GTAW焊熔池形態(tài)的數(shù)值模擬及視覺檢測

摘要隨著焊接產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，發(fā)展焊接自動化和智能化已成為必然趨勢，而其核心問題是實現(xiàn)對焊接熔池動態(tài)過程的自動控制，通過理論或?qū)嶒灥氖侄潍@取熔池的動態(tài)信息，具有非常重要的實際意義。本文分別利用數(shù)值模擬技術(shù)和視覺檢測技術(shù)對GTAW焊熔池進行數(shù)值模擬和視覺檢測，從理論上和實驗上對GTAW焊熔池進行研究。熔池的數(shù)值模擬過程建立了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)金屬對流傳熱和熔池外工件的固態(tài)導熱；焊接過程中的相變潛熱；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算熔池的形態(tài)，提高熔池的計算精度。用FLUENT軟件對所建熔池的數(shù)值分析模型進行求解，提取熔池溫度場、流場及熔池形態(tài)等結(jié)果信息并進行分析，還分析了不同焊接電流情況下的熔池的動態(tài)行為。熔池的視覺檢測過程是利用主動視覺傳感系統(tǒng)對焊接熔池進行拍攝，以小功率半導體激光器作為系統(tǒng)主動光源，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4f系統(tǒng)對熔池進行拍攝，拍攝出了清晰的熔池圖像。再通過圖像處理成功地提取了熔池形狀及形狀參數(shù)對GTAW焊熔池進行數(shù)值模擬和視覺檢測結(jié)果的對比分析，結(jié)果顯示二者數(shù)據(jù)吻合良好，相對的誤差值在允許誤差以內(nèi)，可以為焊接過程的進一步研究提供可靠的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：GTAW焊；溫度場；流場；熔池形態(tài)；數(shù)值模型；視覺檢測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焊接熔池數(shù)值模擬的進展 21.3常用的數(shù)值模擬軟件 41.4焊接熔池視覺檢測的研究現(xiàn)狀和進展 51.5本文主要研究內(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熔池流體流動驅(qū)動力分析 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動量邊界條件 142.5本章小結(jié) 14第三章焊接熔池數(shù)值模型的求解 163.1FLUENT軟件相關(guān)知識 163.1.1FLUENT軟件簡介 163.1.2FLUENT軟件的程序結(jié)構(gòu) 163.1.3用FLUENT求解一般問題的步驟 173.2幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分 183.3計算模型的確定 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熔池溫度場數(shù)值模擬結(jié)果 254.2熔池流場數(shù)值模擬結(jié)果 284.3熔池形態(tài)的動態(tài)變化 324.4焊接電流對熔池的影響 334.4.1不同焊接電流時溫度場分布 334.4.2不同焊接電流時流場分布 344.4.3不同焊接電流時熔池形狀的變化 354.5本章小結(jié) 36第五章GTAW焊熔池的視覺檢測 385.1熔池視覺檢測 385.2試驗系統(tǒng) 385.2.1試驗系統(tǒng)構(gòu)成及原理 385.2.2試驗系統(tǒng)的設計 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 455.4.3圖像的邊緣提取 465.5熔池幾何參數(shù)的提取及對比分析 475.6本章小結(jié) 49結(jié)論 50致謝 51參考文獻 52攻讀碩士學位期間的研究成果 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)中的應用已越來越廣泛，如造船、航空航天、冶金建筑等諸多領域。對焊接質(zhì)量的要求也越來越高，如焊縫成形和焊接接頭性能等。因此很多研究人員都對焊接過程展開了廣泛而又深入的研究[1-2]，對焊接過程的研究主要可分為數(shù)值模擬和實驗研究。焊接過程的數(shù)值模擬是把焊接技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合起來的一門技術(shù)，近年來隨著計算機技術(shù)和數(shù)值算法的發(fā)展，通過建立焊接過程的數(shù)值模型，給定模型的定解條件，計算出焊接過程中的一些信息，通過這些信息優(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。因為焊接過程的數(shù)值模擬比傳統(tǒng)的焊接實驗更省時省力，而且可以模擬一些實驗很難測得的數(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程的很多領域，如：（1）焊接熱傳導分析；（2）焊接熔池流體流動分析；（3）焊接應力應變分析；（4）焊接接頭力學行為分析；（5）焊接冶金和焊接接頭組織性能預測等。焊接過程數(shù)值模擬的發(fā)展對研究焊接過程有著積極的推動作用，是今后焊接發(fā)展的一個重要方向[3]。但目前也尚存一些問題：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。本文通過修正熱源分布模型、設置焊接熔池流體的紊流特性，對焊接熔池進行數(shù)值模擬，研究熔池熱場、流場、形態(tài)等過程，有助于節(jié)約實驗資源，有助于人們理解焊接過程的物理實質(zhì)，有助于提高焊接質(zhì)量和實現(xiàn)自動化焊接等。隨著現(xiàn)代焊接工藝的發(fā)展，焊接過程的檢測技術(shù)已變得越來越重要，焊接過程的檢測技術(shù)是實現(xiàn)焊接自動化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]，焊接過程的自動化和智能化等現(xiàn)在焊接工藝技術(shù)的發(fā)展都離不開傳感系統(tǒng)對焊接過程參數(shù)和焊接質(zhì)量參數(shù)的實時檢測。傳統(tǒng)的檢測方法有很多種，如力、聲、熱、電、光學檢測方法[5]，但光學檢測(視覺檢測)方法因為具有不接觸、非慣性及信息量大、可靠性強，可以直接攝取熔池區(qū)圖像，直接反映焊接過程熔化金屬的動態(tài)行為等優(yōu)點，所以得到了越來越廣泛的應用。目前視覺檢測技術(shù)已經(jīng)在焊縫跟蹤、焊接熔透、熔寬、熔池行為、熔滴的過度形態(tài)、溫度場監(jiān)控等領域得到了廣泛的應用，焊接過程的視覺檢測對提高焊接質(zhì)量和實現(xiàn)對焊接過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)和視覺檢測技術(shù)對GTAW焊接熔池進行研究，具有重要的理論和實際意義。