CN100565138C - 一种激光焊接温度场三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种激光焊接温度场三维测量方法

技术领域

本发明是一种激光焊接温度场三维测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

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8000℃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℃，而钛合金则在1700℃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“β”，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。

发明内容

本发明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一种激光焊接温度场三维测量方法，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。

本发明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。

该发明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。本发明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是本发明技术方案中双CCD摄像机位图像采集方式

图2是本发明技术方案中进行图像解析及三维重构的计算机软件流程图

图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发明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8000℃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℃，而钛合金则在1700℃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。本发明具体的标定方法是：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，利用所获得的焊接过程的金属蒸汽/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，通过对应其温度和灰度值获得温度场的精确标定；

(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在上、下表面投影点的热循环过程曲线的加权平均，则依据对上、下表面的热循环过程的测量结果可计算得到工件内部任意点的热循环过程。

上述计算过程是通过软件来实现的，其流程如图2所示。该软件的过程如下：

系统功能：

(1)数据的采集

①熔池正背面图像的采集。

②信号采集数据的存档。在信号采集完成时，采集的原始数据根据用户需要以文件形式进行保存。

(2)图像的预处理

①灰度变换。用户可以根据自己的要求，将彩色图片变成255阶数的灰度图片。灰度变换采用国际照明协会的标准灰度变换算法。

②任意宽高比变换。在硬件条件允许的情况下(如内存条件等)，用户可以按照自己的要求设置任意的宽高比，修正图像畸变。

③图像裁剪与填充。用户可以根据自己的要求，选取区域对图像裁剪与填充，并生成新图，所选区域可调整。

④任意角度旋转

(3)图像的坐标系确定。

①上下表面图像的坐标系确定。根据及熔池对称轴线及小孔位置，重新确定图像的坐标系。

②焊缝截面图像处理。获得截面上的各等温线的坐标值。

③焊接参数、图像参数、温度场标定参数的输入

(4)温度场的三维重构与计算。

(5)熔池温度场的显示和输出

①同步显示。系统可以同步追踪当前鼠标所在位置的状态，并同步显示其颜色值，温度值以及立体或平面的坐标值。

②温度场的显示。可根据需要选择某个剖面进行观测，并读取当前的温度场分布数据。也可按要求同时显示多个熔池剖面的温度，或动态显示熔池的温度，可显示伪彩色图或三维立体温度图。

③将所获得的三维温度场、三维动态温度场及焊缝中任意点热历程曲线输出为可在word等通用软件中运行和显示的文件。

该软件为一个独立的专用图像处理软件，在一般配置的PC机的Windows系统下运行。除了图像采集及温度场标定，其他的功能都由该软件完成。其工作方法是：对所获得的上下表面熔池及热影响区的图像进行预处理；温度场标定及通过坐标系的重构使上下表面形成三维温度场坐标系，然后通过重构算法获得三维温度场分布，并进行动态计算和显示，最后生成可在word等通用软件中运行和显示的文件。

该发明的目的主要是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。本发明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。同时也为激光焊接时工艺参数的优化选取，以及其它相关研究提供了基础。

Claims (1)

1.一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，熔化区域和热影响区域的尺寸在工件内部以小孔为轴，沿平行于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。

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