GTAW焊熔池形态的数值模拟及视觉检测

摘要随着焊接产品质量要求的不断提高，发展焊接自动化和智能化已成为必然趋势，而其核心问题是实现对焊接熔池动态过程的自动控制，通过理论或实验的手段获取熔池的动态信息，具有非常重要的实际意义。本文分别利用数值模拟技术和视觉检测技术对GTAW焊熔池进行数值模拟和视觉检测，从理论上和实验上对GTAW焊熔池进行研究。熔池的数值模拟过程建立了GTAW焊熔池的三维瞬态数值分析模型，模型中充分考虑熔池液态金属对流传热和熔池外工件的固态导热；焊接过程中的相变潜热；熔池流体的紊流特性；材料的热物理性能参数随温度变化等因素。焊接过程的电弧热源模型采用双椭圆热流分布模型，该热源模型有利于改善计算熔池的形态，提高熔池的计算精度。用FLUENT软件对所建熔池的数值分析模型进行求解，提取熔池温度场、流场及熔池形态等结果信息并进行分析，还分析了不同焊接电流情况下的熔池的动态行为。熔池的视觉检测过程是利用主动视觉传感系统对焊接熔池进行拍摄，以小功率半导体激光器作为系统主动光源，采用投影光栅条纹的方式照明熔池，用窄带滤波和4f系统空间滤波相结合的方法抑制电弧光的干扰，CCD通过4f系统对熔池进行拍摄，拍摄出了清晰的熔池图像。再通过图像处理成功地提取了熔池形状及形状参数对GTAW焊熔池进行数值模拟和视觉检测结果的对比分析，结果显示二者数据吻合良好，相对的误差值在允许误差以内，可以为焊接过程的进一步研究提供可靠的实验数据和理论依据。关键词：GTAW焊；温度场；流场；熔池形态；数值模型；视觉检测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目录TOC\o"1-4"\h\z\u第一章绪论 11.1研究背景及意义 11.2焊接熔池数值模拟的进展 21.3常用的数值模拟软件 41.4焊接熔池视觉检测的研究现状和进展 51.5本文主要研究内容 7第二章GTAW焊熔池的数值分析模型 82.1模型的建立 82.2熔池的控制方程组 92.3熔池流体流动驱动力分析 102.3.1浮力 102.3.2电磁力 112.3.3表面张力 112.4控制方程的定解条件 122.4.1初始条件 122.4.2边界条件 12热量边界条件 12动量边界条件 142.5本章小结 14第三章焊接熔池数值模型的求解 163.1FLUENT软件相关知识 163.1.1FLUENT软件简介 163.1.2FLUENT软件的程序结构 163.1.3用FLUENT求解一般问题的步骤 173.2几何模型的建立及网格的划分 183.3计算模型的确定 193.3.1紊流模型 193.3.2熔化/凝固模型 193.4材料的热物性能参数 203.5软件的UDF编程 223.6方程的求解策略 233.7本章小结 24第四章熔池的数值模拟结果 254.1熔池温度场数值模拟结果 254.2熔池流场数值模拟结果 284.3熔池形态的动态变化 324.4焊接电流对熔池的影响 334.4.1不同焊接电流时温度场分布 334.4.2不同焊接电流时流场分布 344.4.3不同焊接电流时熔池形状的变化 354.5本章小结 36第五章GTAW焊熔池的视觉检测 385.1熔池视觉检测 385.2试验系统 385.2.1试验系统构成及原理 385.2.2试验系统的设计 39窄带滤波系统 404f系统 40激光投影角度和CCD拍摄角度 425.3熔池图像的获取 435.4熔池图像的处理 445.4.1图像滤波 455.4.2图像增强 455.4.3图像的边缘提取 465.5熔池几何参数的提取及对比分析 475.6本章小结 49结论 50致谢 51参考文献 52攻读硕士学位期间的研究成果 56第一章绪论1.1研究背景及意义随着现代工业的发展，焊接技术在工业生产中的应用已越来越广泛，如造船、航空航天、冶金建筑等诸多领域。对焊接质量的要求也越来越高，如焊缝成形和焊接接头性能等。因此很多研究人员都对焊接过程展开了广泛而又深入的研究[1-2]，对焊接过程的研究主要可分为数值模拟和实验研究。焊接过程的数值模拟是把焊接技术和计算机技术结合起来的一门技术，近年来随着计算机技术和数值算法的发展，通过建立焊接过程的数值模型，给定模型的定解条件，计算出焊接过程中的一些信息，通过这些信息优化焊接参数和条件，以获得成形好的焊缝和高性能的焊接接头等。因为焊接过程的数值模拟比传统的焊接实验更省时省力，而且可以模拟一些实验很难测得的数据或结果，所以得到了很大的发展。目前焊接数值模拟已遍及了焊接过程的很多领域，如：（1）焊接热传导分析；（2）焊接熔池流体流动分析；（3）焊接应力应变分析；（4）焊接接头力学行为分析；（5）焊接冶金和焊接接头组织性能预测等。焊接过程数值模拟的发展对研究焊接过程有着积极的推动作用，是今后焊接发展的一个重要方向[3]。但目前也尚存一些问题：如材料的热物性数据不足、热源分布参数的确定、电弧功率有效系数和焊接熔池的处理等。本文通过修正热源分布模型、设置焊接熔池流体的紊流特性，对焊接熔池进行数值模拟，研究熔池热场、流场、形态等过程，有助于节约实验资源，有助于人们理解焊接过程的物理实质，有助于提高焊接质量和实现自动化焊接等。随着现代焊接工艺的发展，焊接过程的检测技术已变得越来越重要，焊接过程的检测技术是实现焊接自动化和智能化的关键技术之一[4]，焊接过程的自动化和智能化等现在焊接工艺技术的发展都离不开传感系统对焊接过程参数和焊接质量参数的实时检测。传统的检测方法有很多种，如力、声、热、电、光学检测方法[5]，但光学检测(视觉检测)方法因为具有不接触、非惯性及信息量大、可靠性强，可以直接摄取熔池区图像，直接反映焊接过程熔化金属的动态行为等优点，所以得到了越来越广泛的应用。目前视觉检测技术已经在焊缝跟踪、焊接熔透、熔宽、熔池行为、熔滴的过度形态、温度场监控等领域得到了广泛的应用，焊接过程的视觉检测对提高焊接质量和实现对焊接过程的控制都起着很重要的作用。因此，利用数值模拟技术和视觉检测技术对GTAW焊接熔池进行研究，具有重要的理论和实际意义。本课题来源于导师的课题，得到国家自然科学基金(50565003)“复合光学空间滤波的MIG焊熔池三维面形传感研究”的资助。1.2焊接熔池数值模拟的进展焊接过程的理论计算开始于上世纪四十年代。D.Rosenthal[6]，H·H·雷卡林[7]等对焊接热过程的解析做了许多工作并形成系统理论。但由于他们的研究所做假设与实际情况差异较大，导致在熔池区域的计算结果与实际结果相差很大。后来许多研究人员[8-9]都在D.Rosenthal和H·H·雷卡林的基础上对焊接热过程进行了研究。Adames、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量实验为基础，根据传热学理论，经过整理、归纳和验证，建立了不同情况下的焊接传热方程。