一種雷射焊接溫度場三維測量方法

2023-07-20 16:18:26

專利名稱：一種雷射焊接溫度場三維測量方法
技術領域：
本發明是一種雷射焊接溫度場三維測量方法，屬於測量技術領域。
技術背景由於金屬材料中熱傳播速度很快，雷射焊接時熱源密度高度集中， 因此焊接時溫度場非常不均勻，特別由於雷射焊接時存在高溫金屬蒸汽/ 等離子體、液態熔池、固態的熱影響區以及凝固冷卻區域，即使對於同 樣材料的焊接，這些區域的溫度差別都非常大，如金屬蒸汽/等離子體的溫度可高達800(TC以上，而固化區的溫度可能在幾百度，並且所焊接的 材料熔點差別很大，如鋁合金的熔點大約為600°C，而鈦合金則在1700 "C左右。這些難題使得精確計算和測量雷射焊接時焊縫的溫度場成為一 個難題。目前雷射焊接溫度場的研究方法，主要是依賴有限元模擬的方 法。但是由於雷射焊接過程的複雜性以及很多材料的熱物性參量不能精 確測量，使得在溫度場計算時利用了很多假設進行簡化，因而儘管國內 外在該方面的研究也比較多，如Rosenthal的熱源模型簡便快捷，可以 用來粗略估算距離熔池較遠處的溫度。Arata引入了垂直於熱源方向運動 的、密度均勻的帶狀熱源或矩形熱源，熱源寬度和小孔直徑相當。 Mazumder等)發展了一種應用於雷射焊的三維傳熱模型。Arata和Inow 報導，點線熱源的近似常常在熱源周圍得到不能令人滿意的結果；因此 他們提出了一種點、線熱源之間的近似模型，引入了一個標量"P"，並 用數值方法計算了溫度分布。Steen將孔口等離子體的點熱源和小孔線熱 源疊加，發展了點、線熱源的數學模型，較好地符合了焊接實際情況， 但對有限厚件並不能得到滿意結果。所有這些模擬研究都很難獲得精確 的數據，而由於焊接時溫度場不僅直接通過熱應變，而且還間接通過隨 金屬狀態和顯微組織變化引起的相變、應變決定焊接殘餘應力等，因而 精確的溫度場測量技術對於焊接結構的預測具有重要作用。 發明內容本發明的目的正是針對上述現有技術方案中存在的不足而設計提供 了一種雷射焊接溫度場三維測量方法，該種方法能夠適應不同雷射焊接源、焊接材料以及焊接工藝並能對焊縫及其熱影響區的溫度變化過程進 行測量、三維重構。本發明的目的是通過以下措施來實現的該種雷射焊接溫度場三維測量方法，其特徵在於其步驟是-(1) 利用圖像傳感系統獲得雷射焊接時，熔化區域及其熱影響區域的 灰度圖像；(2) 對焊接時上、下表面的熔化區域及其熱影響區域的灰度圖像進行 各區域的溫度標定；(3) 根據焊縫剖面圖得到焊縫接頭的形狀，提取出熔化區、熱影響區 域和母材區域的分界輪廓線，焊縫剖面中各輪廓線為等溫線，輪廓線所 對應的上、下表面處的溫度對應相等，據此提取出上、下表面上對應熔 化區域、熱影響區域和母材區域分界的等溫線；(4) 找出焊區上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向將上、下表面小 孔點直線相連，得到小孔在焊件內部的軸線位置，假設熔化區域和熱影 響區域的尺寸在工件內部以小孔為軸，沿平行與工件表面的徑向線性變 化，重構出熔化區域、熱影響區域和母材區域的立體分界輪廓面；(5) 在任意厚度上，利用線性加權平均的方法，獲得其溫度場分布。(6) 根據上述熔化區域、熱影響區溫度場的三維分布數據，建立連續 的熔化區域、熱影響區溫度場的動態變化模型。該發明的目的主要是利用高速攝像獲得的雷射焊接時上下表面的瞬 態溫度場的測量值，解決目前雷射焊接三維溫度場的獲得，依賴有限元 模型計算，而由於其熱源模型複雜而使該溫度場難以準確獲得，以及溫 度場的誤差為依賴溫度場值作為輸入值的有關焊接件的結構計算帶來很 大的誤差。本發明在解決雷射焊接瞬態表面溫度場測量的基礎上，通過 對焊縫截面的等溫線測量，構建出雷射焊接時的三維溫度場及其變化過 程，其結果的準確性是無可質疑的，且避開了有限元模擬計算雷射焊接 溫度場時，必須確定其熱源輸入模型這個複雜而且目前研究尚不清楚的 過程。為後期的焊接結構件的應力應變計算提供了準確的基礎數據。


