取了熔池的幾何參數(shù)。趙冬斌[37]首次將三維計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的陰影恢復(fù)法引入到熔池表面信息的提取上。通過(guò)對(duì)實(shí)際情況的分析，提出了符合成像條件的通用反射圖方程和求解算法，再通過(guò)引入灰度加權(quán)、表面光滑約束和邊界條件，建立了熔池表面反射模型，由單幅圖恢復(fù)了熔池表面高度信息。張?jiān)Ｃ骱蚏.Kovacevic[38-39]等人用脈沖頻閃技術(shù)拍攝了焊接熔池圖像。該激光峰值功率為70kw，當(dāng)激光達(dá)到峰值照射熔池時(shí)，攝像機(jī)同步采集脈沖激光時(shí)的熔池圖像。可以獲取清晰的熔池圖像，通過(guò)圖像處理可獲取熔池的形狀參數(shù)。但該裝置價(jià)格昂貴，靈活性差，不利于廣泛應(yīng)用。另外他們還提出了一種熔池三維形狀視覺(jué)檢測(cè)方法[40-42]，讓脈沖激光通過(guò)毛玻璃和光柵照亮熔池，采集熔池表面變形的光柵條紋。通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行分析，針對(duì)熔池不同區(qū)域的特點(diǎn)使用不同圖像處理算法提取了熔池邊緣和光柵條紋；通過(guò)提出的成像模型，根據(jù)鏡面反射原理，利用一種迭代算法，計(jì)算出了熔池表面三維形狀。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)傳感技術(shù)的發(fā)展，利用視覺(jué)傳感器觀察焊接熔池，通過(guò)圖像處理技術(shù)和圖像標(biāo)定獲取熔池的幾何形狀信息，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制，已成為焊接過(guò)程控制和焊接技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。1.5本文主要研究?jī)?nèi)容本文采用數(shù)值模擬與視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)GTAW焊接熔池行為進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)建立運(yùn)動(dòng)電弧GTAW焊熔池流體流動(dòng)與傳熱的三維瞬態(tài)數(shù)值分析模型。模型中綜合考慮熔池內(nèi)流體對(duì)流傳熱和熔池外工件固體導(dǎo)熱、熔池流體的紊流流動(dòng)、材料熱物理性能參數(shù)隨溫度變化等特性。電弧的熱源采用雙橢圓熱流分布模型，通過(guò)完善熱源模型的相關(guān)參數(shù)改進(jìn)熔池?cái)?shù)值計(jì)算的精度。(2)基于FLUENT軟件平臺(tái)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)焊接熔池模型進(jìn)行求解。并定量地分析了焊接熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、熔池形態(tài)的求解結(jié)果，提取熔池形狀幾何參數(shù)，為焊接實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考。(3)應(yīng)用主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)GTAW焊熔池進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)，以激光作為主動(dòng)光源投影光柵條紋照亮熔池，通過(guò)窄帶濾波和4f系統(tǒng)空間濾波相結(jié)合的方法濾除弧光的干擾，用CCD拍攝出(4)對(duì)攝取的熔池圖形進(jìn)行數(shù)字圖像處理，提取熔池形狀及熔池形狀幾何參數(shù)。并將視覺(jué)檢測(cè)提取的結(jié)果與數(shù)值模擬提取的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。第二章GTAW焊熔池的數(shù)值分析模型焊接是一個(gè)瞬時(shí)的、極不均勻的物理化學(xué)冶金過(guò)程，涉及到電弧、傳熱傳質(zhì)、和熔滴過(guò)程等復(fù)雜過(guò)程。定量地研究焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的工作，通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析，在一定簡(jiǎn)化假設(shè)的基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)方法描述這些物理現(xiàn)象，建立可靠的數(shù)學(xué)模型，對(duì)焊接過(guò)程的數(shù)值研究具有重要的意義。本章的主要任務(wù)基于流體力學(xué)和傳熱學(xué)基本原理，根據(jù)焊接過(guò)程的實(shí)際情況，建立三維瞬態(tài)GTAW焊熔池流體流動(dòng)和傳熱的控制方程組，并給出熔池的驅(qū)動(dòng)力分析和方程的定解條件，確定熔池的數(shù)值分析模型。2.1模型的建立圖2.1是運(yùn)動(dòng)電弧GTAW焊接過(guò)程示意圖。工件處于水平位置不動(dòng)，焊槍以u(píng)0的速度沿x軸勻速運(yùn)動(dòng)。這與我們的焊接實(shí)驗(yàn)中焊槍不動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)是等效的。引弧后，焊接電弧將熱量傳至工件，電弧下工件溫度迅速升高，熔化形成熔池。熔池前部輸入的熱量大于散失的熱量，工件不斷熔化；熔池后部輸入的熱量小于散失的熱量，工件發(fā)生凝固，熔池就隨著電弧熱源一起移動(dòng)。當(dāng)電弧輸入工件的熱量與工件向周圍環(huán)境散失的熱量相等時(shí)，熔池大小相對(duì)穩(wěn)定，隨電弧運(yùn)動(dòng)方向同步移動(dòng)。熔池達(dá)到宏觀的“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。根據(jù)GTAW焊實(shí)際情況，為簡(jiǎn)化計(jì)算作如下假設(shè)：(1)焊接過(guò)程中，熔池和電弧關(guān)于xoz(y=0)平面對(duì)稱；(2)熔池中液態(tài)金屬為不可壓縮、紊流流體，流動(dòng)主要受表面張力、電磁力、浮力驅(qū)動(dòng)；(3)電弧的熱流分布呈雙橢圓分布；(4)熔池的自由表面為平面，當(dāng)TIG焊接電流小于220A時(shí)，這一假設(shè)是合理的[43-44]。uu0Oxyz圖2.1三維GTAW焊示意圖工件熔池電弧焊槍2.2熔池的控制方程組流體流動(dòng)與傳熱通常遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，焊接過(guò)程的熔池流體流動(dòng)與傳熱也是如此。如圖2.1所示，坐標(biāo)系固定在工件上不動(dòng)，GTAW焊熔池行為的控制方程的在直角坐標(biāo)系中的描述如下：連續(xù)性方程：(2-1)動(dòng)量守恒方程：x方向：(2-2)y方向：(2-3)z方向：(2-4)能量守恒方程：(2-5)式中u、v、w分別表示x、y、z方向的流體速度分量；為金屬的密度；為比熱；為導(dǎo)熱系數(shù)；為液態(tài)金屬的動(dòng)力粘度系數(shù)；S為能量方程源項(xiàng)；T為溫度；t為時(shí)間；p為流體內(nèi)壓力；X、Y、Z分別為體積力在x、y、z方向上的分量。在焊接過(guò)程中，由于電弧對(duì)工件的局部加熱，工件上熱量分布不均將存在三個(gè)相區(qū)，熔化為液態(tài)金屬的液相區(qū)；界于液態(tài)和固態(tài)之間處于熔融狀態(tài)的糊狀區(qū)和仍處于固態(tài)的固相區(qū)?？