但实验的工作量大，又有确定的应用条件和范围，且可靠性取决于测试手段的速度[3]，因此还是存在一定的缺陷。T.Kasuya[10]等对分布于工件内部的热源、有限尺寸的表面线状热源以及局部预热等情况进行了解析，提高了解析方法的精度。随着计算机技术和计算方法的发展，推动了焊接过程的数值模拟技术的发展，焊接热过程的数值分析始于上世纪七十年代。加拿大的Z.Plaey[11]用有限差分法编制了可以分析非矩形截面、单层、双层U型、V型坡口的焊接传热程序，采用半经验法处理热源，材料热物参数与温度有关，取得了与实际比较接近的计算结果。美国的G.W.Krutzy[12]的博士论文中用有限元法建立了二维焊接温度场的计算模型并考虑了相变潜热，导热系数和比热为温度的函数，工件对周围环境的对流和辐射传热等。S.Kou[13]建立了模拟厚板钨极氢弧焊和等离子弧堆焊的准稳态三维热场有限差分计算模型。考虑了材料的热物性能参数是温度的函数，热源的大小和分布，材料的熔化潜热等。解决了热源分布、材料热物理性能的非线性等问题。国内西安交通大学唐慕尧[14]等人于1981年编制了有限元热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与实验值吻合较好。随后上海交通大学的陈楚[15]等人对非线性的热传导问题进行了分析，建立了焊接温度场的计算模型，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析。并在脉冲TIG焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析。汪建华[16-17]等与日本大阪大学合作对三维焊接温度场进行了研究，研究了焊接温度场的特点和提高计算精度的方法，蔡洪能[18]等人建立了运动电弧双椭圆热源分布模型，并在此基础上研制了三维瞬态非线性热传导的有限元程序。上述的工作都是把液态熔池区域和熔池外固态区域一起视为固体，忽略了液态熔池金属流体对传热过程的影响，没有考虑焊接熔池内部液态金属的对流传热的特性，这就导致了计算存在一定的误差。近年来，随着计算机和数值计算的发展，为焊接过程的数值模拟的进一步发展提供了条件，有可能摒弃以前计算模型中的许多不合理假设，把更多切合实际的条件加到模型中去，如考虑液态金属对流传热、移动热源、复杂边界等，使计算结果更加准确。有关于焊接熔池流体对流传热的研究起始于70年代末，V.Parelic和K.Masubuchi等曾分别提出利用熔池边界作为一个内部条件，通过在热影响区中求解固体导热方程来计算焊接温度的方法，但其成功与否的关键取决于熔合面方程本身的精度。然而，影响焊接熔池形状的因素很复杂，包括表面张力、电磁力、自然对流等，许多学者对此进行了研究[19]。C.R.Heiple[20-21]指出，由于在焊接熔池内部存在很大的温度梯度，所以熔池表面上存在表面张力梯度，驱动流体流动。Oreper和Szekely首先对定点GTA焊接熔池流体流动和传热进行了详细的数值研究，首次考虑了表面张力在对流中的作用，提出了焊接熔池流体受熔池表面张力、电磁力、浮力的联合驱动。结果分析表明，流体对流传热对确定熔池温度场分布、焊缝结晶过程和熔池形状等都有明显的影响[22]。Romanan等[23]在对定点电弧焊数值模拟技术的改进和计算网格的精细划分等方面做了很多工作。S.Kou首次对GTA焊接熔池流场和热场的三维数值模拟进行了研究，模型中所用的热流、电流分布参数和电弧热效率都是通过实验测得，并在准静态的条件下进一步分析了熔池对流的影响，还提出了熔池对流对气孔和偏析形成过程的影响[24]。武传松[25-26]建立了运动电弧三维TIG焊熔池流体流动及传热模型，模型中采用高斯热源，考虑熔池液态金属对流传热和熔池外工件的固体导热、材料热物参数随温度变化和工件表面的对流和辐射传热，熔池流体的驱动力有由于熔池中温度场分布不均匀而产生的浮力；由于表面存在温度梯度而引起的熔池表面张力和熔接电流进入熔池中与其自感应磁场发生相互作用而产生的电磁力。曹振宁[27]等建立了三维TIG焊接熔池流场和热场的准稳态数值模型，推导出了熔池熔透情况下的TIG焊接熔池上表面和下表面的变形方程，建立了TIG焊接熔透熔池流场与热场的数值分析模型，克服了TIG焊熔池流场与热场模型不能处理熔透情况的局限性。郑炜[28]等分析了电弧脉冲TIG焊接熔池的流体流动与传热，建立了一套适合于该模型的非稳态、非线性、多区域特点的数值模拟方法，采用附加源项法处理边界条件，SLMPLEC算法处理流场的速度与压力耦合。总之，近年来对焊接过程的数值模拟取得了很大的发展，计算模型也从只考虑固体导热发展为考虑熔池流体对流传热和熔池外工件固体导热、从固定电弧发展为运动电弧、从二维模型发展为三维模型、从静态发展为瞬态。焊接过程的数值模拟越来越接近焊接过程的实际情况，将对焊接技术的进一步发展产生重要的推动作用。1.3常用的数值模拟软件用数值模拟技术对焊接熔池行为进行数值求解，已成为焊接过程研究的一个重要领域。对焊接过程的数值研究，一般有自编程序和使用商业软件二种途径。早期对焊接熔池流场和热场进行数值模拟一般采用个人自编程进行研究，具有针对性强、简洁灵活等特点。后来随着计算机技术的飞展，商业软件逐渐出现，商业软件具有通用性强、应用领域广、带有同其他软件的接口及前后处理等优点。因此很多研究者都采用商业软件对焊接过程进行数值模拟研究。目前在焊接领域常用的商业软件有FLUENT、ANSYS、PHOENICS等。1FLUENTFLUENT软件是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，由FLUENT公司于1983年首次推出。可以求解涉及流体、热传递及化学反应等方面的问题。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达到最佳的收敛速度和求解精度。FLUENT具有丰富的物理模型、先进的数值求解方法及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。因其在流体、传热方面的良好表现，可以比较方便地应用于焊接熔池流场和热场方面的数值模型[29-30]。2ANSYSANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件。功能强大，涉及范围广，是融结构、流体、传热、电磁、声学于一体的有限元分析软件。在石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS具有强大的耦合处理功能。