圖1是本發明技術方案中雙CCD攝像機位圖像採集方式圖2是本發明技術方案中進行圖像解析及三維重構的計算機軟體流程3是熔化區域和熱影響區域根據灰度可以分為不同的區域圖4是對不同區域進行填充後形成的溫度場圖5是焊縫的剖面圖具體實施方式
以下將結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步地詳述-該種雷射焊接溫度場三維測量方法，其步驟是(1) 利用圖像傳感系統獲得雷射焊接時，熔化區域及其熱影響區域的灰度圖像；測量系統的構成採用雙光路系統，如圖1所示，採用兩套CCD圖像 傳感器同時測量正面和背面熔池圖像，該方案可保證測量的溫度場隨時 間變化的一致性，可得到某時刻溫度場的真實測量值。系統採用高像素 點的CCD圖像傳感器，以保證熔池表面溫度場有較高的幾何解析度。根 據分析的目的不同採用不同的溫度場測量方式若分析以小孔為中心的 熔池溫度場，則在拍攝圖像過程中，攝像頭與焊槍的相對位置不變；若 分析任意點的熱循環過程，則在拍攝圖像過程中，攝像頭與工件的相對 位置不變；(2) 對焊接時上、下表面的熔化區域及其熱影響區域的灰度圖像進行 各區域的溫度標定；雷射焊接溫度場的標定技術主要完成對上述所獲得的溫度場中各區 域溫度的標定。由於雷射焊接時存在高溫金屬蒸汽/等離子體、液態熔池、 固態的熱影響區以及凝固冷卻區域，即使對於同樣材料的焊接，這些區 域的溫度差別都非常大，如金屬蒸汽/等離子體的溫度可高達800(TC以 上，而固化區的溫度可能在幾百度，並且所焊接的材料熔點差別很大， 如鋁合金的熔點大約為600°C，而鈦合金則在170(TC左右。這些難題使 得精確測量雷射焊接時焊縫的溫度場成為一個難題。本發明具體的標定 方法是在不同的區域利用不同的標定方法，在金屬蒸汽/等離子體區域 採用的標定方法是，利用所獲得的悍接過程的金屬蒸汽/等離子體的特徵 光譜，通過光譜相對強度法計算該區域的溫度值；而對於熔池及凝固冷 卻區域採用快速的熱電偶測量標定的方法，即在利用高速攝像測量焊縫 灰度圖像的同時利用熱電偶測量不同位置的溫度時間歷程，通過對應其溫度場的精確標定；(3) 根據焊縫剖面圖得到焊縫接頭的形狀，提取出熔化區、熱影響區 域和母材區域的分界輪廓線，焊縫剖面中各輪廓線為等溫線，輪廓線所 對應的上、下表面處的溫度對應相等，據此提取出上、下表面上對應熔 化區域、熱影響區域和母材區域分界的等溫線；(4) 找出焊區上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向將上、下表面小 孔點直線相連，得到小孔在焊件內部的軸線位置，假設熔化區域和熱影 響區域的尺寸在工件內部以小孔為軸，沿平行與工件表面的徑向線性變 化，重構出熔化區域、熱影響區域和母材區域的立體分界輪廓面；(5) 在任意厚度上，利用線性加權平均的方法，獲得其溫度場分布， 上表面溫度的權值沿厚度方向由1線性變化到0;下表面溫度的權值沿厚 度方向由0線性變化到1;(6) 根據上述熔化區域、熱影響區溫度場的三維分布數據，建立連續 的熔化區域、熱影響區溫度場的動態變化模型。熔化區域、熱影響區溫度場任意點的溫度時間歷程的計算方法是-將攝像頭對準工件焊縫的固定位置，連續拍攝該處焊縫從焊接開始 直至焊接結束的整個時間段的焊接過程圖片。對系列圖片進行溫度分析， 即得到該焊縫區域上、下表面溫度場分布隨時間的變化關係。指定區域 中的某一點，則可得到該點溫度隨時間變化的曲線(該點的熱循環過程 曲線)。工件內部某點的熱循環過程曲線是該點在上、下表面投影點的熱循 環過程曲線的加權平均，則依據對上、下表面的熱循環過程的測量結果 可計算得到工件內部任意點的熱循環過程。上述計算過程是通過軟體來實現的，其流程如圖2所示。該軟體的 過程如下系統功能(1) 數據的採集① 熔池正背面圖像的採集。② 信號採集數據的存檔。在信號採集完成時，採集的原始數據根據 用戶需要以文件形式進行保存。(2) 圖像的預處理① 灰度變換。用戶可以根據自己的要求，將彩色圖片變成255階 數的灰度圖片。灰度變換採用國際照明協會的標準灰度變換算法。② 任意寬高比變換。