本課題來源于導師的課題，得到國家自然科學基金(50565003)“復合光學空間濾波的MIG焊熔池三維面形傳感研究”的資助。1.2焊接熔池數(shù)值模擬的進展焊接過程的理論計算開始于上世紀四十年代。D.Rosenthal[6]，H·H·雷卡林[7]等對焊接熱過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與實際情況差異較大，導致在熔池區(qū)域的計算結(jié)果與實際結(jié)果相差很大。后來許多研究人員[8-9]都在D.Rosenthal和H·H·雷卡林的基礎上對焊接熱過程進行了研究。Adames、木原博和稻埂道夫等人根據(jù)熱傳導微分方程，以大量實驗為基礎，根據(jù)傳熱學理論，經(jīng)過整理、歸納和驗證，建立了不同情況下的焊接傳熱方程。但實驗的工作量大，又有確定的應用條件和范圍，且可靠性取決于測試手段的速度[3]，因此還是存在一定的缺陷。T.Kasuya[10]等對分布于工件內(nèi)部的熱源、有限尺寸的表面線狀熱源以及局部預熱等情況進行了解析，提高了解析方法的精度。隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，推動了焊接過程的數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，焊接熱過程的數(shù)值分析始于上世紀七十年代。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)驗法處理熱源，材料熱物參數(shù)與溫度有關(guān)，取得了與實際比較接近的計算結(jié)果。美國的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的計算模型并考慮了相變潛熱，導熱系數(shù)和比熱為溫度的函數(shù)，工件對周圍環(huán)境的對流和輻射傳熱等。S.Kou[13]建立了模擬厚板鎢極氫弧焊和等離子弧堆焊的準穩(wěn)態(tài)三維熱場有限差分計算模型?？紤]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題。國內(nèi)西安交通大學唐慕堯[14]等人于1981年編制了有限元熱傳導分析程序，進行了薄板焊接準穩(wěn)態(tài)溫度場的線性計算，其結(jié)果與實驗值吻合較好。隨后上海交通大學的陳楚[15]等人對非線性的熱傳導問題進行了分析，建立了焊接溫度場的計算模型，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，能進行固定熱源或移動熱源、薄板或厚板、準穩(wěn)態(tài)或非準穩(wěn)態(tài)二維溫度場的有限元分析。并在脈沖TIG焊接溫度場以及局部干法水下焊接溫度場等方面進行了實例分析。汪建華[16-17]等與日本大阪大學合作對三維焊接溫度場進行了研究，研究了焊接溫度場的特點和提高計算精度的方法，蔡洪能[18]等人建立了運動電弧雙橢圓熱源分布模型，并在此基礎上研制了三維瞬態(tài)非線性熱傳導的有限元程序。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)熔池金屬流體對傳熱過程的影響，沒有考慮焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對流傳熱的特性，這就導致了計算存在一定的誤差。近年來，隨著計算機和數(shù)值計算的發(fā)展，為焊接過程的數(shù)值模擬的進一步發(fā)展提供了條件，有可能摒棄以前計算模型中的許多不合理假設，把更多切合實際的條件加到模型中去，如考慮液態(tài)金屬對流傳熱、移動熱源、復雜邊界等，使計算結(jié)果更加準確。有關(guān)于焊接熔池流體對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內(nèi)部條件，通過在熱影響區(qū)中求解固體導熱方程來計算焊接溫度的方法，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雜，包括表面張力、電磁力、自然對流等，許多學者對此進行了研究[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)動流體流動。Oreper和Szekely首先對定點GTA焊接熔池流體流動和傳熱進行了詳細的數(shù)值研究，首次考慮了表面張力在對流中的作用，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。結(jié)果分析表明，流體對流傳熱對確定熔池溫度場分布、焊縫結(jié)晶過程和熔池形狀等都有明顯的影響[22]。Romanan等[23]在對定點電弧焊數(shù)值模擬技術(shù)的改進和計算網(wǎng)格的精細劃分等方面做了很多工作。S.Kou首次對GTA焊接熔池流場和熱場的三維數(shù)值模擬進行了研究，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實驗測得，并在準靜態(tài)的條件下進一步分析了熔池對流的影響，還提出了熔池對流對氣孔和偏析形成過程的影響[24]。武傳松[25-26]建立了運動電弧三維TIG焊熔池流體流動及傳熱模型，模型中采用高斯熱源，考慮熔池液態(tài)金屬對流傳熱和熔池外工件的固體導熱、材料熱物參數(shù)隨溫度變化和工件表面的對流和輻射傳熱，熔池流體的驅(qū)動力有由于熔池中溫度場分布不均勻而產(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入熔池中與其自感應磁場發(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焊接熔池流場和熱場的準穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，推導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焊接熔透熔池流場與熱場的數(shù)值分析模型，克服了TIG焊熔池流場與熱場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)域特點的數(shù)值模擬方法，采用附加源項法處理邊界條件，SLMPLEC算法處理流場的速度與壓力耦合?？傊陙韺附舆^程的數(shù)值模擬取得了很大的發(fā)展，計算模型也從只考慮固體導熱發(fā)展為考慮熔池流體對流傳熱和熔池外工件固體導熱、從固定電弧發(fā)展為運動電弧、從二維模型發(fā)展為三維模型、從靜態(tài)發(fā)展為瞬態(tài)。焊接過程的數(shù)值模擬越來越接近焊接過程的實際情況，將對焊接技術(shù)的進一步發(fā)展產(chǎn)生重要的推動作用。1.3常用的數(shù)值模擬軟件用數(shù)值模擬技術(shù)對焊接熔池行為進行數(shù)值求解，已成為焊接過程研究的一個重要領域。