CN102538998A - 一种激光焊接温度场的实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光焊接温度场的实时测量方法，具体为：测量准备步骤：将与待焊实件相同材料的样件置于实件前端，样件的焊缝与实件的焊缝在同一轨迹上，样件背面焊缝处埋有双丝热电偶，焊机上设有热辐射图像采集装置；样件标定步骤：对样件焊接，利用双丝热电偶获取温度数据，利用热辐射图像采集装置采集图像信息，建立两者的对应关系；实件测量步骤：对实件焊接，利用热辐射图像采集装置采集图像数据信息，查询建立的对应关系，获取实件焊接加工区的温度场数据。本发明样件焊接中采用热电偶进行温度测量，保证温度场图像数据标定的准确度；在实件焊接时仅采用热辐射图像测温装置，克服了热电偶响应速度慢的缺点，满足焊接加工实时测温的要求。

Description

一种激光焊接温度场的实时测量方法

技术领域

本发明涉及激光焊接过程监测技术领域，特别涉及对激光焊接过程中加工区温度场实时测量的方法。

背景技术

激光焊接过程中加工区温度场的动态分布直接影响接头的形态、金相组织、力学性能及应力变形等，最终影响到接头质量水平。因此焊接加工区温度场的实时测量对实现焊接质量的控制具有重要意义。然而在激光焊接过程中不仅焊接热循环速度快，而且熔池温度高，这给焊接温度场的实时准确测量带来了困难。传统的热电偶测温方法具有精度高的特点，但响应速度较慢、在测量过程中需要与母材接触，并且是点测量，难以满足焊接实时温度场测量的要求。热辐射测温法具有非接触、响应速度快的特点，然而物体的辐射发射率会随其材料、温度、辐射波长变化，从而对热辐射测温结果产生影响，并且环境因素也会对测量结果产生一定影响。本发明提出一种将热电偶测温和热辐射测温优势相结合的方法，用以对焊接温度场进行实时测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时、准确测量激光焊接过程加工区温度场的方法。

一种激光焊接温度场的实时测量方法，包括以下步骤：

测量准备步骤：将与待焊实件相同材料的样件置于待焊实件前端，样件的焊缝与实件的焊缝在同一轨迹上，样件背面焊缝处埋有双丝热电偶，焊机上设有热辐射图像采集装置；

样件标定步骤：对样件进行焊接，利用双丝热电偶获取温度数据，利用热辐射图像采集装置采集样件加工区的图像信息，建立温度数据与图像数据信息的对应关系；

实件测量步骤：对实件进行焊接，利用热辐射图像采集装置采集实件焊接加工区的图像信息，通过查询在样件标定步骤建立的对应关系，获取实件焊接加工区的温度场数据。

所述样件标定步骤中的温度数据的具体实现方式为：

令热电偶A的标称最高工作温度为T_A，时间常数为τ_A；热电偶B的标称最高工作温度为T_B，时间常数为τ_B，T_B＞T_A；样件焊接过程中，记热电偶A的电势第一次达到极大值的时刻为t_Am，并记两个热电偶到达最高工作温度T_A、T_B对应的时刻分别为t₁、t₂。

依据热电偶分度表分别把t₁时刻前的热电偶A的电势U_A(t)及t₂时刻前热电偶B的电势U_B(t)转化成相应的温度数据Θ_A(t)、Θ_B(t)；

当采样时刻t≤t₁，依据公式Θ(t)＝Θ_A(t)+kτ_AΘ_A′(t)和Θ(t)＝Θ_B(t)+kτ_BΘ_B′(t)计算出t时刻的温度Θ(t)和比值k；

当采样时刻t₁＜t≤t₂，依据公式Θ(t)＝Θ_B(t)+kτ_BΘ_B′(t)计算出t时刻的温度Θ(t)；

当采样时刻t＞t₂，依据公式Θ(t)＝Θ(t₂)k_B(t)计算出t时刻的温度Θ(t)，其中，

$k_B\left(t\right)=c_0+c_1\mathrm{\Δ}{U}_{B1}\left(t\right)+c_2\mathrm{\Δ}{U}_{B1}^2\left(t\right)+c_3\mathrm{\Δ}{U}_{B1}^3\left(t\right),$