用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以在同一模型上进行这些类型的相互耦合的研究。例如：热-结构耦合，电-磁-流体-热耦合等。另外还具有智能分网、并行运算和强大的非线性分析等能力。因此广泛应用于焊接过程的温度场模拟、应力应变分析和焊接接头性能分析等领域[31-32]。3PHOENICSPHOENICS是ParabolicHyperbolicOrEllipticNumericalIntegrationCodeSeries的缩写。它是CHAM公司开发的产品，于1981年首次公开发行，是第一个最早投放市场的计算流体力学领域的通用商业软件。PHOENICS具有强大的前后处理能力、编程能力和独特的边界条件处理方法等特点，使研究工件者既可以摆脱繁琐的编程、集中于本学科理论研究，又可以根据自身特点对PHOENICS进行二次开发。具有经济性好、简单灵活、计算和绘图系统合一等优点。PHOENICS在焊接熔池流体流动与传热的数值模拟方面有广泛的应用[24,33]。另外还有SYSWELD、ANSYS-CFX等商业软件也较适宜用于焊接过程的数值模拟。但商用性软件通常针对范围广，不适合直接拿来对某一领域的具体问题进行处理。因此需要选择合适商用软件，对其进行合理二次开发，才能适合对较具体的专业问题进行处理和研究。1.4焊接熔池视觉检测的研究现状和进展焊接过程传感技术是实现焊接过程控制的关键环节，熔池的视觉传感是焊接过程传感的重要组成部分。视觉传感方法是利用视觉传感器对焊接质量信息进行检测，可以直接摄取熔池区的图像，具有不接触，非惯性及信息量大，可直接反映焊接过程熔化金属的动态行为等优点，被广泛应用于焊接过程的检测及研究。视觉传感根据有无辅助光源，可分为主动视觉传感和被动视觉传感两大类。主动视觉传感是指利用外加光源照亮光源，利用熔池对主动光源的反射光作为信号的一种视觉传感方式。被动视觉传感是指利用熔池液态金属辐射或熔池对电弧的反射光作为信号源的一种传感方式。肖强[34]通过对弧光光谱的分析，认为能够在电弧光谱线中开一个窗口，利用窄带滤光滤除弧光干扰，拍摄熔池图像。以低碳钢氩弧焊为研究对象，选取406.4±2nm为滤波窗口；以低碳钢CO2气体保护焊为研究对象，选取601±2nm为滤波窗口。据此建立焊缝跟踪系统，取得了很好的效果。娄亚军[35]利用选择窄带滤波窗口和降低焊接电流相结合的方法对熔池进行传感。利用脉冲GTAW焊基值期间焊接电流较小，弧光较弱的特点，用中心波长为661nm，半宽为10nm的窄带滤光系统对熔池图像进行拍摄，获得了浅析的熔池图像，并用于脉冲TIG焊熔宽的实时检测和控制。李克海[36]利用中心波长610nm，带宽20nm的窄带复合滤光系统和廉价的CCD对脉冲TIG焊熔池几何参数进行了视觉检测。通过控制计算机同步采样小电流时的熔池图像，有效地减小了弧光的干扰，获取熔池图像，提取了熔池的几何参数。赵冬斌[37]首次将三维计算机视觉中的阴影恢复法引入到熔池表面信息的提取上。通过对实际情况的分析，提出了符合成像条件的通用反射图方程和求解算法，再通过引入灰度加权、表面光滑约束和边界条件，建立了熔池表面反射模型，由单幅图恢复了熔池表面高度信息。张裕明和R.Kovacevic[38-39]等人用脉冲频闪技术拍摄了焊接熔池图像。该激光峰值功率为70kw，当激光达到峰值照射熔池时，摄像机同步采集脉冲激光时的熔池图像。可以获取清晰的熔池图像，通过图像处理可获取熔池的形状参数。但该装置价格昂贵，灵活性差，不利于广泛应用。另外他们还提出了一种熔池三维形状视觉检测方法[40-42]，让脉冲激光通过毛玻璃和光栅照亮熔池，采集熔池表面变形的光栅条纹。通过对图像进行分析，针对熔池不同区域的特点使用不同图像处理算法提取了熔池边缘和光栅条纹；通过提出的成像模型，根据镜面反射原理，利用一种迭代算法，计算出了熔池表面三维形状。随着计算机视觉传感技术的发展，利用视觉传感器观察焊接熔池，通过图像处理技术和图像标定获取熔池的几何形状信息，对焊接质量进行控制，已成为焊接过程控制和焊接技术发展的重要研究方向。1.5本文主要研究内容本文采用数值模拟与视觉检测实验相结合的方法，对GTAW焊接熔池行为进行研究。主要研究内容如下：(1)建立运动电弧GTAW焊熔池流体流动与传热的三维瞬态数值分析模型。模型中综合考虑熔池内流体对流传热和熔池外工件固体导热、熔池流体的紊流流动、材料热物理性能参数随温度变化等特性。电弧的热源采用双椭圆热流分布模型，通过完善热源模型的相关参数改进熔池数值计算的精度。(2)基于FLUENT软件平台，通过对其进行二次开发，对焊接熔池模型进行求解。并定量地分析了焊接熔池温度场、流场、熔池形态的求解结果，提取熔池形状几何参数，为焊接实验提供数据参考。(3)应用主动视觉检测系统对GTAW焊熔池进行视觉检测，以激光作为主动光源投影光栅条纹照亮熔池，通过窄带滤波和4f系统空间滤波相结合的方法滤除弧光的干扰，用CCD拍摄出(4)对摄取的熔池图形进行数字图像处理，提取熔池形状及熔池形状几何参数。并将视觉检测提取的结果与数值模拟提取的结果进行了对比分析。第二章GTAW焊熔池的数值分析模型焊接是一个瞬时的、极不均匀的物理化学冶金过程，涉及到电弧、传热传质、和熔滴过程等复杂过程。定量地研究焊接是一个非常复杂的工作，通过对焊接过程中的物理现象进行分析，在一定简化假设的基础上用数学方法描述这些物理现象，建立可靠的数学模型，对焊接过程的数值研究具有重要的意义。本章的主要任务基于流体力学和传热学基本原理，根据焊接过程的实际情况，建立三维瞬态GTAW焊熔池流体流动和传热的控制方程组，并给出熔池的驱动力分析和方程的定解条件，确定熔池的数值分析模型。2.1模型的建立图2.1是运动电弧GTAW焊接过程示意图。工件处于水平位置不动，焊枪以u0的速度沿x轴匀速运动。这与我们的焊接实验中焊枪不动，步进电机带动工件运动是等效的。引弧后，焊接电弧将热量传至工件，电弧下工件温度迅速升高，熔化形成熔池。熔池前部输入的热量大于散失的热量，工件不断熔化；熔池后部输入的热量小于散失的热量，工件发生凝固，熔池就随着电弧热源一起移动。当电弧输入工件的热量与工件向周围环境散失的热量相等时，熔池大小相对稳定，随电弧运动方向同步移动。熔池达到宏观的“准稳态”。根据GTAW焊实际情况，为简化计算作如下假设：(1)焊接过程中，熔池和电弧关于xoz(y=0)平面对称；(2)熔池中液态金属为不可压缩、紊流流体，流动主要受表面张力、电磁力、浮力驱动；(3)电弧的热流分布呈双椭圆分布；(4)熔池的自由表面为平面，当TIG焊接电流小于220A时，这一假设是合理的[43-44]。