CN101639456A - 一种激光焊接热循环参数的测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种激光焊接热循环参数的测试方法及其装置，先在两块焊接试板之间放置一楔形条，与楔形条斜面相对应的焊接试板的端面作为测温面，沿该焊接试板端面均布若干供放置热电偶的通孔，并相应设置热电偶，楔形条与热电偶的测温面保持紧密连接；至此，测温面与激光焊焊缝金属呈一定的角度；接着，从楔形条的底部开始作为焊接开始端，楔形条的顶部作为焊接结束端，随着激光焊热源的移动，均布植入的热电偶即可逐步接近焊缝金属，从而可以获得距焊缝垂直线上不同位置处的热循环参数。本发明能满足激光焊接热影响区热循环参数的测试，克服采用传统测温方法与系统中的难点问题。

Description

一种激光焊接热循环参数的测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及激光焊接技术，特别涉及一种激光快速加热与冷却过程中热影响区温度的激光焊接热循环参数的测试方法及其装置。

背景技术

激光焊作为高效节能型焊接方法，在大型结构的制造上具有广阔的应用前景。激光焊时激光束在板厚方向形成线状热源，能量密度高，无论是厚度较小的薄板还是超厚板与其他焊接方法相比，其焊接热输入非常小，焊道及热影响区窄，熔敷金属量最少，厚度方向热膨胀和热收缩均匀，焊接变形小，焊接质量容易保证。

焊接过程中邻近焊缝的母材受焊接热过程的作用而发生组织和性能的变化，这一区域称为焊接热影响区，热影响区是一个具有组织梯度和性能梯度非均匀连续体。与母材相比其塑性和韧性下降显著，这是由于该区处在焊缝和母材的过渡部位，不仅具有明显的物理和化学不均匀性，而且常在焊趾和焊根处出现咬边和裂纹等几何不均匀性所造成的应力集中，因而焊接热影响区是整个焊接接头中的一个薄弱环节。国内外对于焊接加热对母材组织和性能的影响在手工电弧焊基础上进行的大量研究成果目前已经在生产实际中得到广泛的应用。但是针激光焊接过程中焊接加热和冷却对母材组织和性能的影响随着激光焊方法在生产和制造领域的崛起而愈来愈受到重视。

焊接热影响区是一个小范围的局部区域，一般只有几个毫米，对于激光焊焊接接头来说则更小。要准确测定热影响区的性能并不是一件容易的事情。目前采用实际焊接接头试样和焊接热模拟试样两种方法来研究热影响区的组织和性能。一般情况下实际焊接接头缺口冲击试样或断裂韧性试样所测定的结果并不能代表热影响区的真实性能，它是母材、焊缝和热影响区综合性能的反映。尤其是激光焊接头的热影响区范围窄小，因此准确把缺口开该位置在实际操作中是不可能的。而焊接热模拟则是在计算机控制的热模拟机上对试样施加与实际焊接时相同或相近的热循环，从而在一个相当大的区域(2～5mm)获得与实际热影响区相同或相近的组织状态，因而可以制备足够尺寸的试样，对其进行组织和性能的研究。并且由热模拟试样测试的结果与实际粗晶区的真实值有相当的一致性。

对激光焊焊接接头热影响区组织和性能进行模拟需要准确的测定其焊接热循环，由于激光焊加热速度快和冷却速度快的特点，一般的热循环曲线测定试验方法的响应速度达不到要求而成为激光焊焊接热模拟的一个难点之一。

通常情况下焊接热循环曲线测定是在焊接近缝区植入热电偶，用测试仪器测量热电偶的一系列电势值，根据电势与温度对照表查得焊接热影响区的热循环曲线。激光焊接是高能密度焊接，热能作用时间快，记录仪器响应慢，以致常用的测试仪器不能很好的测得准确的热循环曲线；另外，在激光器功率不大的情况下，不能焊透试板，则不能得到实际的焊接热循环参数；再者，激光焊焊缝热影响区比较窄，很难确定所测试热影响区的位置。