刂品匠探M的求解區(qū)域是整個(gè)工件區(qū)域，在液相區(qū)，液態(tài)熔池的傳熱包括對(duì)流傳熱和導(dǎo)熱，熔池流體的運(yùn)動(dòng)不受影響；在糊狀區(qū)域，引入熱焓-多孔性技術(shù)對(duì)糊狀區(qū)域進(jìn)行處理；在固相區(qū)域，固體將被看成粘性非常大的流體，其粘性大到足以阻止其發(fā)生流動(dòng)，能量方程在固相區(qū)域也將退化為一個(gè)純導(dǎo)熱方程。2.3熔池流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力分析焊接工件在受電弧加熱后熔化形成熔池，熔池流體在浮力、電磁力、表面張力的作用下產(chǎn)生流體對(duì)流，影響熔池的流場(chǎng)、熱場(chǎng)分布和焊后的結(jié)晶。其中浮力和電磁力屬于體積力，作用于整個(gè)計(jì)算區(qū)域，以方程源項(xiàng)的形式加入動(dòng)量方程；表面張力屬于表面力，以邊界條件的形式加入方程。2.3.1浮力在焊接電弧的加熱作用下，熔池內(nèi)溫度分布很不均勻，在熔池中形成較大的溫度梯度，這種溫度梯度導(dǎo)致熔池內(nèi)流體密度分布不均勻。溫度高的地方流體密度較小，溫度低的地方流體密度較大。這種密度的梯度打破了金屬流體靜力平衡，驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，即浮力作用下的流體流動(dòng)。浮力的處理方法有二種：一是視流體的密度是溫度的函數(shù)，熔池各區(qū)域由于溫度分布不均而導(dǎo)致密度分布不均，從而產(chǎn)生浮力作用下的流體對(duì)流；二是采用Boussinesq近似，忽略熔池中流體密度的變化，用浮力計(jì)算公式計(jì)算浮力的大小，Boussinesq近似浮力的表達(dá)式如下：(2-6)式中為熔池液態(tài)金屬密度；g為重力加速度；為熔池液態(tài)金屬的體積膨脹系數(shù)；為熔池金屬的液相線溫度。2.3.2電磁力焊接電流由電極斑點(diǎn)進(jìn)入焊接熔池，再由熔池區(qū)域向工件的各個(gè)方向發(fā)散傳播。熔池中發(fā)散的電流與其自感應(yīng)磁場(chǎng)之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生電磁力[45]：(2-7)(2-8)(2-9)式中為真空磁導(dǎo)率；I為焊接電流；為焊接電流分布參數(shù)；L為工件厚度；為焊接速度；t為焊接時(shí)間；。如圖2.1所示直角坐標(biāo)系中，在焊槍正下方x=u0t，y=0，因此r=0。而上述式子中r出現(xiàn)在了分母的位置，所以需要對(duì)其在r=0時(shí)進(jìn)行求極值處理，則r=0時(shí)電磁力為：(2-10)(2-11)(2-12)2.3.3表面張力液體表面存在表面張力，當(dāng)焊接工件受熱熔化后，在液態(tài)熔池表面會(huì)形成表面張力。焊接熔池的表面張力是溫度的函數(shù)，由于熔池自由表面溫度分布不均，導(dǎo)致熔池表面各處張力不平衡，產(chǎn)生表面張力梯度，驅(qū)動(dòng)流體對(duì)流，表面張力梯度驅(qū)動(dòng)流體對(duì)流的現(xiàn)象又稱Marangoni對(duì)流。表面張力梯度的大小與方向取決于表面的溫度梯度和表面張力對(duì)溫度的關(guān)系。有研究表明，表面張力是熔池流體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力[46]。在熔池表面，表面張力梯度和流體的剪切力相平衡。(2-13)(2-14)式中為液態(tài)金屬的粘度系數(shù)，為表面張力溫度系數(shù)。2.4控制方程的定解條件對(duì)GTAW焊進(jìn)行數(shù)值模擬，必須求解上述的控制方程組，控制方程的求解區(qū)域包括整個(gè)工件區(qū)域，焊接熔池流體流動(dòng)及傳熱過(guò)程是一個(gè)三維瞬態(tài)過(guò)程，因此需要給出相應(yīng)的初始條件和邊界條件。2.4.1初始條件將引弧的時(shí)刻作為初始時(shí)刻，此時(shí)工件尚未被加熱，工件處于室溫，即：(2-15)式中T為工件溫度；T0為環(huán)境溫度工件沒(méi)有被加熱，仍處于固態(tài)，速度為0，即：u=v=w=0(2-16)2.4.2邊界條件邊界條件是指工件在幾何邊界上與周圍介質(zhì)的發(fā)生相互作用規(guī)律?？刂品匠痰那蠼鈪^(qū)域?yàn)檎麄€(gè)工件區(qū)域，本文所取工件模型關(guān)于y=0平面對(duì)稱，所以需給出對(duì)稱表面和其余表面相應(yīng)的邊界條件。熱量邊界條件焊接過(guò)程中，焊接電弧通過(guò)工件上一定的作用面積把熱量傳遞給工件，這個(gè)作用面積叫做加熱斑點(diǎn)。因此焊接電弧熱源應(yīng)是一具有一定分布的熱源，一般情況下穩(wěn)定燃燒的電弧熱源分布不隨時(shí)間變化，通常用高斯分布來(lái)描述GTAW焊的電弧熱源分布[47-48]：，(r<)(2-17)式中為電弧功率的有效系數(shù)；I為焊接電流；U為焊接電壓；為電弧熱流分布參數(shù)。一般情況下電弧熱源采用高斯分布形式，但高斯熱源分布計(jì)算出來(lái)的熔池后拖不足，形狀扁圓，與實(shí)際的焊接熔池情況不同[49]，因此需要對(duì)電弧熱源進(jìn)行改進(jìn)。較常用的熱源模型還有雙橢圓熱源、雙峰熱源、錐體熱源、復(fù)合熱源等熱源分布模型。雙橢圓熱源模型由A.Goladk[50]提出，采用雙橢圓熱源模型對(duì)GTAW焊熔池進(jìn)行模擬，通過(guò)完善熱源分布模式中有關(guān)參數(shù)的取值，以解決熔池尾部后拖不足、形狀扁圓等的問(wèn)題。雙橢圓熱源模型分布如下：，(x-u0t)≥0(2-18)，(x-u0t)＜0(2-19)式中a，b1，b2為焊接熱源分布參數(shù)，它們和熱流分布有關(guān)：(2-20)圖2.2雙橢圓熱源模型熱流分布示意圖圖2.2雙橢圓熱源模型熱流分布示意圖工件關(guān)于y=0平面對(duì)稱，在對(duì)稱面為絕熱邊界條件：(2-21)在工件的其他表面，由于工件溫度與周圍環(huán)境溫度存在著差異，工件與周圍環(huán)境之間存在著對(duì)流換熱。用下式表示：(2-22)式中為導(dǎo)熱系數(shù)；n為表面法線方向；hc為對(duì)流換熱系數(shù)。動(dòng)量邊界條件熔池形成以后，在熔池的自由表面，表面張力梯度與流體的粘性剪切力相平衡，熔池自由表面動(dòng)量邊界條件為：(2-23)(2-24)w=0(2-25)工件的對(duì)稱面(y=0平面)兩側(cè)物質(zhì)交換為零，故：(2-26)(2-27)v=0(2-28)在工件的其他表面：u=v=w=0(2-29)式中u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量；為表面張力溫度系數(shù)。2.5本章小結(jié)(1)根據(jù)GTAW焊的實(shí)際情況，在流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基礎(chǔ)上，建立了GTAW焊熔池三維流體流動(dòng)與傳熱的數(shù)值分析模型，包括流體的控制方程組、定解條件和驅(qū)動(dòng)力分析，控制方程組包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。模型中的傳熱考慮熔池內(nèi)流體的對(duì)流傳熱和熔池外工件的固體導(dǎo)熱，熔池流體的流動(dòng)考慮其紊流特性。