uu0Oxyz图2.1三维GTAW焊示意图工件熔池电弧焊枪2.2熔池的控制方程组流体流动与传热通常遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，焊接过程的熔池流体流动与传热也是如此。如图2.1所示，坐标系固定在工件上不动，GTAW焊熔池行为的控制方程的在直角坐标系中的描述如下：连续性方程：(2-1)动量守恒方程：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分别表示x、y、z方向的流体速度分量；为金属的密度；为比热；为导热系数；为液态金属的动力粘度系数；S为能量方程源项；T为温度；t为时间；p为流体内压力；X、Y、Z分别为体积力在x、y、z方向上的分量。在焊接过程中，由于电弧对工件的局部加热，工件上热量分布不均将存在三个相区，熔化为液态金属的液相区；界于液态和固态之间处于熔融状态的糊状区和仍处于固态的固相区。控制方程组的求解区域是整个工件区域，在液相区，液态熔池的传热包括对流传热和导热，熔池流体的运动不受影响；在糊状区域，引入热焓-多孔性技术对糊状区域进行处理；在固相区域，固体将被看成粘性非常大的流体，其粘性大到足以阻止其发生流动，能量方程在固相区域也将退化为一个纯导热方程。2.3熔池流体流动驱动力分析焊接工件在受电弧加热后熔化形成熔池，熔池流体在浮力、电磁力、表面张力的作用下产生流体对流，影响熔池的流场、热场分布和焊后的结晶。其中浮力和电磁力属于体积力，作用于整个计算区域，以方程源项的形式加入动量方程；表面张力属于表面力，以边界条件的形式加入方程。2.3.1浮力在焊接电弧的加热作用下，熔池内温度分布很不均匀，在熔池中形成较大的温度梯度，这种温度梯度导致熔池内流体密度分布不均匀。温度高的地方流体密度较小，温度低的地方流体密度较大。这种密度的梯度打破了金属流体静力平衡，驱动流体流动，即浮力作用下的流体流动。浮力的处理方法有二种：一是视流体的密度是温度的函数，熔池各区域由于温度分布不均而导致密度分布不均，从而产生浮力作用下的流体对流；二是采用Boussinesq近似，忽略熔池中流体密度的变化，用浮力计算公式计算浮力的大小，Boussinesq近似浮力的表达式如下：(2-6)式中为熔池液态金属密度；g为重力加速度；为熔池液态金属的体积膨胀系数；为熔池金属的液相线温度。2.3.2电磁力焊接电流由电极斑点进入焊接熔池，再由熔池区域向工件的各个方向发散传播。熔池中发散的电流与其自感应磁场之间发生相互作用，产生电磁力[45]：(2-7)(2-8)(2-9)式中为真空磁导率；I为焊接电流；为焊接电流分布参数；L为工件厚度；为焊接速度；t为焊接时间；。如图2.1所示直角坐标系中，在焊枪正下方x=u0t，y=0，因此r=0。而上述式子中r出现在了分母的位置，所以需要对其在r=0时进行求极值处理，则r=0时电磁力为：(2-10)(2-11)(2-12)2.3.3表面张力液体表面存在表面张力，当焊接工件受热熔化后，在液态熔池表面会形成表面张力。焊接熔池的表面张力是温度的函数，由于熔池自由表面温度分布不均，导致熔池表面各处张力不平衡，产生表面张力梯度，驱动流体对流，表面张力梯度驱动流体对流的现象又称Marangoni对流。表面张力梯度的大小与方向取决于表面的温度梯度和表面张力对温度的关系。有研究表明，表面张力是熔池流体流动的主要驱动力[46]。在熔池表面，表面张力梯度和流体的剪切力相平衡。(2-13)(2-14)式中为液态金属的粘度系数，为表面张力温度系数。2.4控制方程的定解条件对GTAW焊进行数值模拟，必须求解上述的控制方程组，控制方程的求解区域包括整个工件区域，焊接熔池流体流动及传热过程是一个三维瞬态过程，因此需要给出相应的初始条件和边界条件。2.4.1初始条件将引弧的时刻作为初始时刻，此时工件尚未被加热，工件处于室温，即：(2-15)式中T为工件温度；T0为环境温度工件没有被加热，仍处于固态，速度为0，即：u=v=w=0(2-16)2.4.2边界条件边界条件是指工件在几何边界上与周围介质的发生相互作用规律。控制方程的求解区域为整个工件区域，本文所取工件模型关于y=0平面对称，所以需给出对称表面和其余表面相应的边界条件。热量边界条件焊接过程中，焊接电弧通过工件上一定的作用面积把热量传递给工件，这个作用面积叫做加热斑点。因此焊接电弧热源应是一具有一定分布的热源，一般情况下稳定燃烧的电弧热源分布不随时间变化，通常用高斯分布来描述GTAW焊的电弧热源分布[47-48]：，(r<)(2-17)式中为电弧功率的有效系数；I为焊接电流；U为焊接电压；为电弧热流分布参数。一般情况下电弧热源采用高斯分布形式，但高斯热源分布计算出来的熔池后拖不足，形状扁圆，与实际的焊接熔池情况不同[49]，因此需要对电弧热源进行改进。较常用的热源模型还有双椭圆热源、双峰热源、锥体热源、复合热源等热源分布模型。双椭圆热源模型由A.Goladk[50]提出，采用双椭圆热源模型对GTAW焊熔池进行模拟，通过完善热源分布模式中有关参数的取值，以解决熔池尾部后拖不足、形状扁圆等的问题。双椭圆热源模型分布如下：，(x-u0t)≥0(2-18)，(x-u0t)＜0(2-19)式中a，b1，b2为焊接热源分布参数，它们和热流分布有关：(2-20)图2.2双椭圆热源模型热流分布示意图图2.2双椭圆热源模型热流分布示意图工件关于y=0平面对称，在对称面为绝热边界条件：(2-21)在工件的其他表面，由于工件温度与周围环境温度存在着差异，工件与周围环境之间存在着对流换热。用下式表示：(2-22)式中为导热系数；n为表面法线方向；hc为对流换热系数。动量边界条件熔池形成以后，在熔池的自由表面，表面张力梯度与流体的粘性剪切力相平衡，熔池自由表面动量边界条件为：(2-23)(2-24)w=0(2-25)工件的对称面(y=0平面)两侧物质交换为零，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分别为x、y、z方向的速度分量；为表面张力温度系数。2.5本章小结(1)根据GTAW焊的实际情况，在流体力学和传热学的基础上，建立了GTAW焊熔池三维流体流动与传热的数值分析模型，包括流体的控制方程组、定解条件和驱动力分析，控制方程组包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。模型中的传热考虑熔池内流体的对流传热和熔池外工件的固体导热，熔池流体的流动考虑其紊流特性。(2)对上述模型和焊接过程的实际情况进行分析，确定驱动熔池流体流动的驱动力情况及控制方程的定解条件，流体的驱动力主要有熔池的表面张力、电磁力和浮力，方程的定解条件有初始条件和边界条件，边界条件主要可分为热量边界条件和动量边界条件。