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        焊縫缺陷自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)開發(fā)及計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

        2022-07-19 09:54:00
        信息記錄材料 2022年5期
        關(guān)鍵詞:熔池焊縫激光

        劉 健

        (天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院 天津 300400)

        0 引言

        典型的深穿透焊接中匙孔和熔池呈現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性,而特定的電子束焊接是缺陷形成的主要因素[1]。保證焊接接頭的質(zhì)量和監(jiān)控焊接過程是生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對于大件的焊接,在線自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的使用可以極大地提高產(chǎn)品的質(zhì)量控制效率。自動(dòng)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)首次提出于汽車行業(yè),并且展現(xiàn)了其在監(jiān)控焊接缺陷形成的重要性[2]。

        直接測量焊縫區(qū)的所有參數(shù)是不可能的,所以有必要建立激光與電弧焊接過程中熔池參數(shù)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng),它能夠根據(jù)激光或激光電弧接觸面積的間接信號來完成檢測?;趥鹘y(tǒng)激光和激光電弧焊接監(jiān)控過程,對信號進(jìn)行分析和處理,例如寬波長范圍內(nèi)的光輻射、聲發(fā)射和等離子體羽流的電導(dǎo)率等。根據(jù)熔池模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析,開發(fā)了一種基于熱排放量的算法,用于監(jiān)測紅外放射光電二極管產(chǎn)生的激光焊接缺陷,根據(jù)檢測等離子體束的位置確定了焊接缺陷的存在[3]。

        根據(jù)監(jiān)測不同物理性質(zhì)的信號,用于監(jiān)測激光焊的傳感器類型很多,這些傳感器可以提高監(jiān)測系統(tǒng)的精度。應(yīng)該指出的是,二次發(fā)射信號實(shí)際上是為了完成激光和激光電弧動(dòng)作焊縫區(qū)域的檢測,此時(shí),需要解決的主要問題是信號如何識別焊接缺陷以及信號處理算法的選擇[4]。在線監(jiān)測時(shí),必須選擇具有最簡單數(shù)學(xué)處理噪聲保護(hù)的信號,由于光學(xué)傳感器具有操作簡單、成本低和效率高的優(yōu)勢,所以其應(yīng)用最為廣泛。

        1 熔池動(dòng)態(tài)行為的計(jì)算機(jī)模擬

        本實(shí)驗(yàn)利用數(shù)學(xué)方法通過計(jì)算機(jī)仿真分析了熔池深熔焊接過程中所發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化,并對深熔焊接過程的物理模擬進(jìn)行充分的數(shù)學(xué)描述。

        有研究者實(shí)現(xiàn)了利用CAE系統(tǒng)對深熔焊接熔池進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬實(shí)驗(yàn),之后又有人對熔池中的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了詳細(xì)描述,并利用變分原理和力學(xué)拉格朗日原理進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)[5]。允許其在描述精度的范圍內(nèi)對整個(gè)過程應(yīng)用匙孔波運(yùn)動(dòng),熔池的形狀、尺寸與匙孔的運(yùn)動(dòng)允許在其深度和半徑影響范圍內(nèi)變化。激光焊接熔池動(dòng)態(tài)仿真實(shí)例見圖1。

        仿真結(jié)果表明,熔池的不同參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)光譜,典型的小孔半徑振蕩擁有最低的振蕩頻率(低于500 Hz),而小孔波表面的頻率(10 kHz)最高。這些光譜也與小孔的深度有關(guān),隨著小孔深度的增加,光譜會(huì)向著頻率較低的地方移動(dòng)。

        通過匙孔的幾何模擬數(shù)據(jù)和活動(dòng)時(shí)間變化參數(shù),能夠計(jì)算出光度內(nèi)匙孔和目標(biāo)表面等離子體隨時(shí)間變化的關(guān)系以及焊接區(qū)的聲信號參數(shù)。利用模擬結(jié)果構(gòu)建用于監(jiān)控焊接過程的算法,識別可能存在的系統(tǒng)信號缺陷。