(2)對(duì)上述模型和焊接過(guò)程的實(shí)際情況進(jìn)行分析，確定驅(qū)動(dòng)熔池流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力情況及控制方程的定解條件，流體的驅(qū)動(dòng)力主要有熔池的表面張力、電磁力和浮力，方程的定解條件有初始條件和邊界條件，邊界條件主要可分為熱量邊界條件和動(dòng)量邊界條件。(3)焊接過(guò)程中的電弧熱源沒(méi)有采用常用的高斯熱源模型，而是采用通過(guò)修正了的雙橢圓熱源分布模型。雙橢圓熱源模型更符合運(yùn)動(dòng)電弧GTAW焊的實(shí)際情況，有利于改善熔池的計(jì)算精度。第三章焊接熔池?cái)?shù)值模型的求解本章將針對(duì)GTAW焊數(shù)值求解中的具體問(wèn)題，如熱源的添加、源項(xiàng)的添加和材料的變物屬性等問(wèn)題進(jìn)行闡述和分析，解決具體求解過(guò)程中的問(wèn)題，并用FLUENT軟件對(duì)所建數(shù)值分析模型進(jìn)行求解。3.1FLUENT軟件相關(guān)知識(shí)3.1.1FLUENT軟件簡(jiǎn)介FLUENT軟件是FLUENT公司于1983年首次推出的用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的CFD軟件包。在商用CFD市場(chǎng)占有比較高的市場(chǎng)份額，是比較流行的CFD軟件。被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪設(shè)計(jì)等方面。FLUENT軟件的設(shè)計(jì)是基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)和物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，提高解決復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題的效率。FLUENT開發(fā)了適用于各個(gè)領(lǐng)域的流動(dòng)模擬軟件，用于模擬流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其他物理現(xiàn)象，各模擬軟件都采用統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)和共同的圖形界面，它們之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同，因此大大方便了用戶使用[51]。3.1.2FLUENT軟件的程序結(jié)構(gòu)FLUENT軟件是一個(gè)CFD軟件包，主要包括以下幾個(gè)組成部分[52]：(1)GAMBIT——用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生成。(2)FLUENT——用于進(jìn)行流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器。(3)prePDF——用于模擬PDP燃燒過(guò)程。(4)TGrid——用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。(5)Filter——轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算。圖3.1是利用FLUENT軟件進(jìn)行流體流動(dòng)與傳熱的計(jì)算流程圖。首先利用GAMBIT進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件類型設(shè)定，再輸入到FLUENT求解器進(jìn)行計(jì)算，并做計(jì)算結(jié)果的后處理。GAMBITGAMBIT設(shè)置幾何形狀生成2D或3D網(wǎng)格其他軟件包，如CAD，CAE等FLUENT網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型邊界條件流體物性確定計(jì)算結(jié)果后處理prePDFPDF查表TGrid2D三角網(wǎng)格3D四面體網(wǎng)格2D和3D混合網(wǎng)格幾何形狀或網(wǎng)格2D或3D網(wǎng)格PDF程序邊界和（或）體網(wǎng)格邊界網(wǎng)格網(wǎng)格圖3.1FLUENT模擬計(jì)算流程圖3.1.3用FLUENT求解一般問(wèn)題的步驟利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值求解的一般步驟如下：(1)確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格(用GAMBIT前處理軟件生成，也可以讀入其他指定程序生成的網(wǎng)格)。(2)輸入并檢查網(wǎng)格。(3)選擇求解器(2D或3D等)。(4)選擇求解的方程：層流紊流(或無(wú)粘流)，化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等，確定其他需要的模型，如風(fēng)扇，多孔介質(zhì)模型等。(5)確定流體的材料物性。(6)確定邊界類型及邊界條件。(7)條件計(jì)算控制參數(shù)。(8)流場(chǎng)初始化。(9)求解計(jì)算。(10)保存結(jié)果，進(jìn)行后處理等。3.2幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分用GAMBIT軟件對(duì)工件進(jìn)行幾何建模和劃分網(wǎng)格。GAMBIT軟件是面向CFD的專業(yè)前處理器軟件，它包含全面的幾何建模能力,既可以在GAMBIT內(nèi)直接建立點(diǎn)、線、面、體幾何，也可以從主流的CAD/CAE系統(tǒng)導(dǎo)入幾何模型和網(wǎng)格。GAMBIT具有靈活方便的幾何修正功能，當(dāng)從接口中導(dǎo)入幾何模型時(shí)會(huì)自動(dòng)的合并重合的點(diǎn)、線、面；GAMBIT在保證原始幾何精度的基礎(chǔ)上通過(guò)虛擬幾何自動(dòng)縫合小縫隙，這樣既可以保證幾何精度，又可以滿足網(wǎng)格劃分的需要。GAMBIT是功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。GAMBIT中專有的網(wǎng)格劃分算法可以保證在較為復(fù)雜的幾何區(qū)域直接劃分出高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算網(wǎng)格劃分的好壞對(duì)計(jì)算的收斂性、計(jì)算的效率以及計(jì)算的精度都有重要的影響。計(jì)算網(wǎng)格劃分的越小，計(jì)算精度就越高，計(jì)算機(jī)計(jì)算的速度就越慢。計(jì)算網(wǎng)格劃分的過(guò)大，就直接影響到計(jì)算的收斂性和計(jì)算的精度，因此，應(yīng)根據(jù)具體問(wèn)題的需要選擇合理的網(wǎng)格大小和分布。焊接過(guò)程中工件上存在很大的溫度梯度，尤其在電弧附近，溫度梯度大，熔化金屬流體流動(dòng)復(fù)雜，因此在焊縫附近網(wǎng)格需要?jiǎng)澐值木?xì)一些；在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域溫度梯度小，工件為固態(tài)，沒(méi)有復(fù)雜的流體流動(dòng)，因此網(wǎng)格可以劃分的相對(duì)較粗一些。這樣就可以在提高了計(jì)算精度的同時(shí)兼顧了計(jì)算效率。