專(zhuān)利名稱(chēng)：一種激光焊接溫度場(chǎng)三維測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種激光焊接溫度場(chǎng)三維測(cè)量方法，屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景由于金屬材料中熱傳播速度很快，激光焊接時(shí)熱源密度高度集中， 因此焊接時(shí)溫度場(chǎng)非常不均勻，特別由于激光焊接時(shí)存在高溫金屬蒸汽/ 等離子體、液態(tài)熔池、固態(tài)的熱影響區(qū)以及凝固冷卻區(qū)域，即使對(duì)于同 樣材料的焊接，這些區(qū)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(dá)800(TC以上，而固化區(qū)的溫度可能在幾百度，并且所焊接的 材料熔點(diǎn)差別很大，如鋁合金的熔點(diǎn)大約為600°C，而鈦合金則在1700 "C左右。這些難題使得精確計(jì)算和測(cè)量激光焊接時(shí)焊縫的溫度場(chǎng)成為一 個(gè)難題。目前激光焊接溫度場(chǎng)的研究方法，主要是依賴(lài)有限元模擬的方 法。但是由于激光焊接過(guò)程的復(fù)雜性以及很多材料的熱物性參量不能精 確測(cè)量，使得在溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)利用了很多假設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)化，因而盡管?chē)?guó)內(nèi) 外在該方面的研究也比較多，如Rosenthal的熱源模型簡(jiǎn)便快捷，可以 用來(lái)粗略估算距離熔池較遠(yuǎn)處的溫度。Arata引入了垂直于熱源方向運(yùn)動(dòng) 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(dāng)。 Mazumder等)發(fā)展了一種應(yīng)用于激光焊的三維傳熱模型。Arata和Inow 報(bào)道，點(diǎn)線熱源的近似常常在熱源周?chē)玫讲荒芰钊藵M意的結(jié)果；因此 他們提出了一種點(diǎn)、線熱源之間的近似模型，引入了一個(gè)標(biāo)量"P"，并 用數(shù)值方法計(jì)算了溫度分布。Steen將孔口等離子體的點(diǎn)熱源和小孔線熱 源疊加，發(fā)展了點(diǎn)、線熱源的數(shù)學(xué)模型，較好地符合了焊接實(shí)際情況， 但對(duì)有限厚件并不能得到滿意結(jié)果。所有這些模擬研究都很難獲得精確 的數(shù)據(jù)，而由于焊接時(shí)溫度場(chǎng)不僅直接通過(guò)熱應(yīng)變，而且還間接通過(guò)隨 金屬狀態(tài)和顯微組織變化引起的相變、應(yīng)變決定焊接殘余應(yīng)力等，因而 精確的溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)具有重要作用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)方案中存在的不足而設(shè)計(jì)提供 了一種激光焊接溫度場(chǎng)三維測(cè)量方法，該種方法能夠適應(yīng)不同激光焊接源、焊接材料以及焊接工藝并能對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)的溫度變化過(guò)程進(jìn) 行測(cè)量、三維重構(gòu)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的該種激光焊接溫度場(chǎng)三維測(cè)量方法，其特征在于其步驟是-(1) 利用圖像傳感系統(tǒng)獲得激光焊接時(shí)，熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的 灰度圖像；(2) 對(duì)焊接時(shí)上、下表面的熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的灰度圖像進(jìn)行 各區(qū)域的溫度標(biāo)定；(3) 根據(jù)焊縫剖面圖得到焊縫接頭的形狀，提取出熔化區(qū)、熱影響區(qū) 域和母材區(qū)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(duì)應(yīng)的上、下表面處的溫度對(duì)應(yīng)相等，據(jù)此提取出上、下表面上對(duì)應(yīng)熔 化區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域分界的等溫線；(4) 找出焊區(qū)上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向?qū)⑸稀⑾卤砻嫘?孔點(diǎn)直線相連，得到小孔在焊件內(nèi)部的軸線位置，假設(shè)熔化區(qū)域和熱影 響區(qū)域的尺寸在工件內(nèi)部以小孔為軸，沿平行與工件表面的徑向線性變 化，重構(gòu)出熔化區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域的立體分界輪廓面；(5) 在任意厚度上，利用線性加權(quán)平均的方法，獲得其溫度場(chǎng)分布。