在硬體條件允許的情況下(如內存條件等)， 用戶可以按照自己的要求設置任意的寬高比，修正圖像畸變。(D圖像裁剪與填充。用戶可以根據自己的要求，選取區域對圖像 裁剪與填充，並生成新圖，所選區域可調整。 ④任意角度旋轉(3) 圖像的坐標系確定。① 上下表面圖像的坐標系確定。根據及熔池對稱軸線及小孔位置， 重新確定圖像的坐標系。② 焊縫截面圖像處理。獲得截面上的各等溫線的坐標值。③ 焊接參數、圖像參數、溫度場標定參數的輸入(4) 溫度場的三維重構與計算。(5) 熔池溫度場的顯示和輸出① 同步顯示。系統可以同步追蹤當前滑鼠所在位置的狀態，並同步 顯示其顏色值，溫度值以及立體或平面的坐標值。② 溫度場的顯示。可根據需要選擇某個剖面進行觀測，並讀取當前 的溫度場分布數據。也可按要求同時顯示多個熔池剖面的溫度，或動態 顯示熔池的溫度，可顯示偽彩色圖或三維立體溫度圖。③ 將所獲得的三維溫度場、三維動態溫度場及焊縫中任意點熱歷程 曲線輸出為可在word等通用軟體中運行和顯示的文件。該軟體為一個獨立的專用圖像處理軟體，在一般配置的PC機的 Windows系統下運行。除了圖像採集及溫度場標定，其他的功能都由該軟 件完成。其工作方法是對所獲得的上下表面熔池及熱影響區的圖像進 行預處理；溫度場標定及通過坐標系的重構使上下表面形成三維溫度場 坐標系，然後通過重構算法獲得三維溫度場分布，並進行動態計算和顯 示，最後生成可在word等通用軟體中運行和顯示的文件。該發明的目的主要是解決目前雷射焊接三維溫度場的獲得，依賴有 限元模型計算，而由於其熱源模型複雜而使該溫度場難以準確獲得，以 及溫度場的誤差為依賴溫度場值作為輸入值的有關焊接件的結構計算帶 來很大的誤差。本發明在解決雷射焊接瞬態表面溫度場測量的基礎上，通過對焊縫截面的等溫線測量，構建出雷射焊接時的三維溫度場及其變 化過程，其結果的準確性是無可質疑的，且避開了有限元模擬計算雷射 焊接溫度場時，必須確定其熱源輸入模型這個複雜而且目前研究尚不清 楚的過程。為後期的焊接結構件的應力應變計算提供了準確的基礎數據。 同時也為雷射焊接時工藝參數的優化選取，以及其它相關研究提供了基 礎。
權利要求
1.一種雷射焊接溫度場三維測量方法，其特徵在於其步驟是(1)利用圖像傳感系統獲得雷射焊接時，熔化區域及其熱影響區域的灰度圖像；(2)對焊接時上、下表面的熔化區域及其熱影響區域的灰度圖像進行各區域的溫度標定；(3)根據焊縫剖面圖得到焊縫接頭的形狀，提取出熔化區、熱影響區域和母材區域的分界輪廓線，焊縫剖面中各輪廓線為等溫線，輪廓線所對應的上、下表面處的溫度對應相等，據此提取出上、下表面對應熔化區域、熱影響區域和母材區域分界的等溫線；(4)找出焊區上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向將上、下表面小孔中心直線相連，得到小孔在焊件內部的軸線位置，假設熔化區域和熱影響區域的尺寸在工件內部以小孔為軸，沿平行與工件表面的徑向線性變化，重構出熔化區域、熱影響區域和母材區域的立體分界輪廓面；(5)在任意厚度上，利用線性加權平均的方法，獲得其溫度場分布。(6)根據上述熔化區域、熱影響區溫度場的三維分布數據，建立連續的熔化區域、熱影響區溫度場的動態變化模型。
全文摘要
本發明是一種雷射焊接溫度場三維測量方法，其步驟是利用熔化區域及其熱影響區域的灰度圖像對焊接時上、下表面的熔化區域及其熱影響區域的灰度圖像進行各區域的溫度標定；提取出熔化區、熱影響區域和母材區域的分界輪廓線；找出焊區上、下表面中小孔的位置，得到小孔在焊件內部的軸線位置，重構出熔化區域、熱影響區域和母材區域的立體分界輪廓面；在任意厚度上，獲得其溫度場分布和熔化區域、熱影響區溫度場的三維分布數據，建立連續的熔化區域、熱影響區溫度場的動態變化模型。
文檔編號G01J5/00GK101324469SQ200810134879
公開日2008年12月17日 申請日期2008年8月6日 優先權日2008年8月6日
發明者鞏水利, 樸 張, 段愛琴, 俐 陳, 陳新松 申請人:中國航空工業第一集團公司北京航空製造工程研究所