(3)焊接过程中的电弧热源没有采用常用的高斯热源模型，而是采用通过修正了的双椭圆热源分布模型。双椭圆热源模型更符合运动电弧GTAW焊的实际情况，有利于改善熔池的计算精度。第三章焊接熔池数值模型的求解本章将针对GTAW焊数值求解中的具体问题，如热源的添加、源项的添加和材料的变物属性等问题进行阐述和分析，解决具体求解过程中的问题，并用FLUENT软件对所建数值分析模型进行求解。3.1FLUENT软件相关知识3.1.1FLUENT软件简介FLUENT软件是FLUENT公司于1983年首次推出的用于计算流体流动和传热问题的CFD软件包。在商用CFD市场占有比较高的市场份额，是比较流行的CFD软件。被广泛应用于航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮设计等方面。FLUENT软件的设计是基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，提高解决复杂流动计算问题的效率。FLUENT开发了适用于各个领域的流动模拟软件，用于模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他物理现象，各模拟软件都采用统一的网格生成技术和共同的图形界面，它们之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户使用[51]。3.1.2FLUENT软件的程序结构FLUENT软件是一个CFD软件包，主要包括以下几个组成部分[52]：(1)GAMBIT——用于建立几何结构和网格生成。(2)FLUENT——用于进行流动模拟计算的求解器。(3)prePDF——用于模拟PDP燃烧过程。(4)TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。(5)Filter——转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。图3.1是利用FLUENT软件进行流体流动与传热的计算流程图。首先利用GAMBIT进行几何建模、网格划分和边界条件类型设定，再输入到FLUENT求解器进行计算，并做计算结果的后处理。GAMBITGAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其他软件包，如CAD，CAE等FLUENT网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理prePDFPDF查表TGrid2D三角网格3D四面体网格2D和3D混合网格几何形状或网格2D或3D网格PDF程序边界和（或）体网格边界网格网格图3.1FLUENT模拟计算流程图3.1.3用FLUENT求解一般问题的步骤利用FLUENT软件进行数值求解的一般步骤如下：(1)确定几何形状，生成计算网格(用GAMBIT前处理软件生成，也可以读入其他指定程序生成的网格)。(2)输入并检查网格。(3)选择求解器(2D或3D等)。(4)选择求解的方程：层流紊流(或无粘流)，化学组分或化学反应，传热模型等，确定其他需要的模型，如风扇，多孔介质模型等。(5)确定流体的材料物性。(6)确定边界类型及边界条件。(7)条件计算控制参数。(8)流场初始化。(9)求解计算。(10)保存结果，进行后处理等。3.2几何模型的建立及网格的划分用GAMBIT软件对工件进行几何建模和划分网格。GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力,既可以在GAMBIT内直接建立点、线、面、体几何，也可以从主流的CAD/CAE系统导入几何模型和网格。GAMBIT具有灵活方便的几何修正功能，当从接口中导入几何模型时会自动的合并重合的点、线、面；GAMBIT在保证原始几何精度的基础上通过虚拟几何自动缝合小缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划分的需要。GAMBIT是功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域直接划分出高质量的六面体网格。一般来说，计算网格划分的好坏对计算的收敛性、计算的效率以及计算的精度都有重要的影响。计算网格划分的越小，计算精度就越高，计算机计算的速度就越慢。计算网格划分的过大，就直接影响到计算的收敛性和计算的精度，因此，应根据具体问题的需要选择合理的网格大小和分布。焊接过程中工件上存在很大的温度梯度，尤其在电弧附近，温度梯度大，熔化金属流体流动复杂，因此在焊缝附近网格需要划分的精细一些；在远离焊缝区域温度梯度小，工件为固态，没有复杂的流体流动，因此网格可以划分的相对较粗一些。这样就可以在提高了计算精度的同时兼顾了计算效率。本文工件实际尺寸为100mm×40mm×2mm，由于工件关于y=0平面对称，建模、分网时都只取其尺寸的一半，对应的网格尺寸为100mm×20mm×2mm，对应网格数为150×40图3.2焊接工件网格示意图图3.2焊接工件网格示意图3.3计算模型的确定GTAW焊熔池流体流动与传热是一个三维瞬态问题，伴随着电弧的运动，热源前方的金属不断熔化，形成熔池；热源后方的金属不断凝固，形成焊缝，工件处在一个不断熔化与凝固的过程。有研究表明，熔池内的流体流动具有紊流特性[53-54]，因此，需激活和设置相应的紊流模型和熔化/凝固模型对GTAW焊熔池进行瞬态求解。3.3.1紊流模型紊流是指流场中某点流动速度的大小和方向随时间不规则变化的流动，紊流体流动不但具有沿流动轴方向的速度，还具有横向速度，各流动层中会有相互干扰，流动层之间会有质量和动量传递的现象。对紊流最根本的模拟方法是在紊流尺度的的网格尺寸内求解瞬态三维Navier-Stokes方程的全模拟，这无需引入任何模型，然而这是目前计算机容量及速度都难以完成的[52]。目前常用的方法是由Reynolds时均方程出发，利用某些假设，将Reynolds时均方程或紊流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联项或时均量来表达，从而使Reynolds时均方程封闭。焊接过程熔池流体流动具有紊流特性，用RNGk-紊流模型对熔池流体流动进行求解，RNGk-模型是从瞬态N-S方程中推出的，使用了一种叫“renormalizationgroup”的数学方法。解析性是由它直接从标准k-模型变来，可以更好地处理强旋转流、低雷诺数流动等问题。RNGk-紊流模型的k、方程为[55]：(3-1)(3-2)式中k为湍动能；为湍动耗散率；为扩散系数；、、为经验常数；ui为三个方向速度；xi、xj、xl是三个方向坐标。