(6) 根據(jù)上述熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的三維分布數(shù)據(jù)，建立連續(xù) 的熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化模型。該發(fā)明的目的主要是利用高速攝像獲得的激光焊接時(shí)上下表面的瞬 態(tài)溫度場(chǎng)的測(cè)量值，解決目前激光焊接三維溫度場(chǎng)的獲得，依賴(lài)有限元 模型計(jì)算，而由于其熱源模型復(fù)雜而使該溫度場(chǎng)難以準(zhǔn)確獲得，以及溫 度場(chǎng)的誤差為依賴(lài)溫度場(chǎng)值作為輸入值的有關(guān)焊接件的結(jié)構(gòu)計(jì)算帶來(lái)很 大的誤差。本發(fā)明在解決激光焊接瞬態(tài)表面溫度場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過(guò) 對(duì)焊縫截面的等溫線測(cè)量，構(gòu)建出激光焊接時(shí)的三維溫度場(chǎng)及其變化過(guò) 程，其結(jié)果的準(zhǔn)確性是無(wú)可質(zhì)疑的，且避開(kāi)了有限元模擬計(jì)算激光焊接 溫度場(chǎng)時(shí)，必須確定其熱源輸入模型這個(gè)復(fù)雜而且目前研究尚不清楚的 過(guò)程。為后期的焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。


圖1是本發(fā)明技術(shù)方案中雙CCD攝像機(jī)位圖像采集方式圖2是本發(fā)明技術(shù)方案中進(jìn)行圖像解析及三維重構(gòu)的計(jì)算機(jī)軟件流程3是熔化區(qū)域和熱影響區(qū)域根據(jù)灰度可以分為不同的區(qū)域圖4是對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行填充后形成的溫度場(chǎng)圖5是焊縫的剖面圖具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述-該種激光焊接溫度場(chǎng)三維測(cè)量方法，其步驟是(1) 利用圖像傳感系統(tǒng)獲得激光焊接時(shí)，熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的灰度圖像；測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成采用雙光路系統(tǒng)，如圖1所示，采用兩套CCD圖像 傳感器同時(shí)測(cè)量正面和背面熔池圖像，該方案可保證測(cè)量的溫度場(chǎng)隨時(shí) 間變化的一致性，可得到某時(shí)刻溫度場(chǎng)的真實(shí)測(cè)量值。系統(tǒng)采用高像素 點(diǎn)的CCD圖像傳感器，以保證熔池表面溫度場(chǎng)有較高的幾何分辨率。根 據(jù)分析的目的不同采用不同的溫度場(chǎng)測(cè)量方式若分析以小孔為中心的 熔池溫度場(chǎng)，則在拍攝圖像過(guò)程中，攝像頭與焊槍的相對(duì)位置不變；若 分析任意點(diǎn)的熱循環(huán)過(guò)程，則在拍攝圖像過(guò)程中，攝像頭與工件的相對(duì) 位置不變；(2) 對(duì)焊接時(shí)上、下表面的熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的灰度圖像進(jìn)行 各區(qū)域的溫度標(biāo)定；激光焊接溫度場(chǎng)的標(biāo)定技術(shù)主要完成對(duì)上述所獲得的溫度場(chǎng)中各區(qū) 域溫度的標(biāo)定。由于激光焊接時(shí)存在高溫金屬蒸汽/等離子體、液態(tài)熔池、 固態(tài)的熱影響區(qū)以及凝固冷卻區(qū)域，即使對(duì)于同樣材料的焊接，這些區(qū) 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(dá)800(TC以 上，而固化區(qū)的溫度可能在幾百度，并且所焊接的材料熔點(diǎn)差別很大， 如鋁合金的熔點(diǎn)大約為600°C，而鈦合金則在170(TC左右。這些難題使 得精確測(cè)量激光焊接時(shí)焊縫的溫度場(chǎng)成為一個(gè)難題。本發(fā)明具體的標(biāo)定 方法是在不同的區(qū)域利用不同的標(biāo)定方法，在金屬蒸汽/等離子體區(qū)域 采用的標(biāo)定方法是，利用所獲得的悍接過(guò)程的金屬蒸汽/等離子體的特征 光譜，通過(guò)光譜相對(duì)強(qiáng)度法計(jì)算該區(qū)域的溫度值；而對(duì)于熔池及凝固冷 卻區(qū)域采用快速的熱電偶測(cè)量標(biāo)定的方法，即在利用高速攝像測(cè)量焊縫 灰度圖像的同時(shí)利用熱電偶測(cè)量不同位置的溫度時(shí)間歷程，通過(guò)對(duì)應(yīng)其溫度場(chǎng)的精確標(biāo)定；(3) 根據(jù)焊縫剖面圖得到焊縫接頭的形狀，提取出熔化區(qū)、熱影響區(qū) 域和母材區(qū)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(duì)應(yīng)的上、下表面處的溫度對(duì)應(yīng)相等，據(jù)此提取出上、下表面上對(duì)應(yīng)熔 化區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域分界的等溫線；(4) 找出焊區(qū)上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向?qū)⑸?