對焊接過程的數(shù)值研究，一般有自編程序和使用商業(yè)軟件二種途徑。早期對焊接熔池流場和熱場進行數(shù)值模擬一般采用個人自編程進行研究，具有針對性強、簡潔靈活等特點。后來隨著計算機技術(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、應用領域廣、帶有同其他軟件的接口及前后處理等優(yōu)點。因此很多研究者都采用商業(yè)軟件對焊接過程進行數(shù)值模擬研究。目前在焊接領域常用的商業(yè)軟件有FLUENT、ANSYS、PHOENICS等。1FLUENTFLUENT軟件是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，由FLUENT公司于1983年首次推出?？梢郧蠼馍婕傲黧w、熱傳遞及化學反應等方面的問題。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、先進的數(shù)值求解方法及強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設計、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。因其在流體、傳熱方面的良好表現(xiàn)，可以比較方便地應用于焊接熔池流場和熱場方面的數(shù)值模型[29-30]。2ANSYSANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。功能強大，涉及范圍廣，是融結(jié)構(gòu)、流體、傳熱、電磁、聲學于一體的有限元分析軟件。在石油化工、航空航天、機械制造、汽車交通、電子、土木工程、日用家電等領域有著廣泛的應用。ANSYS具有強大的耦合處理功能。用戶不但可用其進行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以在同一模型上進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)、并行運算和強大的非線性分析等能力。因此廣泛應用于焊接過程的溫度場模擬、應力應變分析和焊接接頭性能分析等領域[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，是第一個最早投放市場的計算流體力學領域的通用商業(yè)軟件。PHOENICS具有強大的前后處理能力、編程能力和獨特的邊界條件處理方法等特點，使研究工件者既可以擺脫繁瑣的編程、集中于本學科理論研究，又可以根據(jù)自身特點對PHOENICS進行二次開發(fā)。具有經(jīng)濟性好、簡單靈活、計算和繪圖系統(tǒng)合一等優(yōu)點。PHOENICS在焊接熔池流體流動與傳熱的數(shù)值模擬方面有廣泛的應用[24,33]。另外還有SYSWELD、ANSYS-CFX等商業(yè)軟件也較適宜用于焊接過程的數(shù)值模擬。但商用性軟件通常針對范圍廣，不適合直接拿來對某一領域的具體問題進行處理。因此需要選擇合適商用軟件，對其進行合理二次開發(fā)，才能適合對較具體的專業(yè)問題進行處理和研究。1.4焊接熔池視覺檢測的研究現(xiàn)狀和進展焊接過程傳感技術(shù)是實現(xiàn)焊接過程控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，熔池的視覺傳感是焊接過程傳感的重要組成部分。視覺傳感方法是利用視覺傳感器對焊接質(zhì)量信息進行檢測，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，可直接反映焊接過程熔化金屬的動態(tài)行為等優(yōu)點，被廣泛應用于焊接過程的檢測及研究。視覺傳感根據(jù)有無輔助光源，可分為主動視覺傳感和被動視覺傳感兩大類。主動視覺傳感是指利用外加光源照亮光源，利用熔池對主動光源的反射光作為信號的一種視覺傳感方式。被動視覺傳感是指利用熔池液態(tài)金屬輻射或熔池對電弧的反射光作為信號源的一種傳感方式。肖強[34]通過對弧光光譜的分析，認為能夠在電弧光譜線中開一個窗口，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象，選取406.4±2nm為濾波窗口；以低碳鋼CO2氣體保護焊為研究對象，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)合的方法對熔池進行傳感。利用脈沖GTAW焊基值期間焊接電流較小，弧光較弱的特點，用中心波長為661nm，半寬為10nm的窄帶濾光系統(tǒng)對熔池圖像進行拍攝，獲得了淺析的熔池圖像，并用于脈沖TIG焊熔寬的實時檢測和控制。李克海[36]利用中心波長610nm，帶寬20nm的窄帶復合濾光系統(tǒng)和廉價的CCD對脈沖TIG焊熔池幾何參數(shù)進行了視覺檢測。通過控制計算機同步采樣小電流時的熔池圖像，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]首次將三維計算機視覺中的陰影恢復法引入到熔池表面信息的提取上。通過對實際情況的分析，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，由單幅圖恢復了熔池表面高度信息。張裕明和R.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，當激光達到峰值照射熔池時，攝像機同步采集脈沖激光時的熔池圖像?？梢垣@取清晰的熔池圖像，通過圖像處理可獲取熔池的形狀參數(shù)。但該裝置價格昂貴，靈活性差，不利于廣泛應用。另外他們還提出了一種熔池三維形狀視覺檢測方法[40-42]，讓脈沖激光通過毛玻璃和光柵照亮熔池，采集熔池表面變形的光柵條紋。通過對圖像進行分析，針對熔池不同區(qū)域的特點使用不同圖像處理算法提取了熔池邊緣和光柵條紋；通過提出的成像模型，根據(jù)鏡面反射原理，利用一種迭代算法，計算出了熔池表面三維形狀。隨著計算機視覺傳感技術(shù)的發(fā)展，利用視覺傳感器觀察焊接熔池，通過圖像處理技術(shù)和圖像標定獲取熔池的幾何形狀信息，對焊接質(zhì)量進行控制，已成為焊接過程控制和焊接技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。1.5本文主要研究內(nèi)容本文采用數(shù)值模擬與視覺檢測實驗相結(jié)合的方法，對GTAW焊接熔池行為進行研究。主要研究內(nèi)容如下：(1)建立運動電弧GTAW焊熔池流體流動與傳熱的三維瞬態(tài)數(shù)值分析模型。模型中綜合考慮熔池內(nèi)流體對流傳熱和熔池外工件固體導熱、熔池流體的紊流流動、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，通過完善熱源模型的相關(guān)參數(shù)改進熔池數(shù)值計算的精度。(2)基于FLUENT軟件平臺，通過對其進行二次開發(fā)，對焊接熔池模型進行求解。并定量地分析了焊接熔池溫度場、流場、熔池形態(tài)的求解結(jié)果，提取熔池形狀幾何參數(shù)，為焊接實驗提供數(shù)據(jù)參考。