        2 仿真實(shí)驗(yàn)站搭建

        激光焊接和激光電弧焊接旨在對工藝發(fā)展過程的監(jiān)測方法展開實(shí)驗(yàn),激光研究技術(shù)主要包括激光電弧技術(shù)和焊接技術(shù)。使用最大功率為15 kW的光纖激光器作為激光源,通過普雷茨特yw50與400 mm焦距的纖維聚焦頭產(chǎn)生激光輻射,在使用激光電弧復(fù)合技術(shù)時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)焊槍將電弧的能量傳遞到激光輻照區(qū)域,并將直流1 500 V焊接整流器VDU和EWM 520 RC脈沖作為弧源。

        在激光和激光電弧作用下,高速攝像機(jī)對流程進(jìn)行快速記錄,在高速拍攝的過程中可由等離子體羽攝像機(jī)自己的光線進(jìn)行記錄,不需要額外的照明,波長為810 nm的二極管激光器產(chǎn)生的光則用于焊接熔池中熔體動(dòng)力學(xué)與高速攝影實(shí)驗(yàn)研究。

        利用光譜儀分析等離子體束光時(shí)發(fā)射的光譜混合物,使用PIN硅光電二極管對等離子體羽光度時(shí)間動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析。如圖2中顯示,實(shí)驗(yàn)站中激光器和激光電弧作用區(qū)二次發(fā)射信號的記錄和分析。

        實(shí)驗(yàn)可以對監(jiān)測系統(tǒng)的激光及激光電弧焊接傳感器限定規(guī)格以輔助完成本實(shí)驗(yàn)。

        3 多感官監(jiān)測自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

        監(jiān)控系統(tǒng)的主信息信號從激光及激光電弧曝光區(qū)發(fā)射的光中選擇,分析光譜成分,并參考Eriksson等人在EAI公布的數(shù)據(jù),光頻譜可以被分為3個(gè)特征區(qū)域:自身的羽光(400~700 nm),激光反射的頻帶(1 070 nm),熱放射熔池(1 100~1 800 nm)。利用已開發(fā)的硅光電二極管,對可見光和近紅外范圍內(nèi)的傳感器的光輻射進(jìn)行記錄,因光電二極管可排放熔池中的熱,因此被選作寄存器,其輻射范圍為0.8~2.4 μm,另外利用執(zhí)行帶通干涉濾光片來選擇光譜傳感器。

        監(jiān)控系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)和觀察不同空間位置的焊縫區(qū),這為傳感器是否能夠同軸配置提供了依據(jù),傳感器的同軸配置是由聚焦激光頭的普通同軸信道組成,它的安裝需要借助檢測系統(tǒng)的攝像頭來實(shí)現(xiàn)。

        為了方便預(yù)置監(jiān)控系統(tǒng),CMOS攝像機(jī)通過使用分束器在其光路中集成立方體,并通過非同軸傳感器在研究區(qū)域內(nèi)形成簡單的聚焦。傳感器的設(shè)計(jì)方案見圖3。

        除了這些基本功能,功率高達(dá)200 Hz的攝像機(jī)還能夠監(jiān)控所研究區(qū)域的動(dòng)態(tài),如等離子體束的空間位置和熔融池的形狀變化等。

        每個(gè)傳感器中都設(shè)有增益系數(shù)的光電二極管信號放大模塊,光電二極管從前置放大模擬信號傳送至ADC單元,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,通過以太網(wǎng)接口發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算系統(tǒng)里,同時(shí),來自攝像機(jī)的信息通過USB接口傳送到計(jì)算機(jī)。

        除二次發(fā)射信號以外的監(jiān)控系統(tǒng)還允許用戶更新,并保持部分工藝過程中的運(yùn)行參數(shù)不變,如激光功率、電壓和電弧電流等。

        處理和記錄的可追溯信號是通過專門設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)的,這個(gè)軟件可以在線監(jiān)測由監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器傳輸?shù)膭?dòng)力學(xué)信號,并通過快速傅立葉變換、小波變換和平均算法對信號進(jìn)行處理。從傳感器獲得的數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)換成文本格式或Excel格式并作進(jìn)一步處理。

        視圖模型的樣品見圖4:這是由高張力鋼板PCE36和鋁合金AlMg6的樣品制成的,為確保形成完美無缺的焊縫,進(jìn)行了一系列與激光樣品的激光電弧焊接相關(guān)的實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證該監(jiān)測系統(tǒng)的效率高低。

