[01317711]脉冲等离子弧焊接熔池及小孔动态行为多CCD视觉检测技术研究

穿孔等离子弧焊接是一种高能量密度焊接方法，能够不开坡口一次焊透10 mm以上的钢板，在中厚板焊接生产领域具有重要的工程应用前景。

然而，贯穿熔池的小孔周围液态金属的受力平衡很容易被打破，形成稳定穿孔焊接的规范参数范围较窄，严重限制了其在工业领域的进一步推广应用。

通过系统研究穿孔等离子弧焊接过程中熔池-小孔的传热机制、熔池穿孔动态行为的检测与控制方法，进而提出改进措施，对于大幅提高焊接生产质量和效率具有重要的理论意义和工程使用价值。

本项目采用组合式体积热源模型描述了等离子弧沿工件厚度方向的热-力分布作用，进一步建立了等离子弧-熔池-小孔动态行为一体化模型，利用机器视觉传感检测、分析小孔及熔池的动态行为演变规律，提出了新颖的穿孔等离子弧焊接控制策略，研发了受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统，能够在工件厚度变化50%时获得良好的控制效果和焊缝成形。

主要发现点如下：（1） 建立了适用的组合式体积热源模型，描述了等离子弧沿工件厚度方向上的热-力分布作用，提高了等离子弧焊接温度场的数值分析精度。

采用“局部热平衡-扩散近似法”处理等离子弧与不断变化的熔池表面之间的鞘层界面，保证了等离子弧与阳极间的电流和热流的连续性，建立了等离子弧-熔池-小孔动态行为的一体化模型，数值模拟了等离子弧与熔池的流场-热场以及小孔形状的演变过程。

构建了低成本的等离子弧焊接背面小孔图像视觉传感系统，同时测量背面小孔出口几何尺寸以及背面小孔中心与焊枪轴线之间的偏移距离（即小孔中心偏移量）。发现背面小孔中心偏移量比小孔尺寸能更显著地反映小孔的动态特性、更准确地反映小孔的热状态和小孔前壁的熔化状态，可以作为判定小孔动态行为的依据之一。

基于光谱分析选取滤光片，采用单一CCD相机同步获取背面熔池、小孔的图像。在受控脉冲周期内，脉冲电流峰值与穿孔阶段，同时提取背面熔池与小孔的尺寸与位置信息;在基值电流阶段小孔闭合时，也可检测清晰的背面熔池边界。

研制成功受控脉冲穿孔等离子弧焊接闭环控制系统，设定和输出脉冲下降沿带两个缓降坡度的特殊电流波形，使小孔的“开-闭”过程更加平稳。分别以小孔建立时间和小孔平均尺寸为被控制量，以脉冲电流峰值及其下降斜率为控制量，进行了系统辨识和PI控制器参数整定。

8-4 mm变厚度试件的焊接试验表明，焊接过程中小孔状态稳定，焊缝熔宽均匀、成形良好。

8篇代表性论文先后被国内外著名同行专家正面引用和评述，他引261次，其中SCI他引152次。

项目组先后主办大型国际学术会议3次，中德、中日双边学术研讨会5次。

项目第一完成人应邀在国际学术会议上做大会报告（Plenary/Keynote Speech）4次、特邀报告（Invited Lecture）11次。

因其“在焊接科学、工程和技术领域取得的杰出成就和突出贡献”，2017年当选为美国焊接学会会士（AWS Fellow），是第一位被授予AWS Fellow荣誉称号的中国（大陆）籍焊接科技专家。