(3)應用主動視覺檢測系統(tǒng)對GTAW焊熔池進行視覺檢測，以激光作為主動光源投影光柵條紋照亮熔池，通過窄帶濾波和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)對攝取的熔池圖形進行數(shù)字圖像處理，提取熔池形狀及熔池形狀幾何參數(shù)。并將視覺檢測提取的結(jié)果與數(shù)值模擬提取的結(jié)果進行了對比分析。第二章GTAW焊熔池的數(shù)值分析模型焊接是一個瞬時的、極不均勻的物理化學冶金過程，涉及到電弧、傳熱傳質(zhì)、和熔滴過程等復雜過程。定量地研究焊接是一個非常復雜的工作，通過對焊接過程中的物理現(xiàn)象進行分析，在一定簡化假設的基礎上用數(shù)學方法描述這些物理現(xiàn)象，建立可靠的數(shù)學模型，對焊接過程的數(shù)值研究具有重要的意義。本章的主要任務基于流體力學和傳熱學基本原理，根據(jù)焊接過程的實際情況，建立三維瞬態(tài)GTAW焊熔池流體流動和傳熱的控制方程組，并給出熔池的驅(qū)動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是運動電弧GTAW焊接過程示意圖。工件處于水平位置不動，焊槍以u0的速度沿x軸勻速運動。這與我們的焊接實驗中焊槍不動，步進電機帶動工件運動是等效的。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。當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，熔池大小相對穩(wěn)定，隨電弧運動方向同步移動。熔池達到宏觀的“準穩(wěn)態(tài)”。根據(jù)GTAW焊實際情況，為簡化計算作如下假設：(1)焊接過程中，熔池和電弧關(guān)于xoz(y=0)平面對稱；(2)熔池中液態(tài)金屬為不可壓縮、紊流流體，流動主要受表面張力、電磁力、浮力驅(qū)動；(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TIG焊接電流小于220A時，這一假設是合理的[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與傳熱通常遵守質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，焊接過程的熔池流體流動與傳熱也是如此。如圖2.1所示，坐標系固定在工件上不動，GTAW焊熔池行為的控制方程的在直角坐標系中的描述如下：連續(xù)性方程：(2-1)動量守恒方程：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；為導熱系數(shù)；為液態(tài)金屬的動力粘度系數(shù)；S為能量方程源項；T為溫度；t為時間；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。在焊接過程中，由于電弧對工件的局部加熱，工件上熱量分布不均將存在三個相區(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)域是整個工件區(qū)域，在液相區(qū)，液態(tài)熔池的傳熱包括對流傳熱和導熱，熔池流體的運動不受影響；在糊狀區(qū)域，引入熱焓-多孔性技術(shù)對糊狀區(qū)域進行處理；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，能量方程在固相區(qū)域也將退化為一個純導熱方程。2.3熔池流體流動驅(qū)動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)生流體對流，影響熔池的流場、熱場分布和焊后的結(jié)晶。其中浮力和電磁力屬于體積力，作用于整個計算區(qū)域，以方程源項的形式加入動量方程；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)動流體流動，即浮力作用下的流體流動。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致密度分布不均，從而產(chǎn)生浮力作用下的流體對流；二是采用Boussinesq近似，忽略熔池中流體密度的變化，用浮力計算公式計算浮力的大小，Boussinesq近似浮力的表達式如下：(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進入焊接熔池，再由熔池區(qū)域向工件的各個方向發(fā)散傳播。熔池中發(fā)散的電流與其自感應磁場之間發(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為焊接時間；。如圖2.1所示直角坐標系中，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，所以需要對其在r=0時進行求極值處理，則r=0時電磁力為：(2-10)(2-11)(2-12)2.3.3表面張力液體表面存在表面張力，當焊接工件受熱熔化后，在液態(tài)熔池表面會形成表面張力。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，導致熔池表面各處張力不平衡，產(chǎn)生表面張力梯度，驅(qū)動流體對流，表面張力梯度驅(qū)動流體對流的現(xiàn)象又稱Marangoni對流。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溫度的關(guān)系。有研究表明，表面張力是熔池流體流動的主要驅(qū)動力[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GTAW焊進行數(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)域包括整個工件區(qū)域，焊接熔池流體流動及傳熱過程是一個三維瞬態(tài)過程，因此需要給出相應的初始條件和邊界條件。2.4.1初始條件將引弧的時刻作為初始時刻，此時工件尚未被加熱，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)域為整個工件區(qū)域，本文所取工件模型關(guān)于y=0平面對稱，所以需給出對稱表面和其余表面相應的邊界條件。熱量邊界條件焊接過程中，焊接電弧通過工件上一定的作用面積把熱量傳遞給工件，這個作用面積叫做加熱斑點。因此焊接電弧熱源應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間變化，通常用高斯分布來描述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，但高斯熱源分布計算出來的熔池后拖不足，形狀扁圓，與實際的焊接熔池情況不同[49]，因此需要對電弧熱源進行改進。