ΔU_B1(t)＝U_B1(t)-U_B1(t₁)，U_B1(t)＝U_B(t)+kτ_BU′_B(t)，

系数c₀，c₁，c₂，c₃是利用采样时刻t₁到t_u间的实际温度Θ(t)及电动势U_A(t)对方程 $k_A\left(t\right)=c_0+c_1\mathrm{\Δ}{U}_{A1}\left(t\right)+c_2\mathrm{\Δ}{U}_{A1}^2\left(t\right)+c_3\mathrm{\Δ}{U}_{A1}^3\left(t\right)$ 进行拟合确定，其中，ΔU_A1(t)＝U_A1(t)-U_A1(t₁)，U_A1(t)＝U_A(t)+kτ_AU_A′(t)， $t_u=\left\{\begin{array}{cc}{t}_{\mathrm{Am}}& t_{\mathrm{Am}}\≤t_2\\ t_2& t_{\mathrm{Am}}>t_2\end{array}\right..$

本发明的有益效果：

1、在实件焊接前先使用与待焊材料相同的样件进行焊接加工，并对采集到的样件焊接数据进行处理后在线究成温度场图像的标定，从而克服了热辐射成像测温时因发射率变化及环境的改变而导致的测量误差。

2、在对样件焊接时，采用双丝热电偶进行温度测量及校准，减小了热电偶测量瞬变高温时存在的较大误差，提高了测量准确度。

3、样件焊接中直接采用热电偶进行温度测量，保证了温度场图像数据标定的准确度；在实件焊接时仅采用热辐射图像测温系统，克服了热电偶响应速度慢的缺点，可满足焊接加工实时测温的要求。

附图说明

图1为热电偶在样件背面放置位置示意图。

图2为两个热电偶测量热电势变化曲线示意图。

图3为热电偶测量点处实际温度变化曲线示意图。

图4为预测模型示意图。

图5为焊接加工区温度场示意图。

具体实施方式

1、焊接前准备：

(1)焊接加工材料的固定

按照规定的要求对焊接实件进行安装与固定，然后在实件的前端按照同样的要求放置焊接样件，如图1示。

(2)热电偶的选择

对于同样材料的热电偶，直径越大，工作温度的上限越高，但其对待测温度场的影响就越大，测量结果准确度就越低，因此在实际测量中，应尽可能选择小直径偶丝。本发明选用两个材料相同，但直径不同的热电偶，假设热电偶A的偶丝直径为Ф_A，标称最高工作温度为T_A，时间常数为τ_A；热电偶B的偶丝直径为Ф_B，标称最高工作温度为T_B，时间常数为τ_B。考虑到若选取的偶丝直径相差很大，必然会导致其中一只热电偶直径太大，而偶丝直径相差很小的话，又会影响到较高温度的测量，因而这里选取Ф_B≈2Ф_A，则T_B＞T_A，τ_B＞τ_A。

(3)热电偶的放置与数据采集

将两个热电偶固定在样件背面焊缝中心P₀位置，P₀为热电偶的温度数据采集点；取位于P₀的前端距离为0.5毫米的P′₀点为温度场图像数据采集点。P′₀与P₀的距离足够近，这样可认为在焊接过程中该点历经的温度变化过程与P₀点的相同，但同时该点的图像测量值还能不受P₀点安装热电偶的影响，P₁P′₀和P₀P₂的长度均为一个温度场图像长度。P₂P₃的长度应保证焊枪经过此区段时，系统能够完成对图像温度场的标定工作，如图1所示。在P₁点之前焊接应达到稳定状态，P₁点启动热电偶数据采集系统和热辐射图像的数据采集系统，P₂点停止采集。P₃点再次启动热辐射图像的数据采集系统。

(4)热辐射温度场图像的数据采集装置

摄像头固定在焊机上，对准热加工区域，在焊接过程中，它与热加工区的相对位置保持不变。激光焊接热辐射图像经过图像采集卡进入计算机，通过专用测温软件分析，可得到温度场分布。

2、样件焊接

焊接前准备工作完成以后，按照先样件后实件的顺序连续进行焊接加工。在样件焊接过程中需要完成对温度场图像的标定，从而用于实件焊接时温度场的实时测量。主要步骤如下：

2.1热电偶数据采集及处理

在对样件进行激光加工焊接时，启动数据采集系统。此时，两个热电偶的热电势信号通过采样系统送至计算机，并记时刻t采集到的热电偶的热电势为U(t)，而图像数据采集系统同步将温度场图像送至计算机。在样件焊到P₂点时，停止对热电偶和热辐射图像的数据采集。