本文工件實(shí)際尺寸為100mm×40mm×2mm，由于工件關(guān)于y=0平面對(duì)稱，建模、分網(wǎng)時(shí)都只取其尺寸的一半，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸為100mm×20mm×2mm，對(duì)應(yīng)網(wǎng)格數(shù)為150×40圖3.2焊接工件網(wǎng)格示意圖圖3.2焊接工件網(wǎng)格示意圖3.3計(jì)算模型的確定GTAW焊熔池流體流動(dòng)與傳熱是一個(gè)三維瞬態(tài)問(wèn)題，伴隨著電弧的運(yùn)動(dòng)，熱源前方的金屬不斷熔化，形成熔池；熱源后方的金屬不斷凝固，形成焊縫，工件處在一個(gè)不斷熔化與凝固的過(guò)程。有研究表明，熔池內(nèi)的流體流動(dòng)具有紊流特性[53-54]，因此，需激活和設(shè)置相應(yīng)的紊流模型和熔化/凝固模型對(duì)GTAW焊熔池進(jìn)行瞬態(tài)求解。3.3.1紊流模型紊流是指流場(chǎng)中某點(diǎn)流動(dòng)速度的大小和方向隨時(shí)間不規(guī)則變化的流動(dòng)，紊流體流動(dòng)不但具有沿流動(dòng)軸方向的速度，還具有橫向速度，各流動(dòng)層中會(huì)有相互干擾，流動(dòng)層之間會(huì)有質(zhì)量和動(dòng)量傳遞的現(xiàn)象。對(duì)紊流最根本的模擬方法是在紊流尺度的的網(wǎng)格尺寸內(nèi)求解瞬態(tài)三維Navier-Stokes方程的全模擬，這無(wú)需引入任何模型，然而這是目前計(jì)算機(jī)容量及速度都難以完成的[52]。目前常用的方法是由Reynolds時(shí)均方程出發(fā)，利用某些假設(shè)，將Reynolds時(shí)均方程或紊流特征量的輸運(yùn)方程中高階的未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)用低階關(guān)聯(lián)項(xiàng)或時(shí)均量來(lái)表達(dá)，從而使Reynolds時(shí)均方程封閉。焊接過(guò)程熔池流體流動(dòng)具有紊流特性，用RNGk-紊流模型對(duì)熔池流體流動(dòng)進(jìn)行求解，RNGk-模型是從瞬態(tài)N-S方程中推出的，使用了一種叫“renormalizationgroup”的數(shù)學(xué)方法。解析性是由它直接從標(biāo)準(zhǔn)k-模型變來(lái)，可以更好地處理強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流、低雷諾數(shù)流動(dòng)等問(wèn)題。RNGk-紊流模型的k、方程為[55]：(3-1)(3-2)式中k為湍動(dòng)能；為湍動(dòng)耗散率；為擴(kuò)散系數(shù)；、、為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；ui為三個(gè)方向速度；xi、xj、xl是三個(gè)方向坐標(biāo)。3.3.2熔化/凝固模型GTAW焊是一個(gè)不斷熔化與凝固的過(guò)程，可以通過(guò)激活FLUENT中的熔化/凝固模型來(lái)處理焊接過(guò)程中熔池的熔化/凝固、相變潛熱、及糊狀區(qū)域等問(wèn)題。FLUENT的熔化/凝固模型是基于Enthalpy-porosity技術(shù)(熱焓-多孔性技術(shù))。Enthalpy-porosity技術(shù)引入液體分?jǐn)?shù)的概念，大量的液體分?jǐn)?shù)被聯(lián)合到每個(gè)單元的整個(gè)區(qū)域中，在熱平衡的基礎(chǔ)上反復(fù)計(jì)算這個(gè)液體分?jǐn)?shù)值。液體分?jǐn)?shù)值為1表示是熔化了的液態(tài)金屬區(qū)域；液體分?jǐn)?shù)值在0-1之間表示是處于熔融狀態(tài)的糊狀區(qū)域，這些糊狀區(qū)域在計(jì)算過(guò)程中假設(shè)為在多孔性從1-0遞減的凝固材料中的多孔介質(zhì)；當(dāng)液體分?jǐn)?shù)值為1是表示固體區(qū)域，多孔性變?yōu)?，速度也降為0。Enthalpy-porosity技術(shù)中，工件相變分析中的熱焓可用混合熱焓H的形式表示，H可看成顯熱焓h與相變潛熱之和：(3-3)式中h和分別表示為：(3-4)(3-5)式中href為參考熱焓；Tref為參考溫度；L為熔化潛熱；Ts為固相線溫度；Tl為液相線溫度；液體分?jǐn)?shù)，可表示為：(3-6)在Enthalpy-porosity技術(shù)中，把糊狀區(qū)域(部分凝固的區(qū)域)看作為多孔介質(zhì)。根據(jù)每個(gè)單元的多孔性在單元中設(shè)置相等的流體阻力。對(duì)于全凝固的區(qū)域，多孔性為0，這些區(qū)域的速度也為0；液態(tài)區(qū)域多孔性為1，速度為真實(shí)流體流動(dòng)速度；在糊狀區(qū)，動(dòng)量的損失是由于在糊狀區(qū)域的多孔性的減少造成的，如下式：(3-7)式中是液體分?jǐn)?shù)；是一個(gè)小于0.0001的數(shù)，防止被0除；是糊狀區(qū)域的連續(xù)數(shù)。3.4材料的熱物性能參數(shù)材料的熱物性能參數(shù)是否準(zhǔn)確是影響焊接過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果精度的重要因素之一。許多材料的熱物性數(shù)據(jù)在高溫特別在接近熔化時(shí)還是空白，已成為焊接過(guò)程數(shù)值模擬面臨的主要問(wèn)題之一。本文使用熱物性數(shù)據(jù)較完備的0Cr18Ni9不銹鋼為焊接試樣材料，其熱物性能參數(shù)引自文獻(xiàn)[54]：(Jkg-1)(Wm-1K-1)(10-3kgm-1s-1)其他物理參數(shù)如表3.1.符號(hào)物理名稱物理參數(shù)值單位表面張力溫度系數(shù)-4.3×10-4Nm-1K-1熱膨脹系數(shù)10-4K-1換熱系數(shù)80Wm-2K-1金屬密度7200Kgm-3環(huán)境溫度293K固相線溫度1523K液相線溫度1723K真空磁導(dǎo)率1.26×10-6Hm-1g重力加速度9.8ms-2熱源效率0.65表3.1其他物理性能參數(shù)表表3.1其他物理性能參數(shù)表3.5軟件的UDF編程焊接熔池流體流動(dòng)和傳熱是一個(gè)復(fù)雜的三維瞬態(tài)過(guò)程，其中很多問(wèn)題都不能直接用模擬軟件解決。FLUENT雖然是一個(gè)很強(qiáng)大的模擬流體流動(dòng)和傳熱的軟件，但作為一個(gè)通用型的商業(yè)軟件，在求解焊接熔池流體流動(dòng)和傳熱這個(gè)具體問(wèn)題時(shí)還是有很多不足，例如焊接熱源的移動(dòng)問(wèn)題、體積力源項(xiàng)的添加和材料的變物屬性等問(wèn)題，都不能用標(biāo)準(zhǔn)的FLUENT模塊直接解決，因此需要對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，以適應(yīng)求解焊接熔池流體和傳熱過(guò)程的需要。本文用UDF(User-DefinedFunction)對(duì)FLUENT進(jìn)行二次開發(fā)，以其適用于對(duì)焊接熔池進(jìn)行數(shù)值模擬。UDF是FLUENT軟件提供的一個(gè)用戶接口，用戶可以通過(guò)它與FLUENT模塊的進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)交流，從而解決一些標(biāo)準(zhǔn)的FLUENT模塊不能解決的問(wèn)題。UDF程序采用C語(yǔ)言編寫，通過(guò)一些預(yù)定義宏與FLUENT模塊內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。