較常用的熱源模型還有雙橢圓熱源、雙峰熱源、錐體熱源、復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GTAW焊熔池進行模擬，通過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平面對稱，在對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)境之間存在著對流換熱。用下式表示：(2-22)式中為導熱系數(shù)；n為表面法線方向；hc為對流換熱系數(shù)。動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，熔池自由表面動量邊界條件為：(2-23)(2-24)w=0(2-25)工件的對稱面(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焊的實際情況，在流體力學和傳熱學的基礎上，建立了GTAW焊熔池三維流體流動與傳熱的數(shù)值分析模型，包括流體的控制方程組、定解條件和驅(qū)動力分析，控制方程組包括連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。模型中的傳熱考慮熔池內(nèi)流體的對流傳熱和熔池外工件的固體導熱，熔池流體的流動考慮其紊流特性。(2)對上述模型和焊接過程的實際情況進行分析，確定驅(qū)動熔池流體流動的驅(qū)動力情況及控制方程的定解條件，流體的驅(qū)動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量邊界條件。(3)焊接過程中的電弧熱源沒有采用常用的高斯熱源模型，而是采用通過修正了的雙橢圓熱源分布模型。雙橢圓熱源模型更符合運動電弧GTAW焊的實際情況，有利于改善熔池的計算精度。第三章焊接熔池數(shù)值模型的求解本章將針對GTAW焊數(shù)值求解中的具體問題，如熱源的添加、源項的添加和材料的變物屬性等問題進行闡述和分析，解決具體求解過程中的問題，并用FLUENT軟件對所建數(shù)值分析模型進行求解。3.1FLUENT軟件相關(guān)知識3.1.1FLUENT軟件簡介FLUENT軟件是FLUENT公司于1983年首次推出的用于計算流體流動和傳熱問題的CFD軟件包。在商用CFD市場占有比較高的市場份額，是比較流行的CFD軟件。被廣泛應用于航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪設計等方面。FLUENT軟件的設計是基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復雜流動和物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合，提高解決復雜流動計算問題的效率。FLUENT開發(fā)了適用于各個領域的流動模擬軟件，用于模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學反應和其他物理現(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CFD軟件包，主要包括以下幾個組成部分[52]：(1)GAMBIT——用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生成。(2)FLUENT——用于進行流動模擬計算的求解器。(3)prePDF——用于模擬PDP燃燒過程。(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計算。圖3.1是利用FLUENT軟件進行流體流動與傳熱的計算流程圖。首先利用GAMBIT進行幾何建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件類型設定，再輸入到FLUENT求解器進行計算，并做計算結(jié)果的后處理。GAMBITGAMBIT設置幾何形狀生成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模擬計算流程圖3.1.3用FLUENT求解一般問題的步驟利用FLUENT軟件進行數(shù)值求解的一般步驟如下：(1)確定幾何形狀，生成計算網(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(或無粘流)，化學組分或化學反應，傳熱模型等，確定其他需要的模型，如風扇，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)條件計算控制參數(shù)。(8)流場初始化。(9)求解計算。(10)保存結(jié)果，進行后處理等。3.2幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分用GAMBIT軟件對工件進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、線、面、體幾何，也可以從主流的CAD/CAE系統(tǒng)導入幾何模型和網(wǎng)格。GAMBIT具有靈活方便的幾何修正功能，當從接口中導入幾何模型時會自動的合并重合的點、線、面；GAMBIT在保證原始幾何精度的基礎上通過虛擬幾何自動縫合小縫隙，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。一般來說，計算網(wǎng)格劃分的好壞對計算的收斂性、計算的效率以及計算的精度都有重要的影響。計算網(wǎng)格劃分的越小，計算精度就越高，計算機計算的速度就越慢。計算網(wǎng)格劃分的過大，就直接影響到計算的收斂性和計算的精度，因此，應根據(jù)具體問題的需要選擇合理的網(wǎng)格大小和分布。焊接過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，熔化金屬流體流動復雜，因此在焊縫附近網(wǎng)格需要劃分的精細一些；在遠離焊縫區(qū)域溫度梯度小，工件為固態(tài)，沒有復雜的流體流動，因此網(wǎng)格可以劃分的相對較粗一些。這樣就可以在提高了計算精度的同時兼顧了計算效率。本文工件實際尺寸為100mm×40mm×2mm，由于工件關(guān)于y=0平面對稱，建模、分網(wǎng)時都只取其尺寸的一半，對應的網(wǎng)格尺寸為100mm×20mm×2mm，對應網(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計算模型的確定GTAW焊熔池流體流動與傳熱是一個三維瞬態(tài)問題，伴隨著電弧的運動，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，工件處在一個不斷熔化與凝固的過程。有研究表明，熔池內(nèi)的流體流動具有紊流特性[53-54]，因此，需激活和設置相應的紊流模型和熔化/凝固模型對GTAW焊熔池進行瞬態(tài)求解。3.3.1紊流模型紊流是指流場中某點流動速度的大小和方向隨時間不規(guī)則變化的流動，紊流體流動不但具有沿流動軸方向的速度，還具有橫向速度，各流動層中會有相互干擾，流動層之間會有質(zhì)量和動量傳遞的現(xiàn)象。