、下表面?孔點(diǎn)直線相連，得到小孔在焊件內(nèi)部的軸線位置，假設(shè)熔化區(qū)域和熱影 響區(qū)域的尺寸在工件內(nèi)部以小孔為軸，沿平行與工件表面的徑向線性變 化，重構(gòu)出熔化區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域的立體分界輪廓面；(5) 在任意厚度上，利用線性加權(quán)平均的方法，獲得其溫度場(chǎng)分布， 上表面溫度的權(quán)值沿厚度方向由1線性變化到0;下表面溫度的權(quán)值沿厚 度方向由0線性變化到1;(6) 根據(jù)上述熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的三維分布數(shù)據(jù)，建立連續(xù) 的熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化模型。熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)任意點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程的計(jì)算方法是-將攝像頭對(duì)準(zhǔn)工件焊縫的固定位置，連續(xù)拍攝該處焊縫從焊接開(kāi)始 直至焊接結(jié)束的整個(gè)時(shí)間段的焊接過(guò)程圖片。對(duì)系列圖片進(jìn)行溫度分析， 即得到該焊縫區(qū)域上、下表面溫度場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化關(guān)系。指定區(qū)域 中的某一點(diǎn)，則可得到該點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線(該點(diǎn)的熱循環(huán)過(guò)程 曲線)。工件內(nèi)部某點(diǎn)的熱循環(huán)過(guò)程曲線是該點(diǎn)在上、下表面投影點(diǎn)的熱循 環(huán)過(guò)程曲線的加權(quán)平均，則依據(jù)對(duì)上、下表面的熱循環(huán)過(guò)程的測(cè)量結(jié)果 可計(jì)算得到工件內(nèi)部任意點(diǎn)的熱循環(huán)過(guò)程。上述計(jì)算過(guò)程是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其流程如圖2所示。該軟件的 過(guò)程如下系統(tǒng)功能(1) 數(shù)據(jù)的采集① 熔池正背面圖像的采集。② 信號(hào)采集數(shù)據(jù)的存檔。在信號(hào)采集完成時(shí)，采集的原始數(shù)據(jù)根據(jù) 用戶需要以文件形式進(jìn)行保存。(2) 圖像的預(yù)處理① 灰度變換。用戶可以根據(jù)自己的要求，將彩色圖片變成255階 數(shù)的灰度圖片。灰度變換采用國(guó)際照明協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)灰度變換算法。② 任意寬高比變換。在硬件條件允許的情況下(如內(nèi)存條件等)， 用戶可以按照自己的要求設(shè)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(jù)自己的要求，選取區(qū)域?qū)D像 裁剪與填充，并生成新圖，所選區(qū)域可調(diào)整。 ④任意角度旋轉(zhuǎn)(3) 圖像的坐標(biāo)系確定。① 上下表面圖像的坐標(biāo)系確定。根據(jù)及熔池對(duì)稱(chēng)軸線及小孔位置， 重新確定圖像的坐標(biāo)系。② 焊縫截面圖像處理。獲得截面上的各等溫線的坐標(biāo)值。③ 焊接參數(shù)、圖像參數(shù)、溫度場(chǎng)標(biāo)定參數(shù)的輸入(4) 溫度場(chǎng)的三維重構(gòu)與計(jì)算。(5) 熔池溫度場(chǎng)的顯示和輸出① 同步顯示。系統(tǒng)可以同步追蹤當(dāng)前鼠標(biāo)所在位置的狀態(tài)，并同步 顯示其顏色值，溫度值以及立體或平面的坐標(biāo)值。② 溫度場(chǎng)的顯示?？筛鶕?jù)需要選擇某個(gè)剖面進(jìn)行觀測(cè)，并讀取當(dāng)前 的溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)。也可按要求同時(shí)顯示多個(gè)熔池剖面的溫度，或動(dòng)態(tài) 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(chǎng)、三維動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)及焊縫中任意點(diǎn)熱歷程 曲線輸出為可在word等通用軟件中運(yùn)行和顯示的文件。該軟件為一個(gè)獨(dú)立的專(zhuān)用圖像處理軟件，在一般配置的PC機(jī)的 Windows系統(tǒng)下運(yùn)行。除了圖像采集及溫度場(chǎng)標(biāo)定，其他的功能都由該軟 件完成。