3.3.2熔化/凝固模型GTAW焊是一个不断熔化与凝固的过程，可以通过激活FLUENT中的熔化/凝固模型来处理焊接过程中熔池的熔化/凝固、相变潜热、及糊状区域等问题。FLUENT的熔化/凝固模型是基于Enthalpy-porosity技术(热焓-多孔性技术)。Enthalpy-porosity技术引入液体分数的概念，大量的液体分数被联合到每个单元的整个区域中，在热平衡的基础上反复计算这个液体分数值。液体分数值为1表示是熔化了的液态金属区域；液体分数值在0-1之间表示是处于熔融状态的糊状区域，这些糊状区域在计算过程中假设为在多孔性从1-0递减的凝固材料中的多孔介质；当液体分数值为1是表示固体区域，多孔性变为0，速度也降为0。Enthalpy-porosity技术中，工件相变分析中的热焓可用混合热焓H的形式表示，H可看成显热焓h与相变潜热之和：(3-3)式中h和分别表示为：(3-4)(3-5)式中href为参考热焓；Tref为参考温度；L为熔化潜热；Ts为固相线温度；Tl为液相线温度；液体分数，可表示为：(3-6)在Enthalpy-porosity技术中，把糊状区域(部分凝固的区域)看作为多孔介质。根据每个单元的多孔性在单元中设置相等的流体阻力。对于全凝固的区域，多孔性为0，这些区域的速度也为0；液态区域多孔性为1，速度为真实流体流动速度；在糊状区，动量的损失是由于在糊状区域的多孔性的减少造成的，如下式：(3-7)式中是液体分数；是一个小于0.0001的数，防止被0除；是糊状区域的连续数。3.4材料的热物性能参数材料的热物性能参数是否准确是影响焊接过程数值模拟结果精度的重要因素之一。许多材料的热物性数据在高温特别在接近熔化时还是空白，已成为焊接过程数值模拟面临的主要问题之一。本文使用热物性数据较完备的0Cr18Ni9不锈钢为焊接试样材料，其热物性能参数引自文献[54]：(Jkg-1)(Wm-1K-1)(10-3kgm-1s-1)其他物理参数如表3.1.符号物理名称物理参数值单位表面张力温度系数-4.3×10-4Nm-1K-1热膨胀系数10-4K-1换热系数80Wm-2K-1金属密度7200Kgm-3环境温度293K固相线温度1523K液相线温度1723K真空磁导率1.26×10-6Hm-1g重力加速度9.8ms-2热源效率0.65表3.1其他物理性能参数表表3.1其他物理性能参数表3.5软件的UDF编程焊接熔池流体流动和传热是一个复杂的三维瞬态过程，其中很多问题都不能直接用模拟软件解决。FLUENT虽然是一个很强大的模拟流体流动和传热的软件，但作为一个通用型的商业软件，在求解焊接熔池流体流动和传热这个具体问题时还是有很多不足，例如焊接热源的移动问题、体积力源项的添加和材料的变物属性等问题，都不能用标准的FLUENT模块直接解决，因此需要对其进行二次开发，以适应求解焊接熔池流体和传热过程的需要。本文用UDF(User-DefinedFunction)对FLUENT进行二次开发，以其适用于对焊接熔池进行数值模拟。UDF是FLUENT软件提供的一个用户接口，用户可以通过它与FLUENT模块的进行内部数据交流，从而解决一些标准的FLUENT模块不能解决的问题。UDF程序采用C语言编写，通过一些预定义宏与FLUENT模块内部进行数据交流。如下是添加移动热源的一段程序如下，焊接的起焊点在x=10mm处：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，压力和速度耦合采用SIMPLE算法；用分离求解器(Segregated)隐式(Implicit)求解法；对0Cr18Ni9Ti不锈钢熔池进行数值模拟。FLUENT使用基于控制体的方法将控制方程转换为可以用数值方法解出的代数方程。由于焊接过程熔池流体速度和压力相互耦合，采用分离式算法，提高迭代的收敛速度。在分离求解器中分离式算法是指对控制方程组中各个方程依次求解的过程。在分离求解器中，每一个离散控制方程都是该方程的相关变量的隐式线化。在隐式分离算法中速度和压力的耦合采用SIMPLE算法，SIMPLE算法是Pantankar和Spalding提出的一种综合考虑流体流动、传热及传质等因素，为解决速度和压力的耦合问题而提出的流体力学计算方法[56]。SIMPLE算法的求解步骤：1)假定一个速度分布u0，v0和w0，由此计算动量离散方程中的系数及常数项；2)假定一个压力场p0；3)依次求解动量方程，得到试算速度场u，v，w；4)求解压力修正方程，得到压力修正量；5)将代入速度修正方程，修正速度场；6)利用改进后的速度场求解那些通过源项物性等与速度场耦合的变量，如该变量不影响流场，则应在速度场收敛后再求解；7)利用改进后的速度场重新计算动量离散方程的系数，并用改进后的压力场作为下一层迭代计算的初值。重复上述步骤，直接获得收敛的解。3.7本章小结(1)以FLUENT软件为平台，通过对其进行二次开发，以适应求解GTAW焊接过程的具体问题。焊接工件的几何模型及非均匀网格的划分在GAMBIT软件内完成，再导入FLUENT进行计算求解。焊接过程中熔池的相变和熔池流体的紊流等问题通过设置熔化/凝固模型和紊流计算模型来解决。(2)工件材料的热物理性能参数随温度的变化，熔池流体的驱动力源项、焊接热源模型及热源的移动通过FLUENTUDF程序的形式写入计算方程，其中驱动力是以源项的形式加入，热源是边界条件形式加入。(3)方程的求解方法中采用分离求解器(Segregated)隐式(Implicit)求解法，压力和速度耦合采用SIMPLE算法。第四章熔池的数值模拟结果利用上文所述的模型和求解算法，对GTAW焊三维熔池温度场、流场及熔池形状进行了数值模拟，并分析了不同焊接电流时熔池温度场、流场及熔池形状的情况。4.1熔池温度场数值模拟结果利用所建模型，对运动电弧0Cr18Ni9Ti不锈钢进行数值模拟，提取温度场信息。焊接工艺条件为焊接电流50A、焊接电压18V、焊接速度为120mm/min，起焊点在x=10mm处。图4.1、图4.2、图4.3分别为焊接工件上表面(xoy平面)、工件对称面(xoz平面或y=0平面)、工件横截面(yoz平面)不同时刻的温度场分布情况，通过观察不同截面温度场的分布，可以把握整体的熔池温度场分布情况和动态变化规律。图4.1是不同时刻工件上表面温度场及其等温线分布情况，图形的上半部分是温度场分布云图，图形下半部分是对应的等温线分布。刚开始焊接时，焊接的热影响区域很小，温度梯度很大；随着时间的延长，温度场的温度逐渐升高，热影响区域也迅速扩大，熔池后方等温线分布逐渐被拉长，最后形成一个类似椭圆的分布，如等温线密集程度所示，热源前方温度梯度较大，热源后方温度梯度相对较小。