CN102967374A - 一种激光焊接过程温度场的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，涉及一种激光焊接过程温度场的测量方法。本发明在激光焊接中，利用金属焊接时焊接接头横断面的熔合线，以及它代表的温度值（材料熔点温度值），设计一种激光焊接过程温度场的测量方法，对利用目前的红外热像仪及其软件处理系统所获得的热像和温度场进行精确标定，解决目前激光焊接时，由于金属蒸汽/等离子体辐射、温度变化快等本质因素的影响，所造成的利用现有红外热像系统获得的温度场结果与实际相比误差大，同时没有准确标定方法这一重要难题。本发明弥补了目前利用红外热像仪测量激光焊接温度场存在的障碍，为精确测量激光焊接过程中的熔化区及其热影响区域的温度场分布提供了途径。

Description

一种激光焊接过程温度场的测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种激光焊接过程温度场的测量方法。

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，但是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与热应变相关，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。目前比较常用的一种方法是利用红外热像技术实时拍摄焊接区域的热像，然后通过黑体辐射定律进行后处理计算，然后给出温度场分布。

红外热像仪(热成像仪或红外热成像仪)是通过非接触探测红外能量(热量)，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化，或测量，使我们不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。在实际使用中，红外热像仪所接收的辐射来自三种不同的辐射源，即被测物体的辐射、被测物体反射的环境辐射以及来自大气的辐射，仪器无法分辨三者的区别，因而虽然温度与辐射之间的关系是一个物理规律，但是，在从热像转化为温度值时，需要进行标定，从而消除被测物体反射的环境辐射以及来自大气的辐射的影响，标定好的热像仪首先测出目标的辐射，进而计算出温度。

在激光焊接这种特定的技术领域，焊接过程会伴随强烈的金属蒸汽/等离子体辐射，金属蒸汽/等离子体的温度可达8000℃以上，依据黑体辐射定律，这些辐射体会在红外热像仪测量响应的波长段产生很强的红外辐射信号，这些信号会进入红外热像中，而系统无法分辨它是来自测量目标面还是来自这些气体的红外辐射能量，从而导致测量结果产生很大的误差。因而虽然目前使用的红外热像仪都是经过严格标定的，但是由于热像仪的出厂标定，都是在标准的温度源下进行的，在激光焊接过程的温度场测量中，利用目前的红外热像及其软件处理系统所获得的温度场结果与实际的温度场具有相当大的误差（有时高达500°C），而所有系统没有针对这种特定技术的标定方法和可实用的标定标准，对所获得的热像进行准确的修正，导致实际测量的温度场无法进行实际应用。

发明内容

本发明的目的正是针对上述在激光焊接这种特定的技术领域中，现有红外热像仪存在的不足，而设计的一种激光焊接过程温度场的测量方法。

本发明的技术解决方案是：

（1）首先在焊缝上预设红外热像仪拍摄位置，用红外热像仪拍摄在激光焊接过程中此处的图像，并通过红外热像仪的软件，获得激光焊接该材料试件时熔化区域及其热影响区域的温度场分布图像和数据文件；

（2）将焊接后的试件在步骤（1）中的预设位置处进行焊接接头形貌的金相取样，在显微镜下获得该焊接接头的横剖面图像以及相应标尺，在接头图像中按照接头材料组织的变化，在焊缝上表面上确定焊缝的两条熔合线位置点，并根据被焊接材料的熔点确定两条熔合线位置点的温度；

（3）将相同位置处的焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值与红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值进行比较，

（3.1）红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值高于焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值，

调整红外热像仪的发射率，使红外热像仪的发射率增加，直到两个温度值相同；

（3.2）红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值低于焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值，

调整红外热像仪的发射率，使红外热像仪的发射率减小，直到两个温度值相同；

（4）将调整后的红外热像仪的发射率输入到红外热像仪的软件中，对在先获得的温度场分布图像和数据文件进行修正，得到被焊接材料的最终温度场分布图像和数据文件。

本发明具有的优点和有益效果，本发明在激光焊接中，利用金属焊接时焊接接头横断面的熔合线，以及它代表的温度值（材料熔点温度值），设计一种激光焊接过程温度场的测量方法，对利用目前的红外热像仪及其软件处理系统所获得的热像和温度场进行精确标定，解决目前激光焊接时，由于金属蒸汽/等离子体辐射、温度变化快等本质因素的影响，所造成的利用现有红外热像系统获得的温度场结果与实际相比误差大，同时没有准确标定方法这一重要难题。本发明通过焊接材料的熔点以及焊接接头横断面上显著的熔合线位置，对激光焊接金属材料时，熔化区域及其热影响区域的红外热像和温度场进行标定，获得最终的温度场分布图，其结果的准确性是无可质疑的，弥补了目前利用红外热像仪测量激光焊接温度场存在的障碍，为精确测量激光焊接过程中的熔化区及其热影响区域的温度场分布提供了途径。