對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，這無需引入任何模型，然而這是目前計算機容量及速度都難以完成的[52]。目前常用的方法是由Reynolds時均方程出發(fā)，利用某些假設，將Reynolds時均方程或紊流特征量的輸運方程中高階的未知關(guān)聯(lián)項用低階關(guān)聯(lián)項或時均量來表達，從而使Reynolds時均方程封閉。焊接過程熔池流體流動具有紊流特性，用RNGk-紊流模型對熔池流體流動進行求解，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)學方法。解析性是由它直接從標準k-模型變來，可以更好地處理強旋轉(zhuǎn)流、低雷諾數(shù)流動等問題。RNGk-紊流模型的k、方程為[55]：(3-1)(3-2)式中k為湍動能；為湍動耗散率；為擴散系數(shù)；、、為經(jīng)驗常數(shù)；ui為三個方向速度；xi、xj、xl是三個方向坐標。3.3.2熔化/凝固模型GTAW焊是一個不斷熔化與凝固的過程，可以通過激活FLUENT中的熔化/凝固模型來處理焊接過程中熔池的熔化/凝固、相變潛熱、及糊狀區(qū)域等問題。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)引入液體分數(shù)的概念，大量的液體分數(shù)被聯(lián)合到每個單元的整個區(qū)域中，在熱平衡的基礎上反復計算這個液體分數(shù)值。液體分數(shù)值為1表示是熔化了的液態(tài)金屬區(qū)域；液體分數(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)域在計算過程中假設為在多孔性從1-0遞減的凝固材料中的多孔介質(zhì)；當液體分數(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；液體分數(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)每個單元的多孔性在單元中設置相等的流體阻力。對于全凝固的區(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，速度為真實流體流動速度；在糊狀區(qū)，動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)式中是液體分數(shù)；是一個小于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)是否準確是影響焊接過程數(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還是空白，已成為焊接過程數(shù)值模擬面臨的主要問題之一。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[54]：(Jkg-1)(Wm-1K-1)(10-3kgm-1s-1)其他物理參數(shù)如表3.1.符號物理名稱物理參數(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和傳熱是一個復雜的三維瞬態(tài)過程，其中很多問題都不能直接用模擬軟件解決。FLUENT雖然是一個很強大的模擬流體流動和傳熱的軟件，但作為一個通用型的商業(yè)軟件，在求解焊接熔池流體流動和傳熱這個具體問題時還是有很多不足，例如焊接熱源的移動問題、體積力源項的添加和材料的變物屬性等問題，都不能用標準的FLUENT模塊直接解決，因此需要對其進行二次開發(fā)，以適應求解焊接熔池流體和傳熱過程的需要。本文用UDF(User-DefinedFunction)對FLUENT進行二次開發(fā)，以其適用于對焊接熔池進行數(shù)值模擬。UDF是FLUENT軟件提供的一個用戶接口，用戶可以通過它與FLUENT模塊的進行內(nèi)部數(shù)據(jù)交流，從而解決一些標準的FLUENT模塊不能解決的問題。UDF程序采用C語言編寫，通過一些預定義宏與FLUENT模塊內(nèi)部進行數(shù)據(jù)交流。如下是添加移動熱源的一段程序如下，焊接的起焊點在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0Cr18Ni9Ti不銹鋼熔池進行數(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控制方程組中各個方程依次求解的過程。在分離求解器中，每一個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、傳熱及傳質(zhì)等因素，為解決速度和壓力的耦合問題而提出的流體力學計算方法[56]。SIMPLE算法的求解步驟：1)假定一個速度分布u0，v0和w0，由此計算動量離散方程中的系數(shù)及常數(shù)項；2)假定一個壓力場p0；3)依次求解動量方程，得到試算速度場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；6)利用改進后的速度場求解那些通過源項物性等與速度場耦合的變量，如該變量不影響流場，則應在速度場收斂后再求解；7)利用改進后的速度場重新計算動量離散方程的系數(shù)，并用改進后的壓力場作為下一層迭代計算的初值。重復上述步驟，直接獲得收斂的解。3.7本章小結(jié)(1)以FLUENT軟件為平臺，通過對其進行二次開發(fā)，以適應求解GTAW焊接過程的具體問題。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，再導入FLUENT進行計算求解。焊接過程中熔池的相變和熔池流體的紊流等問題通過設置熔化/凝固模型和紊流計算模型來解決。(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)動力源項、焊接熱源模型及熱源的移動通過FLUENTUDF程序的形式寫入計算方程，其中驅(qū)動力是以源項的形式加入，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GTAW焊三維熔池溫度場、流場及熔池形狀進行了數(shù)值模擬，并分析了不同焊接電流時熔池溫度場、流場及熔池形狀的情況。4.1熔池溫度場數(shù)值模擬結(jié)果利用所建模型，對運動電弧0Cr18Ni9Ti不銹鋼進行數(shù)值模擬，提取溫度場信息。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)、工件對稱面(xoz平面或y=0平面)、工件橫截面(yoz平面)不同時刻的溫度場分布情況，通過觀察不同截面溫度場的分布，可以把握整體的熔池溫度場分布情況和動態(tài)變化規(guī)律。圖4.1是不同時刻工件上表面溫度場及其等溫線分布情況，圖形的上半部分是溫度場分布云圖，圖形下半部分是對應的等溫線分布。剛開始焊接時，焊接的熱影響區(qū)域很小，溫度梯度很大；隨著時間的延長，溫度場的溫度逐漸升高，熱影響區(qū)域也迅速擴大，熔池后方等溫線分布逐漸被拉長，最后形成一個類似橢圓的分布，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較小。