焊接熔池金属熔体表面张力的实时测量及特征解析

Acquiring the data of the suface tension of molten metal under welding condition is a fundamental issue for analyzing and understanding the physical mechanism of welding process, such as weld defection, metal flow behavior of weld pool and so on. In this proposal, a new laser-vision method and system for detecting weld pool oscillation frequency is proposed. By analyzing the relationship between oscillation frequency of weld pool and surface tension of molten pool, the surface tension can be dynamic measured. The future work focus on the following scientific problems:(1) The frequency characteristic and physical essence of different oscillation mode of weld pool and the surface tension model of pool oscillation frequency.(2) The variation law and mechanism of surface tension of molten metal under different welding heat source（TIG,laser,etc） with carbon steel, stainless steel, aluminum alloy and so on. (3) The variation law and mechanism of surface tension of molten metal with different activating fluxes and elements under welding process; The mechanism for increasing penetration in A-TIG/AA-TIG welding process will be studied by numerical simulation of 3D weld pool and measured data of surface tension. This research will develop a new method and theory for dynamic measurement of surface tension under welding condition and have the important academic value for understanding some basic welding problems.

准确获取熔池金属熔体的表面张力数据是分析和理解焊接过程中缺陷产生、成型特征、熔池金属流动等物理过程的基础，但其实时检测较为困难。本项目提出了激光视觉测量熔池振荡行为的方法，通过解析熔池振荡行为与熔池金属表面张力的物理对应关系，实现对熔池金属表面张力的实时检测。本项目研究的科学问题主要包括：（1）不同熔池振荡模式及特征频率与表面张力物理解析方法与模型；（2）铝、碳钢、不锈钢等材料在不同焊接热源(电弧、激光等)下表面张力的变化规律及机理；（3）焊接条件下，不同表面活性剂、活性元素对熔池液态金属表面张力的影响规律，获得基础表面张力数据，并在此基础上以活性TIG焊为研究对象，结合数值模拟，从物理本质上阐明各类活性剂对TIG焊熔池金属熔体的影响机制和熔深增加机理。通过项目研究对深入理解以上焊接物理问题具有重要学术价值，同时为焊接条件下表面张力实时测量提供了理论方法和实现途径。

表面张力是高温金属熔体重要的基础物性参数之一，宏观上它对金属热加工过程中缺陷的产生、界面行为、成型质量等有着重要影响，微观上它对金属凝固过程中结晶、形核、相变、晶粒生长等有着密切的联系。然而，受制于焊接过程的特殊性，例如焊接热源的随行及非平衡分布、熔池金属体积过小、成分不均、过热程度大、熔池动态变化较快等特点，导致想要实时获取焊接条件下高温金属熔体表面张力十分困难。为此，本项目首先研究了GTAW焊接熔池振荡现象中振荡频率、熔池尺寸与熔池表面张力之间的物理对应关系及解析数学模型；其次利用激光视觉法构建一套焊接熔池表面张力实时动态测量系统，并对该测量系统的精度和误差进行了分析；最后在准确获取焊接过程中熔池动态表面张力数据的基础上，对典型焊接材料和涂覆三类典型活性剂作用下的A-TIG焊熔池表面张力基础数据进行了测量，并结合电弧光谱诊断理论分析了三类活性剂增加熔深的机理。研究结果表明：针对GTAW焊接熔池构建的解析数学模型能够用于表征熔池尺寸、振荡频率与表面张力之间的物理关系；建立的熔池表面张力测量系统精度较高，最大误差为6.7%；氧化物活性剂作用下焊缝熔深增加的原因是熔池平均表面张力温度梯度的改变；氯化物活性剂作用下焊缝熔深增加的原因是电弧收缩；氟化物活性剂作用下焊缝熔深增加的原因是与氟化物活性剂在熔池表面的热解离及带电粒子复合时释放的电离能有关，还与S元素分布状态致使熔池平均表面张力温度梯度的改变有关，而不是电弧收缩。通过本项目研究对深入理解熔池振荡行为与熔池金属熔体表面张力之间物理对应关系、熔池金属熔体表面张力与熔池内部流动、润湿界面行为特征等基本焊接物理过程具有重要的学术价值，并为焊接数值模拟、理论计算等提供了精确的表面张力数据，同时为解决焊接条件下熔池金属表面张力动态实时测量困难的问题提供了有价值的理论方法和技术实现途径。