最终达到准稳态分布，电弧输入工件的热量等于工件向周围环境散失的热量，准稳态时温度场分布形状不变，随着热源同步向前移动，熔池中最高温度为1945K。t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=3s时温度场分布图t=5s时温度场分布图t=5s时温度场分布图t=10s时温度场分布图t=15s时温度场分布图t=20s时温度场分布图t=15s时温度场分布图t=20s时温度场分布图图4.1工件上表面温度场及其等温线分布t=15s时温度场分布图t=20s时温度场分布图图4.2是不同时刻工件横截面温度场及等温线分布，图形左半部分是温度场分布云图，图形右半部分是相应的等温线分布。刚开始焊接时热量分布区域较小，等温线密集，温度梯度大；随着焊接的继续进行，热影响区迅速扩大，温度升高，但等温线更稀疏，温度梯度更小。t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=3s时温度场分布图t=3s时温度场分布图t=5s时温度场分布图t=5s时温度场分布图t=10s时温度场分布图t=10s时温度场分布图t=15s时温度场分布图t=15s时温度场分布图图4.2工件横截面温度场及其等温线分布图4.3是不同时刻工件对称面温度场及其等温线分布，因该面是对称面，温度场和等温线不能像图4.1、4.2那样对称显示在图中，所以对称面上等温线分布直接绘于温度场中。焊接初期的热影响区较小，深度也不深，等温线密集，温度梯度较大；随着焊接的继续进行，焊件温度逐渐升高，热量向四周传递，热影响区扩大，温度梯度逐渐减小。t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图t=1s时温度场分布图图4.3工件对称面温度场及其等温线分布4.2熔池流场数值模拟结果图4.4、图4.5、图4.6分别为焊接工件上表面(xoy平面)、工件对称面(xoz平面或y=0平面)、工件横截面(yoz平面)熔池流场分布图。图4.4所示为不同时刻熔池上表面流场分布图。熔池形成初期，熔池内流场分布不稳定，随着时间的变化比较大。随着焊接的继续进行，熔池逐渐增大，流场区域也逐渐增大，流场分布趋于稳定，流场内在热源中心附近有一个流动中心，流体由这个流动中心流向熔池四周，准稳态时熔池流体的最大流速为0.095mt=3s时流场分布t=3s时流场分布t=5s时流场分布t=5s时流场分布t=8s时流场分布t=8s时流场分布t=12s时流场分布图4.4熔池上表面流场分布t=12s时流场分布图4.4熔池上表面流场分布t=12s时流场分布图4.5是不同时刻工件横截面熔池流场分布，熔池形成初期流场不稳定，变化较大，随着焊接的进行熔池流场逐渐趋于稳定，熔池流体在熔池横截面的流动形成一个环流，环流从熔池中心沿着熔池表面附近流向熔池边缘，再由熔池边缘向下从熔池底部流回熔池中心附近，形成的一个顺时针的环流。这种环流会将熔池中心的高温流体带向熔池四周，拓展熔池的宽度，使熔池形成宽而浅的形状。t=3s时流场分布t=3s时流场分布t=5s时流场分布t=5s时流场分布t=8s时流场分布t=8s时流场分布t=12s时流场分布t=12s时流场分布图4.5熔池横截面流场分布图4.6是不同时刻工件对称面上熔池流场分布，在熔池对称面上液态金属流体形成二个环流，以流动中心为分界，在熔池前部形成一个顺时针的环流，在熔池后部形成一个逆时针的环流。综合熔池上表面、横截面和对称面可以得知熔池内三维流场是以熔池内的流动中心为中心，在上表面流体由该中心出发流向熔池边缘，再从边缘沿着熔池与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，形成一个环流，该环流对熔池形状的塑造作用是形成一个宽而浅的熔池。t=3s时流场分布t=3s时流场分布t=5s时流场分布t=5s时流场分布t=8s时流场分布t=8s时流场分布t=12s时流场分布t=12s时流场分布图4.6熔池对称面流场分布4.3熔池形态的动态变化焊接工件液相线温度为1723K，通过观察温度场中液相线随时间的变化，可以观察到整个熔池形状的动态变化，将不同时刻熔池不同截面的形状描绘于图4.7、图4.8和图4.9中。图4.7是运动电弧作用下熔池上表面形状的动态变化，从左到右分别是6s、8s、10s、12s时刻的熔池图像，刚开始时熔池形状很小，随着热源的持续加热熔池逐渐长大，最后到达准稳态，熔池大小形状相对稳定不再发生改变。图4.8为熔池横截面形状的动态变化，由于熔池关于xoz平面对称，所以只显示半个熔池的形状，从内到外分别是6s、8s、10s、12s时刻的熔池图像，随着时间的推移熔池宽度和深度逐渐增大，最终到达准稳态，相对稳定不再变化。图4.9为对称面熔池形状的动态变化，从左到右分别是6s、8s、10s、12s时刻的熔池图像，池熔随着时间的增长而迅速增大，熔池在x方向的长度较长，但在z方向的深度较小，这主要是以表面张力为主的驱动力驱动流体流动，导致的流体对流传热对熔池形状的塑造结果。到达准稳态时，熔池的长度、宽度、深度分别为8.143mm、7mm、0.618mm。图4.7熔池上表面形状的动态变化图4.7熔池上表面形状的动态变化图4.8熔池横截面形状的动态变化图4.8熔池横截面形状的动态变化图4.9熔池对称面形状的动态变化图4.9熔池对称面形状的动态变化4.4焊接电流对熔池的影响4.4.1不同焊接电流时温度场分布在其他焊接工艺参数不变的情况下，改变焊接电流，观察和分析不同焊接电流对熔池温度场的影响。如图4.10(a)、(b)、(c)分别是焊接电流为50A、60A、70A时达到准稳态后熔池上表面温度场分布，温度场的总体分布都很相近，前方温度梯度大，后方温度梯度小，呈现拖尾壮分布。但随着电流的增加温度场的总体温度逐渐升高，三种情况下的最高温度分别为1945K、2024K和2088K。(b)焊接电流60A(b)焊接电流60A(a)焊接电流50A(c)焊接电流(c)焊接电流70A图4.10不同焊接电流时熔池上表面温度场分布4.4.2不同焊接电流时流场分布在其他焊接工艺参数不变的情况下，改变焊接电流，观察和分析不同焊接电流对熔池流场的影响。如图4.11(a)、(b)、(c)分别是焊接电流为50A、60A、70A时达到准稳态后熔池上表面流场分布，流场的流动方向都是从熔池中心附近流向熔池四周，但熔池流场区域随着焊接电流的增加明显增大，流场的流速也增加，三种情况下熔池流场的最大流速分别为0.095m/s、0.108m/s和0.125m(a)焊接电流(a)焊接电流50A(b)焊接电流(b)焊接电流60A(c)焊接电流(c)焊接电流70A图4.11不同焊接电流时熔池上表面流场分布4.4.3不同焊接电流时熔池形状的变化在其他焊接工艺参数不变的情况下，改变焊接电流，观察和分析不同焊接电流对熔池形状的影响。