国内外研究人员采用传统的热电偶法测试、数值计算与有限元理论分析等方法进行了大量的研究，不同研究者根据不同的材料和不同的研究手段得出的结果又不尽相同。

比如：在《电焊机》2007年37卷第7期中用数值模拟的方法对激光焊热影响区的热循环参数进行了研究；在2001年31卷第8期中则采用有限元的方法对焊接温度场进行了分析，并对350℃以下的模拟结果进行了验证。在《焊接技术》2007年36卷第1期中采用ANSYS对激光焊接温度场进行了研究，以上文献均采用间接的方法进行研究和分析，为此必须根据激光焊接快速加热与冷却的特点开发相应的热循环曲线测试新技术，为获得焊接热影响区热循环参数提供支持。

中国专利申请号200510105426.4公开了“一种非接触式激光焊接热循环的测量方法”，该发明采用非接触式测量方法，用红外传感器对激光焊接过程中焊缝的加热、冷却过程进行监视，通过信号处理，及特定的标定，获得整个过程的加热冷却情况。该方法虽然能大致对激光焊接热循环进行测量，但测量精度毕竟没有接触式测量精度高，同时该系统较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光焊接热循环参数的测试方法及其装置，能满足激光焊接热影响区热循环参数的测试，克服采用传统测温方法与系统中的难点问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

一种激光焊接热循环参数的测试方法，先在两块焊接试板之间放置一楔形条，与楔形条斜面相对应的焊接试板的端面作为测温面，沿该焊接试板端面均布若干供放置热电偶的通孔，并相应设置热电偶，楔形条与热电偶的测温面保持紧密连接；至此，测温面与激光焊焊缝金属呈一定的角度；接着，从楔形条的底部开始作为焊接开始端，楔形条的顶部作为焊接结束端，随着激光焊热源的移动，均布植入的热电偶即可逐步接近焊缝金属，从而可以获得距焊缝垂直线上不同位置处的热循环参数。

进一步，热电偶将数据经过数据采集与转换器传输至工控机或者计算机，实现数据的保存与信息显示。

本发明的一种用于激光焊接热循环参数测试的装置，其包括，二块焊接试板，一楔形条，贴合放置于二块焊接试板之间，与楔形条斜面相对的一焊接试板的端面上沿该端面均布通孔；热电偶，分别设置于焊接试板一端面均布的通孔内，楔形条与热电偶的测温面保持紧密连接；数据采集与转换器，与各热电偶电性连接，工控机或者计算机，与数据采集与转换器电性连接。

本发明在准确反映热影响区热循环参数方面，考虑加入楔形条的方法使测试点(面)逐步接近激光焊焊缝金属的方法，其原理为使测温点(面)与焊接面呈一定的角度(楔形)，从楔形的底部作为焊接开始端，楔形的顶部作为焊接结束端，随着激光焊热源的移动，均布植入的热电偶即可逐步接近焊缝金属，如果热电偶发生熔断则表明该部位实测的温度已经为焊缝金属熔池的温度。根据热电偶测温点与焊接面的距离可以获得激光焊热影响区不同位置的热循环参数。

本发明采用数据采集卡记录和转换热电偶传递的温度和电信号，通过计算机处理软件储存和实时显示温度数据。这样就解决了温度测试仪器响应时间慢的难题。本发明采用热电偶测温点与激光焊缝步进的方法获得焊接热循环参数，通过数据采集卡快速采集电信号，由工控机转换为温度信号，可分别在工控机硬盘和屏幕上保存和实时显示温度信息。

本发明可以很好的克服激光焊接快速加热和冷却速度快，一般记录仪不能快速响应的特点，方便地实现电信号与温度信号的转换、保存与显示。

本发明的有益效果

1.测试速度响应快。本发明采用数据采集卡记录和转换热电偶传递的温度和电信号，通过计算机处理软件储存和实时显示温度数据。本发明的测温方法和系统具有响应速度快、热电偶测试信号与温度信号采集与转换快等特点。

2.测试方便。本发明采用热电偶测温点与激光焊缝步进的方法获得焊接热循环参数，通过数据采集卡快速采集电信号，由工控机转换为温度信号，可分别在工控机硬盘和屏幕上保存和实时显示温度信息。本方法及系统数据保存与显示方便。