其工作方法是對(duì)所獲得的上下表面熔池及熱影響區(qū)的圖像進(jìn) 行預(yù)處理；溫度場(chǎng)標(biāo)定及通過(guò)坐標(biāo)系的重構(gòu)使上下表面形成三維溫度場(chǎng) 坐標(biāo)系，然后通過(guò)重構(gòu)算法獲得三維溫度場(chǎng)分布，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算和顯 示，最后生成可在word等通用軟件中運(yùn)行和顯示的文件。該發(fā)明的目的主要是解決目前激光焊接三維溫度場(chǎng)的獲得，依賴(lài)有 限元模型計(jì)算，而由于其熱源模型復(fù)雜而使該溫度場(chǎng)難以準(zhǔn)確獲得，以 及溫度場(chǎng)的誤差為依賴(lài)溫度場(chǎng)值作為輸入值的有關(guān)焊接件的結(jié)構(gòu)計(jì)算帶 來(lái)很大的誤差。本發(fā)明在解決激光焊接瞬態(tài)表面溫度場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)焊縫截面的等溫線測(cè)量，構(gòu)建出激光焊接時(shí)的三維溫度場(chǎng)及其變 化過(guò)程，其結(jié)果的準(zhǔn)確性是無(wú)可質(zhì)疑的，且避開(kāi)了有限元模擬計(jì)算激光 焊接溫度場(chǎng)時(shí)，必須確定其熱源輸入模型這個(gè)復(fù)雜而且目前研究尚不清 楚的過(guò)程。為后期的焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 同時(shí)也為激光焊接時(shí)工藝參數(shù)的優(yōu)化選取，以及其它相關(guān)研究提供了基 礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接溫度場(chǎng)三維測(cè)量方法，其特征在于其步驟是(1)利用圖像傳感系統(tǒng)獲得激光焊接時(shí)，熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的灰度圖像；(2)對(duì)焊接時(shí)上、下表面的熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的灰度圖像進(jìn)行各區(qū)域的溫度標(biāo)定；(3)根據(jù)焊縫剖面圖得到焊縫接頭的形狀，提取出熔化區(qū)、熱影響區(qū)域和母材區(qū)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(duì)應(yīng)的上、下表面處的溫度對(duì)應(yīng)相等，據(jù)此提取出上、下表面對(duì)應(yīng)熔化區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域分界的等溫線；(4)找出焊區(qū)上、下表面中小孔的位置，沿厚度方向?qū)⑸?、下表面小孔中心直線相連，得到小孔在焊件內(nèi)部的軸線位置，假設(shè)熔化區(qū)域和熱影響區(qū)域的尺寸在工件內(nèi)部以小孔為軸，沿平行與工件表面的徑向線性變化，重構(gòu)出熔化區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域的立體分界輪廓面；(5)在任意厚度上，利用線性加權(quán)平均的方法，獲得其溫度場(chǎng)分布。(6)根據(jù)上述熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的三維分布數(shù)據(jù)，建立連續(xù)的熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化模型。
全文摘要
本發(fā)明是一種激光焊接溫度場(chǎng)三維測(cè)量方法，其步驟是利用熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的灰度圖像對(duì)焊接時(shí)上、下表面的熔化區(qū)域及其熱影響區(qū)域的灰度圖像進(jìn)行各區(qū)域的溫度標(biāo)定；提取出熔化區(qū)、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域的分界輪廓線；找出焊區(qū)上、下表面中小孔的位置，得到小孔在焊件內(nèi)部的軸線位置，重構(gòu)出熔化區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域的立體分界輪廓面；在任意厚度上，獲得其溫度場(chǎng)分布和熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的三維分布數(shù)據(jù)，建立連續(xù)的熔化區(qū)域、熱影響區(qū)溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化模型。
文檔編號(hào)G01J5/00GK101324469SQ200810134879
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)明者鞏水利, 樸 張, 段愛(ài)琴, 俐 陳, 陳新松 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所