一种激光焊接温度场三维测量方法技术

本发明专利技术是一种激光焊接温度场三维测量方法，其步骤是：利用熔化区域及其热影响区域的灰度图像对焊接时上、下表面的熔化区域及其热影响区域的灰度图像进行各区域的温度标定；提取出熔化区、热影响区域和母材区域的分界轮廓线；找出焊区上、下表面中小孔的位置，得到小孔在焊件内部的轴线位置，重构出熔化区域、热影响区域和母材区域的立体分界轮廓面；在任意厚度上，获得其温度场分布和熔化区域、热影响区温度场的三维分布数据，建立连续的熔化区域、热影响区温度场的动态变化模型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是，属于测量
技术背景由于金属材料中热传播速度很快，激光焊接时热源密度高度集中， 因此焊接时温度场非常不均匀，特别由于激光焊接时存在高温金属蒸汽/ 等离子体、液态熔池、固态的热影响区以及凝固冷却区域，即使对于同 样材料的焊接，这些区域的温度差别都非常大，如金属蒸汽/等离子体的温度可高达800(TC以上，而固化区的温度可能在几百度，并且所焊接的 材料熔点差别很大，如铝合金的熔点大约为600°C，而钛合金则在1700 "C左右。这些难题使得精确计算和测量激光焊接时焊缝的温度场成为一 个难题。目前激光焊接温度场的研究方法，主要是依赖有限元模拟的方 法。但是由于激光焊接过程的复杂性以及很多材料的热物性参量不能精 确测量，使得在温度场计算时利用了很多假设进行简化，因而尽管国内 外在该方面的研究也比较多，如Rosenthal的热源模型简便快捷，可以 用来粗略估算距离熔池较远处的温度。Arata引入了垂直于热源方向运动 的、密度均匀的带状热源或矩形热源，热源宽度和小孔直径相当。 Mazumder等)发展了一种应用于激光焊的三维传热模型。Arata和Inow 报道，点线热源的近似常常在热源周围得到不能令人满意的结果；因此 他们提出了一种点、线热源之间的近似模型，引入了一个标量"P"，并 用数值方法计算了温度分布。Steen将孔口等离子体的点热源和小孔线热 源叠加，发展了点、线热源的数学模型，较好地符合了焊接实际情况， 但对有限厚件并不能得到满意结果。所有这些模拟研究都很难获得精确 的数据，而由于焊接时温度场不仅直接通过热应变，而且还间接通过随 金属状态和显微组织变化引起的相变、应变决定焊接残余应力等，因而 精确的温度场测量技术对于焊接结构的预测具有重要作用。
技术实现思路
本专利技术的目的正是针对上述现有技术方案中存在的不足而设计提供 了，该种方法能够适应不同激光焊接源、焊接材料以及焊接工艺并能对焊缝及其热影响区的温度变化过程进 行测量、三维重构。本专利技术的目的是通过以下措施来实现的该种激光焊接温度场三维测量方法，其特征在于其步骤是-(1) 利用图像传感系统获得激光焊接时，熔化区域及其热影响区域的 灰度图像；(2) 对焊接时上、下表面的熔化区域及其热影响区域的灰度图像进行 各区域的温度标定；(3) 根据焊缝剖面图得到焊缝接头的形状，提取出熔化区、热影响区 域和母材区域的分界轮廓线，焊缝剖面中各轮廓线为等温线，轮廓线所 对应的上、下表面处的温度对应相等，据此提取出上、下表面上对应熔 化区域、热影响区域和母材区域分界的等温线；(4) 找出焊区上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向将上、下表面小 孔点直线相连，得到小孔在焊件内部的轴线位置，假设熔化区域和热影 响区域的尺寸在工件内部以小孔为轴，沿平行与工件表面的径向线性变 化，重构出熔化区域、热影响区域和母材区域的立体分界轮廓面；(5) 在任意厚度上，利用线性加权平均的方法，获得其温度场分布。(6) 根据上述熔化区域、热影响区温度场的三维分布数据，建立连续 的熔化区域、热影响区温度场的动态变化模型。该专利技术的目的主要是利用高速摄像获得的激光焊接时上下表面的瞬 态温度场的测量值，解决目前激光焊接三维温度场的获得，依赖有限元 模型计算，而由于其热源模型复杂而使该温度场难以准确获得，以及温 度场的误差为依赖温度场值作为输入值的有关焊接件的结构计算带来很 大的误差。本专利技术在解决激光焊接瞬态表面温度场测量的基础上，通过 对焊缝截面的等温线测量，构建出激光焊接时的三维温度场及其变化过 程，其结果的准确性是无可质疑的，且避开了有限元模拟计算激光焊接 温度场时，必须确定其热源输入模型这个复杂而且目前研究尚不清楚的 过程。为后期的焊接结构件的应力应变计算提供了准确的基础数据。