3.热影响区定位准确。本发明采用在平行的焊接试板之间加入楔形条的方法，使得测温点(面)与激光焊焊缝金属呈一定的角度，可以获得距焊缝垂直线上不同位置处的热循环参数。具有热影响区热循环参数定位准确的优点。

附图说明

图1为本发明激光焊接热循环参数的测试方法的示意图；

图2为本发明测温点(面)与焊缝金属逐步接近测温法原理图；

图3为本发明楔形条的示意图；

图4为本发明与楔形条紧密连接的试板示意图；

图5为热循环曲线示意图。

具体实施方式

参见图1～图4，本发明激光焊接热循环参数的测试方法，先在两块焊接试板1、2之间放置一楔形条3，与楔形条3斜面相对应的焊接试板2的端面21作为测温面，与楔形条3平面相对应的焊接试板1的端面11作为焊接面，沿该焊接试板端面21均布若干供放置热电偶的通孔22，并相应设置热电偶4，楔形条3与热电偶4的测温面保持紧密连接；测温面与激光焊焊缝金属呈一定的角度；接着，从楔形条3的底部开始作为焊接开始端，楔形条3的顶部作为焊接结束端，随着激光焊热源7的移动，均布植入的热电偶4即可逐步接近焊缝金属，从而可以获得距焊缝垂直线上不同位置处的热循环参数；热电偶4将数据经过数据采集与转换器5传输至工控机或者计算机6，实现数据的保存与信息显示。

本发明的一实施例，采用试板尺寸厚度为8mm，分别加工两块400×40mm试板，在其中一块试板上距板边90mm处加工直径为3mm的螺栓孔2个，在螺栓孔之间均布直径为3mm的通孔若干个，其中螺栓孔用来固定楔形条3与焊接试板2，固定连接好以后焊接热电偶。然后把连接好的试板与400×40mm的试板用点固焊的方式点焊。上述工作完成以后就可以在合适的激光焊接工艺参数下进行焊接和测温。

表1为距离焊接面不同距离位置点处的热循环参数最高温度值。由表1可知，随着热电偶测温点与焊缝面的距离减小，其最高温度值逐渐增大，直到接近焊缝金属熔合区的温度。

表1激光焊接热影响区热循环测试结果

热电偶编号	峰值温度/℃	热电偶距焊缝中心距离/mm
			01	831	2.86
02	991	2.38
			03	1129	1.78
04	1119	1.28
			05	1284	1.25
06	1356	1.20
			07	1499	1.10

参见图5，图5为热电偶01测得的热循环曲线，从该曲线可以获得在距离焊缝中心距离2.86mm处材料的加热与冷却时间。

Claims (3)

1.一种激光焊接热循环参数的测试方法，先在两块焊接试板之间放置一楔形条，与楔形条斜面相对应的焊接试板的端面作为测温面，沿该焊接试板端面均布若干供放置热电偶的通孔，并相应设置热电偶，楔形条与热电偶的测温面保持紧密连接；至此，测温面与激光焊焊缝金属呈一定的角度；接着，从楔形条的底部开始作为焊接开始端，楔形条的顶部作为焊接结束端，随着激光焊热源的移动，均布植入的热电偶即可逐步接近焊缝金属，从而可以获得距焊缝垂直线上不同位置处的热循环参数。

2.如权利要求1所述的激光焊接热循环参数的测试方法，其特征是，热电偶将数据经过数据采集与转换器传输至工控机或者计算机，实现数据的保存与信息显示。

3.一种用于权利要求1所述的激光焊接热循环参数测试的装置，其特征是，包括，

二块焊接试板，

一楔形条，贴合放置于二块焊接试板之间，与楔形条斜面相对的一焊接试板的端面上沿该端面均布通孔；

热电偶，分别设置于焊接试板一端面均布的通孔内，楔形条与热电偶的测温面保持紧密连接；

数据采集与转换器，与各热电偶电性连接，

工控机或者计算机，与数据采集与转换器电性连接。

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