如下是添加移動(dòng)熱源的一段程序如下，焊接的起焊點(diǎn)在x=10mm處：DEFINE_PROFILE(heat_flux,thread,position){realx[ND_ND];realxx,yy,rr,tm,dd;realqm=3.9*U*I/(pi*a0*(b1+b2));face_tf;begin_f_loop(f,thread){tm=RP_Get_Real("flow-time");F_CENTROID(x,f,thread);xx=x[0];yy=x[1];dd=xx-v*tm-distance;rr=3*yy*yy/(a0*a0)+3*(xx-v*tm-distance)*(xx-v*tm-distance)/(b2*b2);if(rr<rh&&dd>=0)F_PROFILE(f,thread,position)=qm*exp(-3*(xx-v*tm-distance)*(xx-v*tm-distance)/(b1*b1))*exp(-3*yy*yy/(a0*a0));elseif(rr<rh&&dd<0)F_PROFILE(f,thread,position)=qm*exp(-3*(xx-v*tm-distance)*(xx-v*tm-distance)/(b2*b2))*exp(-3*yy*yy/(a0*a0));elseF_PROFILE(f,thread,position)=0;}end_f_loop(f,thread)}3.6方程的求解策略采用FLUENTRNGk-二方程紊流模型，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法；用分離求解器(Segregated)隱式(Implicit)求解法；對(duì)0Cr18Ni9Ti不銹鋼熔池進(jìn)行數(shù)值模擬。FLUENT使用基于控制體的方法將控制方程轉(zhuǎn)換為可以用數(shù)值方法解出的代數(shù)方程。由于焊接過(guò)程熔池流體速度和壓力相互耦合，采用分離式算法，提高迭代的收斂速度。在分離求解器中分離式算法是指對(duì)控制方程組中各個(gè)方程依次求解的過(guò)程。在分離求解器中，每一個(gè)離散控制方程都是該方程的相關(guān)變量的隱式線化。在隱式分離算法中速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法，SIMPLE算法是Pantankar和Spalding提出的一種綜合考慮流體流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)等因素，為解決速度和壓力的耦合問(wèn)題而提出的流體力學(xué)計(jì)算方法[56]。SIMPLE算法的求解步驟：1)假定一個(gè)速度分布u0，v0和w0，由此計(jì)算動(dòng)量離散方程中的系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)；2)假定一個(gè)壓力場(chǎng)p0；3)依次求解動(dòng)量方程，得到試算速度場(chǎng)u，v，w；4)求解壓力修正方程，得到壓力修正量；5)將代入速度修正方程，修正速度場(chǎng)；6)利用改進(jìn)后的速度場(chǎng)求解那些通過(guò)源項(xiàng)物性等與速度場(chǎng)耦合的變量，如該變量不影響流場(chǎng)，則應(yīng)在速度場(chǎng)收斂后再求解；7)利用改進(jìn)后的速度場(chǎng)重新計(jì)算動(dòng)量離散方程的系數(shù)，并用改進(jìn)后的壓力場(chǎng)作為下一層迭代計(jì)算的初值。重復(fù)上述步驟，直接獲得收斂的解。3.7本章小結(jié)(1)以FLUENT軟件為平臺(tái)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，以適應(yīng)求解GTAW焊接過(guò)程的具體問(wèn)題。焊接工件的幾何模型及非均勻網(wǎng)格的劃分在GAMBIT軟件內(nèi)完成，再導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計(jì)算求解。焊接過(guò)程中熔池的相變和熔池流體的紊流等問(wèn)題通過(guò)設(shè)置熔化/凝固模型和紊流計(jì)算模型來(lái)解決。(2)工件材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化，熔池流體的驅(qū)動(dòng)力源項(xiàng)、焊接熱源模型及熱源的移動(dòng)通過(guò)FLUENTUDF程序的形式寫入計(jì)算方程，其中驅(qū)動(dòng)力是以源項(xiàng)的形式加入，熱源是邊界條件形式加入。(3)方程的求解方法中采用分離求解器(Segregated)隱式(Implicit)求解法，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。第四章熔池的數(shù)值模擬結(jié)果利用上文所述的模型和求解算法，對(duì)GTAW焊三維熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及熔池形狀進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了不同焊接電流時(shí)熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及熔池形狀的情況。4.1熔池溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果利用所建模型，對(duì)運(yùn)動(dòng)電弧0Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行數(shù)值模擬，提取溫度場(chǎng)信息。焊接工藝條件為焊接電流50A、焊接電壓18V、焊接速度為120mm/min，起焊點(diǎn)在x=10mm處。圖4.1、圖4.2、圖4.3分別為焊接工件上表面(xoy平面)、工件對(duì)稱面(xoz平面或y=0平面)、工件橫截面(yoz平面)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布情況，通過(guò)觀察不同截面溫度場(chǎng)的分布，可以把握整體的熔池溫度場(chǎng)分布情況和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。圖4.1是不同時(shí)刻工件上表面溫度場(chǎng)及其等溫線分布情況，圖形的上半部分是溫度場(chǎng)分布云圖，圖形下半部分是對(duì)應(yīng)的等溫線分布。剛開始焊接時(shí)，焊接的熱影響區(qū)域很小，溫度梯度很大；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度場(chǎng)的溫度逐漸升高，熱影響區(qū)域也迅速擴(kuò)大，熔池后方等溫線分布逐漸被拉長(zhǎng)，最后形成一個(gè)類似橢圓的分布，如等溫線密集程度所示，熱源前方溫度梯度較大，熱源后方溫度梯度相對(duì)較小。最終達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布，電弧輸入工件的熱量等于工件向周圍環(huán)境散失的熱量，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度場(chǎng)分布形狀不變，隨著熱源同步向前移動(dòng)，熔池中最高溫度為1945K。