最終達到準穩(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，準穩(wěn)態(tài)時溫度場分布形狀不變，隨著熱源同步向前移動，熔池中最高溫度為1945K。t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=3s時溫度場分布圖t=5s時溫度場分布圖t=5s時溫度場分布圖t=10s時溫度場分布圖t=15s時溫度場分布圖t=20s時溫度場分布圖t=15s時溫度場分布圖t=20s時溫度場分布圖圖4.1工件上表面溫度場及其等溫線分布t=15s時溫度場分布圖t=20s時溫度場分布圖圖4.2是不同時刻工件橫截面溫度場及等溫線分布，圖形左半部分是溫度場分布云圖，圖形右半部分是相應的等溫線分布。剛開始焊接時熱量分布區(qū)域較小，等溫線密集，溫度梯度大；隨著焊接的繼續(xù)進行，熱影響區(qū)迅速擴大，溫度升高，但等溫線更稀疏，溫度梯度更小。t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=3s時溫度場分布圖t=3s時溫度場分布圖t=5s時溫度場分布圖t=5s時溫度場分布圖t=10s時溫度場分布圖t=10s時溫度場分布圖t=15s時溫度場分布圖t=15s時溫度場分布圖圖4.2工件橫截面溫度場及其等溫線分布圖4.3是不同時刻工件對稱面溫度場及其等溫線分布，因該面是對稱面，溫度場和等溫線不能像圖4.1、4.2那樣對稱顯示在圖中，所以對稱面上等溫線分布直接繪于溫度場中。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)進行，焊件溫度逐漸升高，熱量向四周傳遞，熱影響區(qū)擴大，溫度梯度逐漸減小。t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖t=1s時溫度場分布圖圖4.3工件對稱面溫度場及其等溫線分布4.2熔池流場數(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)、工件對稱面(xoz平面或y=0平面)、工件橫截面(yoz平面)熔池流場分布圖。圖4.4所示為不同時刻熔池上表面流場分布圖。熔池形成初期，熔池內(nèi)流場分布不穩(wěn)定，隨著時間的變化比較大。隨著焊接的繼續(xù)進行，熔池逐漸增大，流場區(qū)域也逐漸增大，流場分布趨于穩(wěn)定，流場內(nèi)在熱源中心附近有一個流動中心，流體由這個流動中心流向熔池四周，準穩(wěn)態(tài)時熔池流體的最大流速為0.095mt=3s時流場分布t=3s時流場分布t=5s時流場分布t=5s時流場分布t=8s時流場分布t=8s時流場分布t=12s時流場分布圖4.4熔池上表面流場分布t=12s時流場分布圖4.4熔池上表面流場分布t=12s時流場分布圖4.5是不同時刻工件橫截面熔池流場分布，熔池形成初期流場不穩(wěn)定，變化較大，隨著焊接的進行熔池流場逐漸趨于穩(wěn)定，熔池流體在熔池橫截面的流動形成一個環(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，形成的一個順時針的環(huán)流。這種環(huán)流會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時流場分布t=3s時流場分布t=5s時流場分布t=5s時流場分布t=8s時流場分布t=8s時流場分布t=12s時流場分布t=12s時流場分布圖4.5熔池橫截面流場分布圖4.6是不同時刻工件對稱面上熔池流場分布，在熔池對稱面上液態(tài)金屬流體形成二個環(huán)流，以流動中心為分界，在熔池前部形成一個順時針的環(huán)流，在熔池后部形成一個逆時針的環(huán)流。綜合熔池上表面、橫截面和對稱面可以得知熔池內(nèi)三維流場是以熔池內(nèi)的流動中心為中心，在上表面流體由該中心出發(fā)流向熔池邊緣，再從邊緣沿著熔池與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，形成一個環(huán)流，該環(huán)流對熔池形狀的塑造作用是形成一個寬而淺的熔池。t=3s時流場分布t=3s時流場分布t=5s時流場分布t=5s時流場分布t=8s時流場分布t=8s時流場分布t=12s時流場分布t=12s時流場分布圖4.6熔池對稱面流場分布4.3熔池形態(tài)的動態(tài)變化焊接工件液相線溫度為1723K，通過觀察溫度場中液相線隨時間的變化，可以觀察到整個熔池形狀的動態(tài)變化，將不同時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是運動電弧作用下熔池上表面形狀的動態(tài)變化，從左到右分別是6s、8s、10s、12s時刻的熔池圖像，剛開始時熔池形狀很小，隨著熱源的持續(xù)加熱熔池逐漸長大，最后到達準穩(wěn)態(tài)，熔池大小形狀相對穩(wěn)定不再發(fā)生改變。圖4.8為熔池橫截面形狀的動態(tài)變化，由于熔池關(guān)于xoz平面對稱，所以只顯示半個熔池的形狀，從內(nèi)到外分別是6s、8s、10s、12s時刻的熔池圖像，隨著時間的推移熔池寬度和深度逐漸增大，最終到達準穩(wěn)態(tài)，相對穩(wěn)定不再變化。圖4.9為對稱面熔池形狀的動態(tài)變化，從左到右分別是6s、8s、10s、12s時刻的熔池圖像，池熔隨著時間的增長而迅速增大，熔池在x方向的長度較長，但在z方向的深度較小，這主要是以表面張力為主的驅(qū)動力驅(qū)動流體流動，導致的流體對流傳熱對熔池形狀的塑造結(jié)果。到達準穩(wěn)態(tài)時，熔池的長度、寬度、深度分別為8.143mm、7mm、0.618mm。圖4.7熔池上表面形狀的動態(tài)變化圖4.7熔池上表面形狀的動態(tài)變化圖4.8熔池橫截面形狀的動態(tài)變化圖4.8熔池橫截面形狀的動態(tài)變化圖4.9熔池對稱面形狀的動態(tài)變化圖4.9熔池對稱面形狀的動態(tài)變化4.4焊接電流對熔池的影響4.4.1不同焊接電流時溫度場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熔池溫度場的影響。如圖4.10(a)、(b)、(c)分別是焊接電流為50A、60A、70A時達到準穩(wěn)態(tài)后熔池上表面溫度場分布，溫度場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不同焊接電流時熔池上表面溫度場分布4.4.2不同焊接電流時流場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熔池流場的影響。