数据采集停止后，对样件焊接过程中利用热电偶所采集的P₀点的测量数据进行如下处理：

(1)、记启动数据采集系统的时刻为t₀，样件焊接到P₂点的时刻为t_f。当激光焦点从远到近接近热电偶时，开始阶段热电偶的温度单调上升，故此阶段对应的电动势也应单调上升。在t₀到t_f之间，选取热电偶A、B的电势第一次达到极大值的时刻t_Am、t_Bm，并记相应时刻对应电动势为U_Am、U_Bm，如图2所示。

(2)、根据分度表查出两个热电偶最高工作温度T_A和T_B所对应的电动势U_A1和U_B1。记两个热电偶测量曲线上对应电势U_A1、U_B1的时刻分别为t₁、t₂，如图2所示。

(3)、根据存储在计算机的热电偶分度表，分别把t₁时刻前的热电偶A的电势U_A(t)及t₂时刻前热电偶B的电势U_B(t)转化成相应的温度数据Θ_A(t)、Θ_B(t)。

2.2、热电偶温度测量值的修正

热电偶的时间常数τ的一般表达式为：

τ＝ρcd/4h    (1)

式中：ρ-热电偶偶丝密度，c-热电偶偶丝比热容，d-热电偶偶丝直径，h-表面传热系数。

其中h取决于测量时的工况，决定了热电偶在测量不同对象时其时间常数不同，由(1)可知τ正比于1/h。通常热电偶参数中给出的时间常数是在沸水中测量得到的，因在而焊接测量时会有不同。由于本专利采用的偶丝材质相同，测量环境相同，因此两只热电偶实际时间常数与标称时间常数的比值相同，设为k。由于热电偶可近似为一阶环节，设时刻t的被测点的实际温度为Θ(t)，则Θ(t)可用两支热电偶的测量温度Θ_A(t)，Θ_B(t)分别表示为：

Θ(t)＝Θ_A(t)+kτ_AΘ_A′(t)    (2)

Θ(t)＝Θ_B(t)+kτ_BΘ_B′(t)    (3)

通过(2)、(3)两式可求得时间常数变化率k及t时刻的测量点的实际温度Θ(t)。

对热电偶测得的温度数据通过以下三段分别进行修正：

第一段：当t≤t₁时，采用双丝法根据式(2)、(3)求得实际温度Θ(t)，如图3中实曲线的区段①所示，同时计算出比值k。

第二段：当t₁＜t≤t₂时，热电偶A超出了工作温度范围，根据热电偶B测量值Θ_B(t)利用公式(3)求得实际温度Θ(t)，如图3中实曲线的区段②。

第三段：当t＞t₂时，热电偶B也超出了工作温度范围，其热电势大于U_B1时所对应的温度由本专利所建立的预测模型来计算。

模型的建立方法为：

选取时刻t₁为起始时刻，选取时刻t_Am(若t_Am＞t₂，则选取t₂)为截止时刻。

由于把热电偶近似为一阶环节，因此在建立模型时为了克服两个热电偶时间常数的不同对模型建立准确性的影响，在建立模型前先对热电偶A在t₁至t_Am之间的测得电动势U_A(t)作如下变换处理：

令U_A1(t)＝U_A(t)+kτ_AU_A′(t)  (4)

ΔU_A1(t)＝U_A1(t)-U_A1(t₁)     (5)

对上段已得到的t₁至t_Am之间的实际温度Θ(t)作如下处理：

令 $k_A\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Θ}\left(t\right)}{T_A}---\left(6\right)$

由于数据采集系统只在离散时刻采样，所以得到ΔU_A1(t)～k_A(t)关系如图4中离散点所示。

通常在高温环境下，随着温度的升高，热电势的增加变缓，不妨假设：

$k_A\left(t\right)=c_0+c_1\mathrm{\Δ}{U}_{A1}\left(t\right)+c_2\mathrm{\Δ}{U}_{A1}^2\left(t\right)+c_3\mathrm{\Δ}{U}_{A1}^3\left(t\right)---\left(7\right)$

利用最小二乘法对t₁到t_Am间数据进行拟合，得到系数c₀，c₁，c₂，c₃。拟合曲线如图4中实线所示，此即为温度预测模型。

本阶段温度计算步骤为：

(1)对热电偶B在t₂到t_Bm之间测得的电动势U_B(t)做如下变换

U_B1(t)＝U_B(t)+kτ_BU′_B(t)      (8)

并令ΔU_B1(t)＝U_B1(t)-U_B1(t₁)   (9)

则 $k_B\left(t\right)=c_0+c_1\mathrm{\Δ}{U}_{B1}\left(t\right)+c_2{\mathrm{\ΔU}}_{B1}^2\left(t\right)+c_3\mathrm{\Δ}{U}_{B1}^3\left(t\right)---\left(10\right)$