t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=3s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=5s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=5s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=10s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=15s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=20s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=15s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=20s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖圖4.1工件上表面溫度場(chǎng)及其等溫線分布t=15s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=20s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖圖4.2是不同時(shí)刻工件橫截面溫度場(chǎng)及等溫線分布，圖形左半部分是溫度場(chǎng)分布云圖，圖形右半部分是相應(yīng)的等溫線分布。剛開始焊接時(shí)熱量分布區(qū)域較小，等溫線密集，溫度梯度大；隨著焊接的繼續(xù)進(jìn)行，熱影響區(qū)迅速擴(kuò)大，溫度升高，但等溫線更稀疏，溫度梯度更小。t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=3s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=3s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=5s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=5s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=10s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=10s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=15s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=15s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖圖4.2工件橫截面溫度場(chǎng)及其等溫線分布圖4.3是不同時(shí)刻工件對(duì)稱面溫度場(chǎng)及其等溫線分布，因該面是對(duì)稱面，溫度場(chǎng)和等溫線不能像圖4.1、4.2那樣對(duì)稱顯示在圖中，所以對(duì)稱面上等溫線分布直接繪于溫度場(chǎng)中。焊接初期的熱影響區(qū)較小，深度也不深，等溫線密集，溫度梯度較大；隨著焊接的繼續(xù)進(jìn)行，焊件溫度逐漸升高，熱量向四周傳遞，熱影響區(qū)擴(kuò)大，溫度梯度逐漸減小。t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖t=1s時(shí)溫度場(chǎng)分布圖圖4.3工件對(duì)稱面溫度場(chǎng)及其等溫線分布4.2熔池流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果圖4.4、圖4.5、圖4.6分別為焊接工件上表面(xoy平面)、工件對(duì)稱面(xoz平面或y=0平面)、工件橫截面(yoz平面)熔池流場(chǎng)分布圖。圖4.4所示為不同時(shí)刻熔池上表面流場(chǎng)分布圖。熔池形成初期，熔池內(nèi)流場(chǎng)分布不穩(wěn)定，隨著時(shí)間的變化比較大。隨著焊接的繼續(xù)進(jìn)行，熔池逐漸增大，流場(chǎng)區(qū)域也逐漸增大，流場(chǎng)分布趨于穩(wěn)定，流場(chǎng)內(nèi)在熱源中心附近有一個(gè)流動(dòng)中心，流體由這個(gè)流動(dòng)中心流向熔池四周，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)熔池流體的最大流速為0.095mt=3s時(shí)流場(chǎng)分布t=3s時(shí)流場(chǎng)分布t=5s時(shí)流場(chǎng)分布t=5s時(shí)流場(chǎng)分布t=8s時(shí)流場(chǎng)分布t=8s時(shí)流場(chǎng)分布t=12s時(shí)流場(chǎng)分布圖4.4熔池上表面流場(chǎng)分布t=12s時(shí)流場(chǎng)分布圖4.4熔池上表面流場(chǎng)分布t=12s時(shí)流場(chǎng)分布圖4.5是不同時(shí)刻工件橫截面熔池流場(chǎng)分布，熔池形成初期流場(chǎng)不穩(wěn)定，變化較大，隨著焊接的進(jìn)行熔池流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，熔池流體在熔池橫截面的流動(dòng)形成一個(gè)環(huán)流，環(huán)流從熔池中心沿著熔池表面附近流向熔池邊緣，再由熔池邊緣向下從熔池底部流回熔池中心附近，形成的一個(gè)順時(shí)針的環(huán)流。這種環(huán)流會(huì)將熔池中心的高溫流體帶向熔池四周，拓展熔池的寬度，使熔池形成寬而淺的形狀。t=3s時(shí)流場(chǎng)分布t=3s時(shí)流場(chǎng)分布t=5s時(shí)流場(chǎng)分布t=5s時(shí)流場(chǎng)分布t=8s時(shí)流場(chǎng)分布t=8s時(shí)流場(chǎng)分布t=12s時(shí)流場(chǎng)分布t=12s時(shí)流場(chǎng)分布圖4.5熔池橫截面流場(chǎng)分布圖4.6是不同時(shí)刻工件對(duì)稱面上熔池流場(chǎng)分布，在熔池對(duì)稱面上液態(tài)金屬流體形成二個(gè)環(huán)流，以流動(dòng)中心為分界，在熔池前部形成一個(gè)順時(shí)針的環(huán)流，在熔池后部形成一個(gè)逆時(shí)針的環(huán)流。綜合熔池上表面、橫截面和對(duì)稱面可以得知熔池內(nèi)三維流場(chǎng)是以熔池內(nèi)的流動(dòng)中心為中心，在上表面流體由該中心出發(fā)流向熔池邊緣，再?gòu)倪吘壯刂鄢嘏c工件的交界面附近流向熔池底部，再由熔池底部由熔池中心附近流向表面，形成一個(gè)環(huán)流，該環(huán)流對(duì)熔池形狀的塑造作用是形成一個(gè)寬而淺的熔池。t=3s時(shí)流場(chǎng)分布t=3s時(shí)流場(chǎng)分布t=5s時(shí)流場(chǎng)分布t=5s時(shí)流場(chǎng)分布t=8s時(shí)流場(chǎng)分布t=8s時(shí)流場(chǎng)分布t=12s時(shí)流場(chǎng)分布t=12s時(shí)流場(chǎng)分布圖4.6熔池對(duì)稱面流場(chǎng)分布4.3熔池形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化焊接工件液相線溫度為1723K，通過(guò)觀察溫度場(chǎng)中液相線隨時(shí)間的變化，可以觀察到整個(gè)熔池形狀的動(dòng)態(tài)變化，將不同時(shí)刻熔池不同截面的形狀描繪于圖4.7、圖4.8和圖4.9中。圖4.7是運(yùn)動(dòng)電弧作用下熔池上表面形狀的動(dòng)態(tài)變化，從左到右分別是6s、8s、10s、12s時(shí)刻的熔池圖像，剛開始時(shí)熔池形狀很小，隨著熱源的持續(xù)加熱熔池逐漸長(zhǎng)大，最后到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熔池大小形狀相對(duì)穩(wěn)定不再發(fā)生改變。