Wu, X., Huang, J., He, J. et al. Oscillation Modes of Weld Pool in Stationary GTA Welding Using Structure Laser Method. Chin. J. Mech. Eng. 34, 89 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00609-9

研究背景及目的

近年来，高生产率和高质量焊接的趋势倾向于过程自动化，这刺激了自动化和相关系统的使用增加。钨极气体保护焊(GTAW)是一种主要的电弧焊工艺，由于其焊接质量高、易于自动化等优点，已广泛应用于反应堆压力容器和航空航天结构等高质量部件的生产。为了找到可用于感知和控制的特征信号，进行了大量的工作。近年来，许多研究者尝试用三维激光视觉方法对水池振荡进行监测。但是，仿真软件的缺乏会导致大量的资本支出。本文采用模拟与实验相结合的方法，得到不同时间的振荡模式，来分析了静止GTA熔池的振荡模式。

试验方法

本研究利用激光反射成像系统和激光视觉采集系统组成的测量系统，通过高速摄像机，以1000帧每秒的速度对固定GTA焊接熔池表面进行观测。分别观测了固定直流GTA的熔池振荡以及脉冲GTA的熔池振荡情况。通过求解贝塞尔函数，将熔池与圆膜振荡联系起来，分析熔池的振荡模式以及随时间的变化情况。

表1 四种典型的圆膜振荡模式

利用COMSOL仿真软件建立三维结构激光网格模型：根据第一类贝塞尔函数建立波动方程的数学模型。然后设置源项，使其频率的本征频率大于或等于焊缝池的本征频率，进行瞬态模拟，以找到并导出结构激光网格系统所需的三维熔池模型。打开“几何光学”模块来绘制网格池和成像平面。激光发生器由 “网格释放”技术形成30x30的激光点阵制成。发射的光照射到焊接池。反射的激光在到达成像平面时被“冻结”，内置虚拟摄像头可以拍摄熔池的三维网格图像。分别在凸面、凹面、平面上进行测试，呈现的激光点阵符合理论预测。

图1 测试系统原理图

结果

基于贝塞尔方程分析了熔池的振动模式，并对熔池中常见的三维图像进行了模拟。(0, 1)、(1, 1) ,、(2, 1), (0, 2)的激光点阵图像。通过结构激光光学测量仿真，得到了不同时间的振荡模式。基于激光点阵图像分析了静止GTA熔池的振荡模式。

在本研究中可以得到以下研究结果：

1)通过激光点阵图像可以判断熔池状态。例如，通过区分凹面、凸面和平面的分布，我们可以看到熔池的振荡模式和振荡频率，从而区分熔池的非熔透或熔透状态。

2)固定直流GTA焊接时，振荡模式一般为(0, 1)，(0, 2)模式。在脉冲GTA焊接过程中，峰值电流阶段电弧对熔池的冲击会使熔池表面产生高频振荡，从而使熔池表面产生很大的畸变，产生(1, 1)、(2, 1)、(0, 2)振荡模式。

3)尽管成像平面上的激光点阵图像是不断变化的，但基于激光点阵图像可以识别熔池的形状，激光发生器发射的点阵密度越大，测量精度越高。这也是改进结构激光技术的一个方向。

图1 （0,1）模式试验结果

图2 （1,1）模式试验结果

图3 （2,1）模式试验结果

图4 （0,2）模式试验结果

结论

结果表明，仿真得到的激光点阵图像与实验结果相吻合。基于激光点阵图像可以识别熔池的振荡模式。本研究不仅可以为判断熔池的穿透状态提供条件，而且有助于进一步了解熔池的振荡模式，开发更有效的观察方法和测量工具，从而有效地控制和提高焊接质量。

前景与应用

目前学者所观测到的熔池振型大多局限于(0, 1)、(1, 1)、(0, 2)模式，尤其是(2, 1)模型研究较少，原因是受实验参数和设备条件的限制。由此可见，数值模拟在焊接领域是非常必要的，其能准确地解释焊接过程中可能遇到的各种振动现象，模拟各种复杂的实验条件，尽可能节省了经费与时间。

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团队带头人介绍

黄健康，工学博士，教授，硕士研究生导师，国际焊接工程师培训师，现任教于兰州理工大学材料科学与工程学院。当前主要进行高温高熵合金的材料制备，非晶、铝合金等领域的异种金属连接，焊接过程中物理、检测及控制等领域的研究。主持及参与国家自然科学基金6项，军工项目2项，其他企业技术开发横向项目10项。国家自然科学基金函评专家、焊接学会计算机辅助焊接工程专业委员会委员等多个学术委员会委员，以及INT J HEAT MASS TRAN等30多个期刊资深审稿人。现已发表论文 200 余篇，出版教材1部，授权专利10余项。

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