同时，由于缺乏对激光焊接过程温度场的精确测量方法，目前激光焊接温度场的研究主要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，使得在有限元模拟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，但是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与热应变相关，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。

因此本发明也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。同时也为三维温度场的测量和重构技术提供了更准确的数据，对于其在整个领域的应用提供了方法。

该方法能够适应不同激光焊接源、焊接材料以及焊接工艺，并能对用不同热像仪拍摄的焊缝及其热影响区的热像，进行精确的温度标定，最终形成准确的温度场图像和数据文件。

具体实施方式

该种激光焊接过程红外热像的温度标定方法，其特征在于：其步骤是：

（1）首先在焊缝上预设红外热像仪拍摄位置，用红外热像仪拍摄在激光焊接过程中此处的图像，并通过红外热像仪的软件，获得激光焊接该材料试件时熔化区域及其热影响区域的温度场分布图像和数据文件；；

（2）将焊接后的试件在步骤（1）中的预设位置处进行焊接接头形貌的金相取样，在显微镜下获得该焊接接头的横剖面图像以及相应标尺，在接头图像中按照接头材料组织的变化，在焊缝上表面上确定焊缝的两条熔合线位置点（熔合线的定义：焊接接头横断面宏观腐蚀所显示的焊缝与母材交接的轮廓线，或焊缝金属与母材的分界线）。并根据被焊接材料的熔点确定两条熔合线位置点的温度；被焊接材料准确的熔点温度值可以通过可靠渠道（如材料生产厂家、材料手册以及标准）查找，该温度值是该材料的固有特性值，不随焊接过程而变化。

根据焊接技术中，有关熔合线的定义，它的温度值近似等于焊接材料的熔点温度。因而可以推断出在步骤（2）中所测量的焊缝上表面两个熔合线位置点间的距离，也就是焊接过程中沿垂直焊缝方向，在焊缝表面实际形成的最大温度值等于熔点温度值的距离。也就是说在步骤（2）中所找出的位置点，以及二者间的距离，反映在焊接的温度场分布图中，表征的温度值是材料的熔点温度，以及在焊接接头横断面上最高温度为熔点的间距。

（3）根据以上推断，在步骤（1）中所拍摄的红外热像上，相应于步骤（2）中焊接接头横断面相应的焊缝熔合线位置点的温度应该就是材料的熔点温度。根据此原理和推断，在步骤（1）中所拍摄的红外热像上，我们可以标定出两个熔合线点，以及准确地推断出它们的温度值，即材料的熔点温度值。

因此，将相同位置处的焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值与红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值进行比较：

（3.1）红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值高于焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值，调整红外热像仪的发射率，使红外热像仪的发射率增加，直到两个温度值相同；

（3.2）红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值低于焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值，调整红外热像仪的发射率，使红外热像仪的发射率减小，直到两个温度值相同；

在目前一般使用的红外热像仪中，普遍在软件中拥有对温度的标定设置，途径是通过修正红外热像仪计算软件中的一个可修正的参数，即发射率（发射率的定义：在同一温度下一表面发射的辐射量与一黑体发射的辐射量的比例，它的值介于0-100%的值）来进行修正和标定的（注：在不同的热像仪中，也有通过比如距离、外部环境等参数来修正温度值，但是其结果与修正发射率相一致，因而可以只修正发射率来达到相同的目的）。据此，可以在软件中，通过改变发射率，使得红外热像上相应熔合线位置点的温度值正好达到材料的熔点温度，此时发射率的值，就是该激光焊接条件下，实际应该使用的发射率值。

（4）将调整后的红外热像仪的发射率输入到红外热像仪的软件中，对在先获得的温度场分布图像和数据文件进行修正，得到被焊接材料的最终温度场分布图像和数据文件。

修正好的发射率值可以适用于同样焊接材料、同样激光器类型和同样的保护气体下的激光焊接过程中。但是由于修正好的发射率与焊接材料和焊接过程产生的金属蒸汽/等离子体的红外辐射密切相关，因而针对不同焊接材料、不同激光器类型和不同的保护气体时的激光焊接过程必须进行相应的精确标定。