(2)t＞t₂时的预测温度为

Θ(t)＝Θ(t₂)k_B(t)    (11)

曲线如图3中实线的区段③所示。

2.3、CCD图像温度数据的标定

根据焊接速度v计算得到焊接过程从P′₀点焊接至P₀点所需要的时间间隔tΔ，由于P′₀点与P₀点的温度具有的相同的变化过程，故P′₀点在时刻t的温度值Θ′(t)等于P₀点在时刻t+t_Δ的温度值Θ(t+t_Δ)，即Θ′(t)＝Θ(t+t_Δ)。利用P′₀点在相同时刻的实际温度值与图像数据建立对应关系曲线，得到图像数据的温度标定曲线。热电偶历经了焊缝处完整的焊接热循环过程，而从图4中可看出，焊接温度场等温线以焊缝为轴成对称分布，因而利用温度标定曲线可实现对整幅温度场图像的标定。

3、实件焊接温度场实时测量

P₃点再次启动热辐射图像的数据采集系统，把焊接过程中所采集的图像数据送至计算机，计算机利用标定好的图像数据与温度之间的关系，计算得到实际温度，从而实现焊接过程中温度场的实时测量。

Claims (2)

1.一种激光焊接温度场的实时测量方法，包括以下步骤：

测量准备步骤：将与待焊实件相同材料的样件置于待焊实件前端，样件的焊缝与实件的焊缝在同一轨迹上，样件背面焊缝处埋有双丝热电偶，焊机上设有热辐射图像采集装置；

样件标定步骤：对样件进行焊接，利用双丝热电偶获取温度数据，利用热辐射图像采集装置采集样件加工区的图像信息，建立温度数据与图像数据信息的对应关系；

实件测量步骤：对实件进行焊接，利用热辐射图像采集装置采集实件焊接加工区的图像信息，通过查询在样件标定步骤建立的对应关系，获取实件焊接加工区的温度场数据。

2.根据权利要求1所述的激光焊接温度场的实时测量方法，其特征在于，所述样件标定步骤中的温度数据的具体实现方式为：

令热电偶A的标称最高工作温度为T_A，时间常数为τ_A；热电偶B的标称最高工作温度为T_B，时间常数为τ_B，T_B＞T_A；样件焊接过程中，记热电偶A的电势第一次达到极大值的时刻为t_Am，并记两个热电偶到达最高工作温度T_A、T_B对应的时刻分别为t₁、t₂。

依据热电偶分度表分别把t₁时刻前的热电偶A的电势U_A(t)及t₂时刻前热电偶B的电势U_B(t)转化成相应的温度数据Θ_A(t)、Θ_B(t)；

当采样时刻t≤t₁，依据公式Θ(t)＝Θ_A(t)+kτ_AΘ_A′(t)和Θ(t)＝Θ_B(t)+kτ_BΘ_B′(t)计算出t时刻的温度Θ(t)和比值k；

当采样时刻t₁＜t≤t₂，依据公式Θ(t)＝Θ_B(t)+kτ_BΘ_B′(t)计算出t时刻的温度Θ(t)；

当采样时刻t＞t₂，依据公式Θ(t)＝Θ(t₂)k_B(t)计算出t时刻的温度Θ(t)，其中，

$k_B\left(t\right)=c_0+c_1\mathrm{\Δ}{U}_{B1}\left(t\right)+c_2\mathrm{\Δ}{U}_{B1}^2\left(t\right)+c_3\mathrm{\Δ}{U}_{B1}^3\left(t\right),$

ΔU_B1(t)＝U_B1(t)-U_B1(t₁)，U_B1(t)＝U_B(t)+kτ_BU′_B(t)，

系数c₀，c₁，c₂，c₃是利用采样时刻t₁到t_u间的实际温度Θ(t)及电动势U_A(t)对方程 $k_A\left(t\right)=c_0+c_1\mathrm{\Δ}{U}_{A1}\left(t\right)+c_2\mathrm{\Δ}{U}_{A1}^2\left(t\right)+c_3\mathrm{\Δ}{U}_{A1}^3\left(t\right)$ 进行拟合确定，其中，

ΔU_A1(t)＝U_A1(t)-U_A1(t₁)，U_A1(t)＝U_A(t)+kτ_AU_A′(t)， $t_u=\left\{\begin{array}{cc}{t}_{\mathrm{Am}}& t_{\mathrm{Am}}\≤t_2\\ t_2& t_{\mathrm{Am}}>t_2\end{array}\right..$

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