        另外,這次實(shí)驗(yàn)也對樣品厚度變化進(jìn)行了監(jiān)控,針對從激光器區(qū)和激光弧度動(dòng)作所發(fā)出的二次信號,可利用監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感裝置來檢測,檢測方法也是可以改變的,并且可將焊縫形成過程中的信號通過反饋機(jī)制體現(xiàn)出來,統(tǒng)計(jì)出造成缺陷的各種因素。

        5 結(jié)果與討論

        監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器可以檢測出在焊接池中缺陷引起模型樣品出現(xiàn)焊縫缺陷的現(xiàn)象,并產(chǎn)生干擾值,這個(gè)數(shù)值還可以通過其他處理方式進(jìn)行檢測。

        非同軸等離子體傳感器的信號以及插入焊接頭時(shí)鋁的激光焊接效果表明,鋁嵌在接頭的對應(yīng)位置可以在信號尖峰中顯現(xiàn)出來,所以,針對鍍鋅焊接中所形成的相關(guān)缺陷,有可能開發(fā)出一種具有去除熔融的離熔池監(jiān)測算法。但應(yīng)當(dāng)指出的是,一種類型的缺陷在不同傳感器中可以表現(xiàn)出不同的靈敏度,例如,在反射激光輻射的傳感器信號中,能夠檢測到焊接熔池飛濺熔化物的等離子信號少之又少。反過來,單一信號的信息并不能完全確定焊縫的形成過程,這是由傳感器原始信號缺陷所造成的,見圖5和圖6。

        圖7顯示了熔體熱離子發(fā)射從9~15 kW的激光頻率變化過程以及通過滲透過渡傳感器時(shí)的信號。在熔池表面,低頻振蕩不會(huì)隨溫度的波動(dòng)連續(xù)出現(xiàn),但其形狀會(huì)隨之變化,此時(shí)穿透深度的變化起決定性作用,在這種變化情況下,焊縫的形成過程不直接反映在信號中,需要進(jìn)一步的處理和分析。在信號的傅里葉變換局部特征(時(shí)域,峰值等)中給出了光譜的組成部分,但是幾乎檢測不到這種光譜的特性,尤其是它們的位置和性質(zhì)。傅里葉變換和小波變換均可以檢測信號的局部特征。在上述的情況中,并沒有否定設(shè)計(jì)監(jiān)控過程中采用傅里葉變換算法。

        監(jiān)測系統(tǒng)的測試實(shí)驗(yàn)著重關(guān)注焊接過程中鋁合金激光電弧焊接出現(xiàn)孔隙的概率。在焊接進(jìn)行過程中,使用減壓閥增加保護(hù)氣的流量和減少氣孔出現(xiàn)的可能性,測試結(jié)果中的焊縫是用標(biāo)準(zhǔn)的射線獲取的。根據(jù)附加的圖形處理和X射線成像分析表明,孔隙的數(shù)量和面積是沿著焊縫的方向分布,與監(jiān)測系統(tǒng)傳感器信號得到的分布進(jìn)行比較,見圖8和圖9。

        6 結(jié)論

        在監(jiān)測系統(tǒng)的工藝開發(fā)流程中,仍存在對激光器和激光電弧焊接的控制問題,該系統(tǒng)的運(yùn)用決定著這些技術(shù)能否進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)。為了解決這個(gè)問題,對焊接熔池動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究,同時(shí)確定缺陷的形成與深穿透焊接的基本原理。在對來自激光器和激光電弧焊接作用區(qū)的二次發(fā)射信號進(jìn)行分析后,得到了更為先進(jìn)的傳感器。非同軸傳感器配備有攝像機(jī),簡化了工藝流程,能夠跟蹤該有源區(qū)的空間變化,處理和記錄的信號主要通過使用特殊設(shè)計(jì)的軟件來實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證該監(jiān)控系統(tǒng)的功能,進(jìn)行一系列模型樣品焊接實(shí)驗(yàn),測試結(jié)果證實(shí)了之前所提出的多感官監(jiān)測系統(tǒng)具有自動(dòng)跟蹤監(jiān)控的能力。但是,要在實(shí)際生產(chǎn)中使用這種監(jiān)控系統(tǒng),還需要進(jìn)一步研究其在特定過程中的特點(diǎn),確定它在整個(gè)過程中的典型缺陷,并驗(yàn)證系統(tǒng)的適用性。

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