如圖4.11(a)、(b)、(c)分別是焊接電流為50A、60A、70A時達到準穩(wěn)態(tài)后熔池上表面流場分布，流場的流動方向都是從熔池中心附近流向熔池四周，但熔池流場區(qū)域隨著焊接電流的增加明顯增大，流場的流速也增加，三種情況下熔池流場的最大流速分別為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不同焊接電流時熔池上表面流場分布4.4.3不同焊接電流時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熔池形狀的影響。如圖4.12是焊接電流為50A、60A、70A時達到準穩(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不同焊接電流時熔池形狀表4.1不同焊接電流時熔池的幾何參數(shù)表4.1不同焊接電流時熔池的幾何參數(shù)電流熔池長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GTAW焊熔池行為進行了數(shù)值模擬，主要得出以下結(jié)論：(1)對電流為50A時熔池上表面、橫截面和對稱面的溫度場進行了分析，溫度場影響區(qū)域隨著時間增加逐漸增大；溫度逐漸升高，準穩(wěn)態(tài)時熔池溫度場中最高溫度為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)對電流為50A時熔池上表面、橫截面和對稱面的流場進行了分析，流場區(qū)域隨著時間增加逐漸增大；流場分布中存在一個流動中心，準穩(wěn)態(tài)時，在熔池上表面流體由這個流動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，再由熔池底在流動中心附近流向熔池表面，形成一個環(huán)流，熔池中的最大流速為0.095mm/s；該環(huán)流的對熔池形狀的塑造作用是形成一個寬而淺的熔池。(3)對電流為50A時熔池上表面、橫截面和對稱面的熔池形狀進行了分析，熔池形狀尺寸隨著時間增加逐漸增大；綜合三個截面的情況進行分析可得熔池是寬而淺的形狀，這是由于驅(qū)動力驅(qū)使的流體對流傳熱對熔池的塑造作用，準穩(wěn)態(tài)時，熔池長、寬、深分別為8.143mm、7mm、0.618mm。(4)對不同焊接電流情況下的熔池進行了分析。對焊接電流分別為50A、60A、70A時熔池溫度場、流場、形狀進行分析。熔池溫度場總體分布變化不大，但熔池溫度隨著電流的增加而增大，分別為1945K、2024K和2088K；熔池流場的流向變化不大，但流場區(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焊熔池的視覺檢測5.1熔池視覺檢測視覺檢測技術(shù)是一種利用視覺傳感器模擬人的視覺功能實現(xiàn)對被測物體的尺寸及空間位置的三維非接觸測量。焊接過程的視覺檢測一般利用光譜中的可見光波段，采用CCD對焊接區(qū)域成像，并將圖像傳送到計算機，對其進行數(shù)字圖像處理，提取我們感興趣的信息。焊接過程的視覺傳感作為焊接過程傳感技術(shù)中的一種，與其他傳感方法相比，視覺傳感具有可靠性強、信息豐富、靈敏度、測量精度高和動態(tài)響應特性好等優(yōu)點；這種檢測方法是直接對焊接過程熔化金屬的動態(tài)行為進行檢測，因其不與焊接回路接觸，可以避免對焊接過程產(chǎn)生影響。根據(jù)視覺檢測系統(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，可將視覺檢測分為主動式和被動式兩大類[57]。主動視覺傳感檢測方法是采用外加激光等輔助光源對焊接區(qū)域進行照明，抑制焊接弧光對熔池信息傳感的干擾，以熔池對該輔助光的反射光作為信號的一種視覺傳感方式；被動視覺傳感檢測是指利用熔池自身的輻射或熔池對電弧的反射光作為信號源，對焊接熔池區(qū)域進行信息檢測的一種視覺傳感方式。本文采用主動視覺傳感的方式對GTAW焊熔池進行檢測。5.2試驗系統(tǒng)5.2.1試驗系統(tǒng)構(gòu)成及原理圖5.1所示是本課題組研制的GTAW焊接熔池視覺檢測系統(tǒng)示意圖。包括光學系統(tǒng),圖像采集系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)三部分。光學系統(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平臺；圖像采集系統(tǒng)主要有CCD、圖像采集卡和計算機構(gòu)成，對熔池圖像進行實時的采集；焊接系統(tǒng)主要有GTAW焊機、自制的焊接平臺、帶動焊接平臺移動的步進電機。利用所建的試驗系統(tǒng)在0Cr18Ni9不銹鋼平板上進行連續(xù)電流GTAW焊試驗。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電機132圖5.1焊接熔池視覺檢測系統(tǒng)示意圖1激光器；2擴束、準直系統(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計算機45698710主動視覺檢測系統(tǒng)中，元件1激光器、2擴束、準直系統(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)過擴束、準直系統(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，會發(fā)生一定的變形，形成變形的光柵條紋；光柵條紋通過4f系統(tǒng)成像在毛玻璃上，用CCD對毛玻璃進行拍攝，獲取熔池圖像，所獲圖像通過圖像采集卡傳給計算機，再用計算機對圖像進行一定的圖像處理，提取我們所需要的熔池信息，實現(xiàn)焊接熔池的視覺檢測。利用該檢測系統(tǒng)可以對焊接熔池進行二維或三維的檢測，因為變形的光柵條紋包含有熔池表面的高度信息5.2.2試驗系統(tǒng)的設計設計該視覺檢測系統(tǒng)的基本思想是利用主動光源(激光)照明熔池，抑制焊接過程電弧光的干擾，以熔池對激光的反射光作為信號源，獲取熔池圖像，提取熔池信息。因此系統(tǒng)在實現(xiàn)焊接熔池檢測時需要能有效的抑制焊接過程的弧光干擾，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視覺檢測中，焊接過程中產(chǎn)生的強烈的電弧光嚴重的干擾了CCD的拍攝效果，怎樣有效的減少電弧光的干擾，是焊接熔池主動視覺檢測的一個重點。因此很多研究人員都對焊接過程中的電弧光進行過研究[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3mm情況下低碳鋼的GTAW焊中電弧光光譜分布中，600nm-700nm波長范圍內(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為650nm的激光作為檢測系統(tǒng)的主動光源照明熔池；選用中心波長650nm，帶寬為±10nm的窄帶濾光片進行窄帶濾光，再另加中性減光片對光強進行衰減。這樣就在電弧光光譜能量較低的波長范圍開了一個只有±10nm的窗口，允許作為信號的激光信號通過，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，其中二個透鏡L1、L2分別起著變換和成像的作