实施例一

该种激光焊接过程红外热像的温度标定方法，其步骤是：

(1)首先准备焊接试件：材料牌号为TA15，厚度为2.5mm，试件为200mm长，150mm宽的平板试件，在试件的焊接位置画好一个明显的位置标志，在下面的焊接中焊接轨迹必须通过这一点，并且在用红外热像仪拍摄热像时，拍摄到这一位置的热像，并且能在图像上给定明确的位置。

然后选择激光焊接参数：使用德国通快生产的TL4000YAG激光器，激光波长为1.06微米；焊接时使用氩气作为保护气体，焊接功率为2800W，焊接速度为：2米/分钟。

试验使用红外热像仪：瑞典FLIR公司生产的型号为FLIR325的热像仪及其相应的软件。测量温度范围：300℃--2000℃，响应波长：6.5-13.5微米。

红外热像仪安装在与焊接试件以及激光束呈45度角的方向，固定安装，在焊接过程中移动焊接头带动激光束进行堆焊试验。拍摄时发射率为0.95。

最后，用红外热像仪FLIR325拍摄激光焊接该试件时，预设位置的焊缝及其热影响区域的红外热像，然后通过热像仪的软件，获得激光焊接该材料试件时，其熔化区域及其热影响区域的温度场分布图像和数据文件；

(2)将焊接后的试件在步骤（1）中的预设位置进行焊接接头形貌的金相取样，在显微镜下获得该焊接接头的横剖面图像以及相应标尺，在接头图像中按照接头材料组织的变化，在焊缝上表面上确定焊缝的两条熔合线位置点，然后测量这两个位置点间的距离为2.4mm，得到该位置焊缝上表面的熔化区域实际宽度为2.4mm。

(3)通过材料生产厂家查找到步骤（1）中所用焊接试件材料的准确的熔点温度值是1690℃。该温度值是该材料的固有特性值，不随焊接过程而变化。

(4)根据焊接技术中，有关熔合线的定义，它的温度值近似等于焊接材料的熔点温度。因而可以推断出在步骤（2）中所测量的焊缝上表面两个熔合线位置点间的距离（2.4mm），也就是焊接过程中沿垂直焊缝方向，在焊缝表面实际形成的最大温度值等于熔点温度值1690℃的距离。也就是说在步骤（2）中所找出的位置点，以及二者间的距离，反映在焊接的温度场分布图中，表征的温度值是材料的熔点温度1690℃，以及在焊接接头横断面上最高温度为熔点1690℃的间距。

(5)根据以上推断，在步骤（1）中所拍摄的红外热像上，相应于步骤（2）中焊接接头横断面相应的焊缝熔合线位置点的温度应该就是材料的熔点温度1690℃。根据此原理和推断，在步骤（1）中所拍摄的红外热像上，标定出两个熔合线点（间距为2.4mm），它们的温度值为熔点温度值1690℃。

(6)在FLIR325红外热像仪软件中，可以通过修正发射率、距离、外部环境几个参数来校正温度计算，其算法一致，因而可以将其统一到发射率一个参数来修正。当发射率从拍摄时的0.95降低到0.3时，在相应的熔合线位置点上，温度显示为TA15材料的熔点温度值1690℃。因此在YAG激光焊接TA15氩气作为保护气体时，发射率的值修正值应该为0.3。

(7)根据以上修正后的发射率值0.3，对步骤（1）中所拍摄的热像再进行温度计算显示，获得激光焊接该材料试件时，其熔化区域及其热影响区域的准确的温度场分布图像和数据文件；也就是获得了经过重新标定完成的温度场。修正好的发射率值0.3可以适用于同样焊接材料TA15、同样激光器类型（YAG激光器）和氩气保护气体下的激光焊接过程中。

实施例二

该种激光焊接过程红外热像的温度标定方法，其步骤是：

(1)首先准备焊接试件：材料牌号为铝锂合金5A90，厚度为2mm，试件为200mm长，150mm宽的平板试件，在试件的焊接位置画好一个明显的位置标志，在下面的焊接中焊接轨迹必须通过这一点，并且在用红外热像仪拍摄热像时，拍摄到这一位置的热像，并且能在图像上给定明确的位置。

然后选择激光焊接参数：使用德国通快生产的TL4000YAG激光器，激光波长为1.06微米；焊接时使用氩气作为保护气体，焊接功率为2800W，焊接速度为：1.2米/分钟。