圖4.8為熔池橫截面形狀的動(dòng)態(tài)變化，由于熔池關(guān)于xoz平面對(duì)稱，所以只顯示半個(gè)熔池的形狀，從內(nèi)到外分別是6s、8s、10s、12s時(shí)刻的熔池圖像，隨著時(shí)間的推移熔池寬度和深度逐漸增大，最終到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，相對(duì)穩(wěn)定不再變化。圖4.9為對(duì)稱面熔池形狀的動(dòng)態(tài)變化，從左到右分別是6s、8s、10s、12s時(shí)刻的熔池圖像，池熔隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而迅速增大，熔池在x方向的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但在z方向的深度較小，這主要是以表面張力為主的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，導(dǎo)致的流體對(duì)流傳熱對(duì)熔池形狀的塑造結(jié)果。到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，熔池的長(zhǎng)度、寬度、深度分別為8.143mm、7mm、0.618mm。圖4.7熔池上表面形狀的動(dòng)態(tài)變化圖4.7熔池上表面形狀的動(dòng)態(tài)變化圖4.8熔池橫截面形狀的動(dòng)態(tài)變化圖4.8熔池橫截面形狀的動(dòng)態(tài)變化圖4.9熔池對(duì)稱面形狀的動(dòng)態(tài)變化圖4.9熔池對(duì)稱面形狀的動(dòng)態(tài)變化4.4焊接電流對(duì)熔池的影響4.4.1不同焊接電流時(shí)溫度場(chǎng)分布在其他焊接工藝參數(shù)不變的情況下，改變焊接電流，觀察和分析不同焊接電流對(duì)熔池溫度場(chǎng)的影響。如圖4.10(a)、(b)、(c)分別是焊接電流為50A、60A、70A時(shí)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后熔池上表面溫度場(chǎng)分布，溫度場(chǎng)的總體分布都很相近，前方溫度梯度大，后方溫度梯度小，呈現(xiàn)拖尾壯分布。但隨著電流的增加溫度場(chǎng)的總體溫度逐漸升高，三種情況下的最高溫度分別為1945K、2024K和2088K。(b)焊接電流60A(b)焊接電流60A(a)焊接電流50A(c)焊接電流(c)焊接電流70A圖4.10不同焊接電流時(shí)熔池上表面溫度場(chǎng)分布4.4.2不同焊接電流時(shí)流場(chǎng)分布在其他焊接工藝參數(shù)不變的情況下，改變焊接電流，觀察和分析不同焊接電流對(duì)熔池流場(chǎng)的影響。如圖4.11(a)、(b)、(c)分別是焊接電流為50A、60A、70A時(shí)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后熔池上表面流場(chǎng)分布，流場(chǎng)的流動(dòng)方向都是從熔池中心附近流向熔池四周，但熔池流場(chǎng)區(qū)域隨著焊接電流的增加明顯增大，流場(chǎng)的流速也增加，三種情況下熔池流場(chǎng)的最大流速分別為0.095m/s、0.108m/s和0.125m(a)焊接電流(a)焊接電流50A(b)焊接電流(b)焊接電流60A(c)焊接電流(c)焊接電流70A圖4.11不同焊接電流時(shí)熔池上表面流場(chǎng)分布4.4.3不同焊接電流時(shí)熔池形狀的變化在其他焊接工藝參數(shù)不變的情況下，改變焊接電流，觀察和分析不同焊接電流對(duì)熔池形狀的影響。如圖4.12是焊接電流為50A、60A、70A時(shí)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后熔池上表面形狀，可見隨著電流的增加熔池形狀尺寸增加明顯，提取三種情況下熔池的幾何參數(shù)列于表4.1中：50A50A60A70A圖4.10不同焊接電流時(shí)熔池形狀表4.1不同焊接電流時(shí)熔池的幾何參數(shù)表4.1不同焊接電流時(shí)熔池的幾何參數(shù)電流熔池長(zhǎng)度熔池寬度熔池深度(A)(mm)(mm)(mm)508.1437.000.6186010.008.920.897011.5110.41.314.5本章小結(jié)利用所建模型對(duì)GTAW焊熔池行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要得出以下結(jié)論：(1)對(duì)電流為50A時(shí)熔池上表面、橫截面和對(duì)稱面的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，溫度場(chǎng)影響區(qū)域隨著時(shí)間增加逐漸增大；溫度逐漸升高，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)熔池溫度場(chǎng)中最高溫度為1945K；熔池前方等溫線密集，溫度梯度大，熔池后方等溫線稀疏，溫度梯度更小，呈現(xiàn)拖尾狀。(2)對(duì)電流為50A時(shí)熔池上表面、橫截面和對(duì)稱面的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，流場(chǎng)區(qū)域隨著時(shí)間增加逐漸增大；流場(chǎng)分布中存在一個(gè)流動(dòng)中心，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，在熔池上表面流體由這個(gè)流動(dòng)中心流向熔池的四周邊緣，在邊緣附近流體由熔池表面沿著熔池與工件的固液交界面流向熔池底部，再由熔池底在流動(dòng)中心附近流向熔池表面，形成一個(gè)環(huán)流，熔池中的最大流速為0.095mm/s；該環(huán)流的對(duì)熔池形狀的塑造作用是形成一個(gè)寬而淺的熔池。(3)對(duì)電流為50A時(shí)熔池上表面、橫截面和對(duì)稱面的熔池形狀進(jìn)行了分析，熔池形狀尺寸隨著時(shí)間增加逐漸增大；綜合三個(gè)截面的情況進(jìn)行分析可得熔池是寬而淺的形狀，這是由于驅(qū)動(dòng)力驅(qū)使的流體對(duì)流傳熱對(duì)熔池的塑造作用，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，熔池長(zhǎng)、寬、深分別為8.143mm、7mm、0.618mm。(4)對(duì)不同焊接電流情況下的熔池進(jìn)行了分析。對(duì)焊接電流分別為50A、60A、70A時(shí)熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、形狀進(jìn)行分析。熔池溫度場(chǎng)總體分布變化不大，但熔池溫度隨著電流的增加而增大，分別為1945K、2024K和2088K；熔池流場(chǎng)的流向變化不大，但流場(chǎng)區(qū)域和流速隨著電流的增加而增大，分別為0.095m/s、0.108m/s和0.125m/s；熔池形狀尺寸隨著電流的增加而增大的比較明顯，三種電流情況下第五章GTAW焊熔池的視覺(jué)檢測(cè)5.1熔池視覺(jué)檢測(cè)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是一種利用視覺(jué)傳感器模擬人的視覺(jué)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的尺寸及空間位置的三維非接觸測(cè)量。焊接過(guò)程的視覺(jué)檢測(cè)一般利用光譜中的可見光波段，采用CCD對(duì)焊接區(qū)域成像，并將圖像傳送到計(jì)算機(jī)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字圖像處理，提取我們感興趣的信息。