如图4.12是焊接电流为50A、60A、70A时达到准稳态后熔池上表面形状，可见随着电流的增加熔池形状尺寸增加明显，提取三种情况下熔池的几何参数列于表4.1中：50A50A60A70A图4.10不同焊接电流时熔池形状表4.1不同焊接电流时熔池的几何参数表4.1不同焊接电流时熔池的几何参数电流熔池长度熔池宽度熔池深度(A)(mm)(mm)(mm)508.1437.000.6186010.008.920.897011.5110.41.314.5本章小结利用所建模型对GTAW焊熔池行为进行了数值模拟，主要得出以下结论：(1)对电流为50A时熔池上表面、横截面和对称面的温度场进行了分析，温度场影响区域随着时间增加逐渐增大；温度逐渐升高，准稳态时熔池温度场中最高温度为1945K；熔池前方等温线密集，温度梯度大，熔池后方等温线稀疏，温度梯度更小，呈现拖尾状。(2)对电流为50A时熔池上表面、横截面和对称面的流场进行了分析，流场区域随着时间增加逐渐增大；流场分布中存在一个流动中心，准稳态时，在熔池上表面流体由这个流动中心流向熔池的四周边缘，在边缘附近流体由熔池表面沿着熔池与工件的固液交界面流向熔池底部，再由熔池底在流动中心附近流向熔池表面，形成一个环流，熔池中的最大流速为0.095mm/s；该环流的对熔池形状的塑造作用是形成一个宽而浅的熔池。(3)对电流为50A时熔池上表面、横截面和对称面的熔池形状进行了分析，熔池形状尺寸随着时间增加逐渐增大；综合三个截面的情况进行分析可得熔池是宽而浅的形状，这是由于驱动力驱使的流体对流传热对熔池的塑造作用，准稳态时，熔池长、宽、深分别为8.143mm、7mm、0.618mm。(4)对不同焊接电流情况下的熔池进行了分析。对焊接电流分别为50A、60A、70A时熔池温度场、流场、形状进行分析。熔池温度场总体分布变化不大，但熔池温度随着电流的增加而增大，分别为1945K、2024K和2088K；熔池流场的流向变化不大，但流场区域和流速随着电流的增加而增大，分别为0.095m/s、0.108m/s和0.125m/s；熔池形状尺寸随着电流的增加而增大的比较明显，三种电流情况下第五章GTAW焊熔池的视觉检测5.1熔池视觉检测视觉检测技术是一种利用视觉传感器模拟人的视觉功能实现对被测物体的尺寸及空间位置的三维非接触测量。焊接过程的视觉检测一般利用光谱中的可见光波段，采用CCD对焊接区域成像，并将图像传送到计算机，对其进行数字图像处理，提取我们感兴趣的信息。焊接过程的视觉传感作为焊接过程传感技术中的一种，与其他传感方法相比，视觉传感具有可靠性强、信息丰富、灵敏度、测量精度高和动态响应特性好等优点；这种检测方法是直接对焊接过程熔化金属的动态行为进行检测，因其不与焊接回路接触，可以避免对焊接过程产生影响。根据视觉检测系统中成像光源是外加辅助光源还是焊接自身产生的光源，可将视觉检测分为主动式和被动式两大类[57]。主动视觉传感检测方法是采用外加激光等辅助光源对焊接区域进行照明，抑制焊接弧光对熔池信息传感的干扰，以熔池对该辅助光的反射光作为信号的一种视觉传感方式；被动视觉传感检测是指利用熔池自身的辐射或熔池对电弧的反射光作为信号源，对焊接熔池区域进行信息检测的一种视觉传感方式。本文采用主动视觉传感的方式对GTAW焊熔池进行检测。5.2试验系统5.2.1试验系统构成及原理图5.1所示是本课题组研制的GTAW焊接熔池视觉检测系统示意图。包括光学系统,图像采集系统和焊接系统三部分。光学系统主要有小功率激光器、透镜、空间滤波器、窄带滤光片、中性减光片，成像用的毛玻璃和自制的光学平台；图像采集系统主要有CCD、图像采集卡和计算机构成，对熔池图像进行实时的采集；焊接系统主要有GTAW焊机、自制的焊接平台、带动焊接平台移动的步进电机。利用所建的试验系统在0Cr18Ni9不锈钢平板上进行连续电流GTAW焊试验。母材尺寸为100mm×40mm×2mm。焊接电压18V，焊接电流，焊接速度2.28mm/s，氩气流量5L/min。图像采集卡图像采集卡步进电机132图5.1焊接熔池视觉检测系统示意图1激光器；2扩束、准直系统；3光栅；4焊枪；5透镜；6空间滤波器；7透镜；8毛玻璃；9窄带滤光片和中性减光片；10CCD计算机45698710主动视觉检测系统中，元件1激光器、2扩束、准直系统、3特制光栅、4焊枪；5透镜；6空间滤波器；7透镜；8毛玻璃；9窄带滤光片和中性减光片；10CCD。小功率激光器发出激光，经过扩束、准直系统后形成一束平行光，均匀地照在一定截距的光栅上，并将光栅条纹投影到焊接熔池表面，投影到熔池表面的光栅条纹受到焊接熔池表面高度信息的调制，会发生一定的变形，形成变形的光栅条纹；光栅条纹通过4f系统成像在毛玻璃上，用CCD对毛玻璃进行拍摄，获取熔池图像，所获图像通过图像采集卡传给计算机，再用计算机对图像进行一定的图像处理，提取我们所需要的熔池信息，实现焊接熔池的视觉检测。利用该检测系统可以对焊接熔池进行二维或三维的检测，因为变形的光栅条纹包含有熔池表面的高度信息5.2.2试验系统的设计设计该视觉检测系统的基本思想是利用主动光源(激光)照明熔池，抑制焊接过程电弧光的干扰，以熔池对激光的反射光作为信号源，获取熔池图像，提取熔池信息。因此系统在实现焊接熔池检测时需要能有效的抑制焊接过程的弧光干扰，并且能拍摄出清晰的熔池图像。窄带滤波系统图5.2电弧光谱线分布在焊接熔池的主动视觉检测中，焊接过程中产生的强烈的电弧光严重的干扰了CCD的拍摄效果，怎样有效的减少电弧光的干扰，是焊接熔池主动视觉检测的一个重点。因此很多研究人员都对焊接过程中的电弧光进行过研究[58-59]。电弧光光谱一般由原子光谱、离子光谱和连续光谱组成，电弧光光谱是在较低的连续光谱上叠加了许多不连续的线谱。如图5.2所示，在焊接电流50A，弧长3mm情况下低碳钢的GTAW焊中电弧光光谱分布中，600nm-700nm波长范围内光谱基本由较低的连续光谱组成，电弧光的能量也较低图5.2电弧光谱线分布本文选用波长为650nm的激光作为检测系统的主动光源照明熔池；选用中心波长650nm，带宽为±10nm的窄带滤光片进行窄带滤光，再另加中性减光片对光强进行衰减。这样就在电弧光光谱能量较低的波长范围开了一个只有±10nm的窗口，允许作为信号的激光信号通过，而干扰的电弧光却被大量的阻挡掉，有助于拍摄到清晰的熔池图像。4f系统4f系统是信息光学中常用的一种空间滤波的方法[61。它主要是利用了透镜的二维傅立叶变换特性，把透镜作为一个频谱分析仪，利用空间滤波的方式在输入物的频谱面改变物的频谱结构，继而改善在输出面物体的像。如图5.3所示是4f系统的示意图，其中二个透镜L1、L2分别起着变换和成像的作