试验使用红外热像仪：瑞典FLIR公司生产的型号为FLIR325的热像仪及其相应的软件。测量温度范围：300℃--2000℃，响应波长：6.5-13.5微米。

红外热像仪安装在与焊接试件以及激光束呈45度角的方向，固定安装，在焊接过程中移动焊接头带动激光束进行堆焊试验。拍摄时发射率为0.95。

最后，用红外热像仪FLIR325拍摄激光焊接该试件时，预设位置的焊缝及其热影响区域的红外热像，然后通过热像仪的软件，获得激光焊接该材料试件时，其熔化区域及其热影响区域的温度场分布图像和数据文件；

(2)将焊接后的试件在步骤（1）中的预设位置进行焊接接头形貌的金相取样，在显微镜下获得该焊接接头的横剖面图像以及相应标尺，在接头图像中按照接头材料组织的变化，在焊缝上表面上确定焊缝的两条熔合线位置点，然后测量这两个位置点间的距离为3.1mm，得到该位置焊缝上表面的熔化区域实际宽度为3.1mm。

(3)通过材料生产厂家查找到步骤（1）中所用焊接试件材料的准确的熔点温度值是630℃。该温度值是该材料的固有特性值，不随焊接过程而变化。

(4)根据焊接技术中，有关熔合线的定义，它的温度值近似等于焊接材料的熔点温度。因而可以推断出在步骤（2）中所测量的焊缝上表面两个熔合线位置点间的距离（3.1mm），也就是焊接过程中沿垂直焊缝方向，在焊缝表面实际形成的最大温度值等于熔点温度值630℃的距离。也就是说在步骤（2）中所找出的位置点，以及二者间的距离，反映在焊接的温度场分布图中，表征的温度值是材料的熔点温度630℃，以及在焊接接头横断面上最高温度为熔点630℃的间距。

(5)根据以上推断，在步骤（1）中所拍摄的红外热像上，相应于步骤（2）中焊接接头横断面相应的焊缝熔合线位置点的温度应该就是材料的熔点温度630℃。根据此原理和推断，在步骤（1）中所拍摄的红外热像上，标定出两个熔合线点（间距为3.1mm），它们的温度值为熔点温度值630℃。

(6)在FLIR325红外热像仪软件中，可以通过修正发射率、距离、外部环境几个参数来校正温度计算，其算法一致，因而可以将其统一到发射率一个参数来修正。当发射率从拍摄时的0.95降低到0.4时，在相应的熔合线位置点上，温度显示为铝锂合金5A90材料的熔点温度值630℃。因此在YAG激光焊接铝锂合金5A90氩气作为保护气体时，发射率的值修正值应该为0.4。

(7)根据以上修正后的发射率值0.4，对步骤（1）中所拍摄的热像再进行温度计算显示，获得激光焊接该材料试件时，其熔化区域及其热影响区域的准确的温度场分布图像和数据文件；也就是获得了经过重新标定完成的温度场。修正好的发射率值0.4可以适用于同样焊接材料铝锂合金5A90、同样激光器类型（YAG激光器）和氩气保护气体下的激光焊接过程中。

Claims (1)

1.一种激光焊接过程温度场的测量方法，其特征在于：

（1）首先在焊缝上预设红外热像仪拍摄位置，用红外热像仪拍摄在激光焊接过程中此处的图像，并通过红外热像仪的软件，获得激光焊接该材料试件时熔化区域及其热影响区域的温度场分布图像和数据文件；

（2）将焊接后的试件在步骤（1）中的预设位置处进行焊接接头形貌的金相取样，在显微镜下获得该焊接接头的横剖面图像以及相应标尺，在接头图像中按照接头材料组织的变化，在焊缝上表面上确定焊缝的两条熔合线位置点，并根据被焊接材料的熔点确定两条熔合线位置点的温度；

（3）将相同位置处的焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值与红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值进行比较：

（3.1）红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值高于焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值，调整红外热像仪的发射率，使红外热像仪的发射率增加，直到两个温度值相同；

（3.2）红外热像仪拍摄在此处的图像数据文件中的温度值低于焊缝上表面上确定的焊缝两条熔合线位置点的温度值，调整红外热像仪的发射率，使红外热像仪的发射率减小，直到两个温度值相同；

（4）将调整后的红外热像仪的发射率输入到红外热像仪的软件中，对在先获得的温度场分布图像和数据文件进行修正，得到被焊接材料的最终温度场分布图像和数据文件。