附图说明图1是本专利技术技术方案中双CCD摄像机位图像采集方式图2是本专利技术技术方案中进行图像解析及三维重构的计算机软件流程3是熔化区域和热影响区域根据灰度可以分为不同的区域图4是对不同区域进行填充后形成的温度场图5是焊缝的剖面图具体实施方式以下将结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述-该种激光焊接温度场三维测量方法，其步骤是(1) 利用图像传感系统获得激光焊接时，熔化区域及其热影响区域的灰度图像；测量系统的构成采用双光路系统，如图1所示，采用两套CCD图像 传感器同时测量正面和背面熔池图像，该方案可保证测量的温度场随时 间变化的一致性，可得到某时刻温度场的真实测量值。系统采用高像素 点的CCD图像传感器，以保证熔池表面温度场有较高的几何分辨率。根 据分析的目的不同采用不同的温度场测量方式若分析以小孔为中心的 熔池温度场，则在拍摄图像过程中，摄像头与焊枪的相对位置不变；若 分析任意点的热循环过程，则在拍摄图像过程中，摄像头与工件的相对 位置不变；(2) 对焊接时上、下表面的熔化区域及其热影响区域的灰度图像进行 各区域的温度标定；激光焊接温度场的标定技术主要完成对上述所获得的温度场中各区 域温度的标定。由于激光焊接时存在高温金属蒸汽/等离子体、液态熔池、 固态的热影响区以及凝固冷却区域，即使对于同样材料的焊接，这些区 域的温度差别都非常大，如金属蒸汽/等离子体的温度可高达800(TC以 上，而固化区的温度可能在几百度，并且所焊接的材料熔点差别很大， 如铝合金的熔点大约为600°C，而钛合金则在170(TC左右。这些难题使 得精确测量激光焊接时焊缝的温度场成为一个难题。本专利技术具体的标定 方法是在不同的区域利用不同的标定方法，在金属蒸汽/等离子体区域 采用的标定方法是，利用所获得的悍接过程的金属蒸汽/等离子体的特征 光谱，通过光谱相对强度法计算该区域的温度值；而对于熔池及凝固冷 却区域采用快速的热电偶测量标定的方法，即在利用高速摄像测量焊缝 灰度图像的同时利用热电偶测量不同位置的温度时间历程，通过对应其温度场的精确标定；(3) 根据焊缝剖面图得到焊缝接头的形状，提取出熔化区、热影响区 域和母材区域的分界轮廓线，焊缝剖面中各轮廓线为等温线，轮廓线所 对应的上、下表面处的温度对应相等，据此提取出上、下表面上对应熔 化区域、热影响区域和母材区域分界的等温线；(4) 找出焊区上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向将上、下表面小 孔点直线相连，得到小孔在焊件内部的轴线位置，假设熔化区域和热影 响区域的尺寸在工件内部以小孔为轴，沿平行与工件表面的径向线性变 化，重构出熔化区域、热影响区域和母材区域的立体分界轮廓面；(5) 在任意厚度上，利用线性加权平均的方法，获得其温度场分布， 上表面温度的权值沿厚度方向由1线性变化到0;下表面温度的权值沿厚 度方向由0线性变化到1;(6) 根据上述熔化区域、热影响区温度场的三维分布数据，建立连续 的熔化区域、热影响区温度场的动态变化模型。熔化区域、热影响区温度场任意点的温度时间历程的计算方法是-将摄像头对准工件焊缝的固定位置，连续拍摄该处焊缝从焊接开始 直至焊接结束的整个时间段的焊接过程图片。对系列图片进行温度分析， 即得到该焊缝区域上、下表面温度场分布随时间的变化关系。指定区域 中的某一点，则可得到该点温度随时间变化的曲线(该点的热循环过程 曲线)。工件内部某点的热循环过程曲线是该点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光焊接温度场三维测量方法，其特征在于：其步骤是：（１）利用图像传感系统获得激光焊接时，熔化区域及其热影响区域的灰度图像；（２）对焊接时上、下表面的熔化区域及其热影响区域的灰度图像进行各区域的温度标定；（３）根据焊缝剖面图得到焊缝接头的形状，提取出熔化区、热影响区域和母材区域的分界轮廓线，焊缝剖面中各轮廓线为等温线，轮廓线所对应的上、下表面处的温度对应相等，据此提取出上、下表面对应熔化区域、热影响区域和母材区域分界的等温线；（４）找出焊区上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向将上、下表面小孔中心直线相连，得到小孔在焊件内部的轴线位置，假设熔化区域和热影响区域的尺寸在工件内部以小孔为轴，沿平行与工件表面的径向线性变化，重构出熔化区域、热影响区域和母材区域的立体分界轮廓面；（５）在任意厚度上，利用线性加权平均的方法，获得其温度场分布。　（６）根据上述熔化区域、热影响区温度场的三维分布数据，建立连续的熔化区域、热影响区温度场的动态变化模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段爱琴，巩水利，张朴，陈俐，陈新松，
申请(专利权)人：中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]