焊接過(guò)程的視覺(jué)傳感作為焊接過(guò)程傳感技術(shù)中的一種，與其他傳感方法相比，視覺(jué)傳感具有可靠性強(qiáng)、信息豐富、靈敏度、測(cè)量精度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)；這種檢測(cè)方法是直接對(duì)焊接過(guò)程熔化金屬的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行檢測(cè)，因其不與焊接回路接觸，可以避免對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生影響。根據(jù)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中成像光源是外加輔助光源還是焊接自身產(chǎn)生的光源，可將視覺(jué)檢測(cè)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類[57]。主動(dòng)視覺(jué)傳感檢測(cè)方法是采用外加激光等輔助光源對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行照明，抑制焊接弧光對(duì)熔池信息傳感的干擾，以熔池對(duì)該輔助光的反射光作為信號(hào)的一種視覺(jué)傳感方式；被動(dòng)視覺(jué)傳感檢測(cè)是指利用熔池自身的輻射或熔池對(duì)電弧的反射光作為信號(hào)源，對(duì)焊接熔池區(qū)域進(jìn)行信息檢測(cè)的一種視覺(jué)傳感方式。本文采用主動(dòng)視覺(jué)傳感的方式對(duì)GTAW焊熔池進(jìn)行檢測(cè)。5.2試驗(yàn)系統(tǒng)5.2.1試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成及原理圖5.1所示是本課題組研制的GTAW焊接熔池視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。包括光學(xué)系統(tǒng),圖像采集系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)三部分。光學(xué)系統(tǒng)主要有小功率激光器、透鏡、空間濾波器、窄帶濾光片、中性減光片，成像用的毛玻璃和自制的光學(xué)平臺(tái)；圖像采集系統(tǒng)主要有CCD、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，對(duì)熔池圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集；焊接系統(tǒng)主要有GTAW焊機(jī)、自制的焊接平臺(tái)、帶動(dòng)焊接平臺(tái)移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。利用所建的試驗(yàn)系統(tǒng)在0Cr18Ni9不銹鋼平板上進(jìn)行連續(xù)電流GTAW焊試驗(yàn)。母材尺寸為100mm×40mm×2mm。焊接電壓18V，焊接電流，焊接速度2.28mm/s，氬氣流量5L/min。圖像采集卡圖像采集卡步進(jìn)電機(jī)132圖5.1焊接熔池視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖1激光器；2擴(kuò)束、準(zhǔn)直系統(tǒng)；3光柵；4焊槍；5透鏡；6空間濾波器；7透鏡；8毛玻璃；9窄帶濾光片和中性減光片；10CCD計(jì)算機(jī)45698710主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，元件1激光器、2擴(kuò)束、準(zhǔn)直系統(tǒng)、3特制光柵、4焊槍；5透鏡；6空間濾波器；7透鏡；8毛玻璃；9窄帶濾光片和中性減光片；10CCD。小功率激光器發(fā)出激光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、準(zhǔn)直系統(tǒng)后形成一束平行光，均勻地照在一定截距的光柵上，并將光柵條紋投影到焊接熔池表面，投影到熔池表面的光柵條紋受到焊接熔池表面高度信息的調(diào)制，會(huì)發(fā)生一定的變形，形成變形的光柵條紋；光柵條紋通過(guò)4f系統(tǒng)成像在毛玻璃上，用CCD對(duì)毛玻璃進(jìn)行拍攝，獲取熔池圖像，所獲圖像通過(guò)圖像采集卡傳給計(jì)算機(jī)，再用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行一定的圖像處理，提取我們所需要的熔池信息，實(shí)現(xiàn)焊接熔池的視覺(jué)檢測(cè)。利用該檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)焊接熔池進(jìn)行二維或三維的檢測(cè)，因?yàn)樽冃蔚墓鈻艞l紋包含有熔池表面的高度信息5.2.2試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)該視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的基本思想是利用主動(dòng)光源(激光)照明熔池，抑制焊接過(guò)程電弧光的干擾，以熔池對(duì)激光的反射光作為信號(hào)源，獲取熔池圖像，提取熔池信息。因此系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)焊接熔池檢測(cè)時(shí)需要能有效的抑制焊接過(guò)程的弧光干擾，并且能拍攝出清晰的熔池圖像。窄帶濾波系統(tǒng)圖5.2電弧光譜線分布在焊接熔池的主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)中，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈的電弧光嚴(yán)重的干擾了CCD的拍攝效果，怎樣有效的減少電弧光的干擾，是焊接熔池主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)的一個(gè)重點(diǎn)。因此很多研究人員都對(duì)焊接過(guò)程中的電弧光進(jìn)行過(guò)研究[58-59]。電弧光光譜一般由原子光譜、離子光譜和連續(xù)光譜組成，電弧光光譜是在較低的連續(xù)光譜上疊加了許多不連續(xù)的線譜。如圖5.2所示，在焊接電流50A，弧長(zhǎng)3mm情況下低碳鋼的GTAW焊中電弧光光譜分布中，600nm-700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜基本由較低的連續(xù)光譜組成，電弧光的能量也較低圖5.2電弧光譜線分布本文選用波長(zhǎng)為650nm的激光作為檢測(cè)系統(tǒng)的主動(dòng)光源照明熔池；選用中心波長(zhǎng)650nm，帶寬為±10nm的窄帶濾光片進(jìn)行窄帶濾光，再另加中性減光片對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行衰減。這樣就在電弧光光譜能量較低的波長(zhǎng)范圍開了一個(gè)只有±10nm的窗口，允許作為信號(hào)的激光信號(hào)通過(guò)，而干擾的電弧光卻被大量的阻擋掉，有助于拍攝到清晰的熔池圖像。4f系統(tǒng)4f系統(tǒng)是信息光學(xué)中常用的一種空間濾波的方法[61。它主要是利用了透鏡的二維傅立葉變換特性，把透鏡作為一個(gè)頻譜分析儀，利用空間濾波的方式在輸入物的頻譜面改變物的頻譜結(jié)構(gòu)，繼而改善在輸出面物體的像。如圖5.3所示是4f系統(tǒng)的示意圖，其中二個(gè)透鏡L1、L2分別起著變換和成像的作