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中厚板非对称角根焊温度场建模及熔透形态视觉检测

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摘要

第一章绪论

1.1课题研究的目的及意义

1.2本课题国内外发展现状

1.2.1角焊缝温度场研究现状

1.2.2熔池图像视觉传感研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章焊接温度场建模基础

2.1焊接热效率

2.2焊接传热基础理论

2.2.1热传播基本定律

2.2.2焊接热源模型

2.3非对称角焊缝温度场建模

2.4本章小结

第三章非对称角焊缝温度场数值模拟

3.1温度场数值模拟方法

3.1.1数值积分法

3.1.2有限差分法

3.1.3有限元法

3.2 COMSOL Multiphysics软件介绍

3.3温度场数值模拟的建立

3.3.1控制方程与边界条件

3.3.2热源模型

3.3.3焊接参数的选用

3.3.4仿真参数及材料物理属性

3.3.5单元网格划分

3.4焊接温度场仿真结果及分析

3.5热循环曲线及试验验证

3.5.1热循环曲线分析

3.5.2试验验证及分析

3.6本章小结

第四章非对称角焊缝温度场解析模型

4.1建立非对称角焊缝等效温度场

4.1.1等效温度场建立方法

4.1.2等效温度场的物理意义

4.2等效温度场解析模型的推导

4.3等效温度场解析求解

4.3.1求解温度场所需参数

4.3.2求解过程探究

4.3.3计算结果及分析

4.4本章小结

第五章基于CCD相机的熔透形态检测

5.1视觉图像传感方法

5.2视觉传感试验系统

5.2.1试验系统及条件

5.2.2视觉传感系统

5.3熔池图像的获取及处理

5.3.1熔池图像的获取

5.3.2开窗口取像

5.3.3滤波处理

5.3.4灰度变换

5.3.5边缘检测

5.3.6除去伪边缘

5.3.7熔池边缘分段拟合

5.4熔池图像标定

5.5焊枪中心相对位置偏差值与熔透形态关系

5.6本章小结

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

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摘要

在桥梁、船舶、工程机械等承重箱梁构件中存在许多中厚板单侧V型坡口构成的非对称角焊缝,进行根部焊接时由于焊缝左右结构不对称、散热差异性大,焊缝成形质量差且不稳定。为了获得良好稳定的非对称焊缝焊接质量,需要对这种特殊焊缝的焊接热输入实施精确控制。 目前进行非对称角焊缝打底根焊时,多采用手工焊焊接方式,以获得高的焊接质量。为了实现非对称角根焊焊接过程的自动化控制,提升焊接生产效率,分析手工焊接行为发现:焊工需要通过观察正面熔池变化,实时调节焊接角度和焊接速度,也就是调整非对称焊缝焊接电弧热输入和热分配比例,热输入量大小与熔透深度直接相关,热分配比例直接影响熔透形态。所以为了实现非对称焊缝角根的自动焊接,需要解决熔透深度的求解以及熔透形态的特征获取。 在研究中,首次提出热源等效方法,将焊接电弧热输入分成两部分作用于角焊缝的两侧,进行了温度场建模。采用有限元分析软件COMSOL,建立不同焊枪角度下温度场数值分析模型,并获得焊接温度场的分布及其熔深变化。通过数值模拟了解焊接温度场分布及变化规律,为下一步解析模型的建立和模型的简化奠定基础。根据N.T.NGUYEN提出的理论,分别建立了高斯热源的温度场解析模型,并使用坐标转换得到整体的等效温度场解析模型。利用MATLAB进行了理论计算,获得与试验测量值一致的结果。 在研究中发现:不同焊枪角度焊接时,焊枪相对表面熔池发生有规律的位置偏移,试件内部横截面的熔透形态也随之发生了改变。利用CCD相机获取不同焊枪角度下的熔池图像,并研究出一套图像处理算法,包括中值滤波、巴特沃斯低通滤波、直方图均衡化、边缘检测、除去伪边缘、边缘提取和边缘拟合等,获得不同焊枪角度下的熔池图像信息,提取焊枪中心相对熔池中心的位置偏差值。利用熔透中心偏转角度来描述熔透形态的变化情况,获得了焊枪中心相对偏差值与熔透中心偏转角之间的定量关系。 温度场解析模型可实时计算角焊缝熔透熔深,利用CCD相机采集表面熔池图像,根据焊枪相对熔池的位置偏移,推测实现内部角焊缝熔透形态,两项关键技术的突破为下一步非对称角根焊缝的熔透自动控制打下了坚实的基础。

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