CN105081522B - Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Ti‑6Al‑4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测方法，针对Ti‑6Al‑4V钛合金电弧焊接过程，设计实现熔池表面温度场实时监测。该方法基于FLUKE Ti400红外热成像仪，包括制定监测点、被测点、其他配件等关键位置之间的几何关系，减小固体金属表面反光度，不同发射率测量值校正等内容，从而实现准确、全面采集Ti‑6Al‑4V钛合金焊接熔池表面温度场。通过合理设计监测技术方案，实现Ti‑6Al‑4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场准确测量、标定、校正。

Description

Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法

技术领域

本发明涉及温度监测方法，具体涉及Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法。

背景技术

钛合金具有较高的比刚度、优异的抗腐蚀性能，同时具有密度小，耐热性、韧性和焊接性好等特点，在航空航天、车辆工程、石油化工等各个领域应用广泛，其焊接技术和工艺决定了焊缝成形质量和工件性能。

目前使用的钛合金中有50％为双相Ti-6Al-4V钛合金。常规电弧热作用下母材熔化过程热输入较大，这将造成母材金属β晶粒显著长大，受其影响，凝固组织延展性差，严重影响了飞行器中钛合金结构件的塑性，降低了其疲劳寿命，可能对航空航天飞行器的安全、稳定运行造成致命破坏；与之相比，钛合金细晶粒凝固组织屈服强度、延展性及抗裂纹扩展能力均有较大提升，因此，有效控制晶粒尺寸及显微组织形貌对提高Ti-6Al-4V钛合金焊缝组织性能至关重要。

由上可知，电弧焊接的热过程对Ti-6Al-4V钛合金晶粒生长、显微形貌、组织性能存在直接影响，因此，实现电弧焊接温度场的实时监测，可有效预测焊缝显微组织，保证钛合金典型结构件使用寿命，并对可能的失效进行预警。

金属发射率(即金属辐射率)是指金属的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，是温度实时监测过程中的重要参数，一般地，采样发射率与被测物体发射率一致时，采样值最准确，反之则形成较大误差。

传感技术作为自动化焊接的重要组成，是焊接过程实时监测的重要手段，可直观反映电磁场、温度场、力场、流场特点，为深入理解电弧焊接动态过程中，复杂多物理场耦合及相互作用提供了有效途径。不同于其他焊接传感器受焊接回路的影响，借助于红外热像仪视觉传感技术，可实现焊接过程精确可视化。

在焊接过程的加热和冷却过程中，热量传输伴随着整个过程的始终，以弧焊工艺为例，电弧为熔池表面提供热源，在热的作用下熔池形成、温度分布发生变化，进而对接头的微观组织和力学性能产生影响，因此焊缝区域的温度场及其动态过程的监测尤为重要。

传统的热电偶测温方法准备过程复杂，且无法实现实时监测。非接触测温的方法应用范围逐步扩大，清华大学利用双色热图像传感器获取焊缝背面不同波段的热辐射图像，依据相应的图像处理后的灰度比值与温度之间的关系得到焊接温度场的分布；美国Ohio州立大学的Farson D搭建了光学高温测定的非接触式温度红外测量系统，对测量误差进行了系统讨论，Auburn大学的Chin A B也在此方面开展了相关的工作。但上述工作的主要作用在于证实某个理论的正确性或方法的可行性，并未开展熔池表面实时温度监测。

发明内容

本发明的目的在于提供Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法，通过合理设计技术方案，尽可能避免干扰因素，从而实现恶劣条件下(电弧焊接)，Ti-6Al-4V钛合金平板熔池温度场实时监测，并相应提出结果标定、校正方案，确保监测数据的准确性。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法，其包括：

1)、监测点的设置：Ti-6Al-4V钛合金经电弧加热熔化后形成熔池，设该熔池的直径为W，焊枪喷嘴下端距母材金属表面距离为L，喷嘴直径为D，钨极探出长度为l，监测点距所述熔池中心O的轴线直线距离为d，监测点距所述母材金属表面垂直高度为h，所述熔池的位置信息由3个位置基准点O、A、B确定，其坐标分别为O(0,0)，A(-W/2,0)，B(W/2,0)表示，所述监测点的位置基准点为S点，其坐标为S(d,h)，在监测点S点采用红外热像仪进行监测所述熔池的温度，其中，所述d、h的大小范围为50mm<d<350mm，80mm<h<120mm；

2)、焊枪、钨极干扰源排除：设所述焊枪喷嘴的位置基准点为E点，其坐标为E(D/2,L)，所述钨极的位置基点为C点，其坐标为C(0,L-l)，调节所述L、D、l、W、d、h的大小，使其符合l≤LD/(D+W)和L≥h(D+W)/(2d+W)。

如上所述的监测方法，优选地，该监测方法还包括对Ti-6Al-4V钛合金电弧加热前的反光处理，具体包括：

(1)将所述Ti-6Al-4V钛合金的规格缩小至100mm×50mm×5mm；

(2)对所述Ti-6Al-4V钛合金的不熔化区域进行遮光覆盖，仅预留12～15mm宽的焊道区域。

如上所述的监测方法，优选地，所述遮光覆盖是指在所述不熔化区域涂隔热漆，在所述隔热漆上用黑色绝缘胶带覆盖。

如上所述的监测方法，优选地，当所述红外热像仪所设置的辐射率与所述熔化的Ti-6Al-4V钛合金的辐射率不一致时，该监测方法还包括对监测结果校正，所述监测结果校正包括两个阶段校正，其中，

第一阶段的校正：T_实测＝4.918×T_屏显-1115.26，其中所述T_屏显为所述红外热像仪在所述监测点所得的Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池温度数据；所述T_实测为第一阶段校正后的实测温度值；

第二阶段的校正：被测熔池表面的真实温度T₀＝T_实测/[(1-Δε/ε₁)^1/4]，其中，所述Δε＝|ε₁-ε₀|为辐射率设定误差，所述T_实测为所述第一阶段校正后的实测温度值；所述ε₀为所述Ti-6Al-4V钛合金真实辐射率，所述ε₁为所述红外热像仪所设置的辐射率。

如上所述的监测方法，优选地，所述红外热像仪为FLUKE Ti400红外热像仪。

本发明主要是针对监测对象为Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池，即Ti-6Al-4V钛合金表面熔化金属，采用红外热像仪根据被测物体发射红外线判定温度，但其自身无法辨识被测物体，因此钨极、焊枪喷嘴等配件均对检测结果产生干扰，导致检测温度不准确，本发明合理设计了在Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接过程，监测点、被测点、焊接配件等位置的几何关系，从而保证红外热像仪监测区域覆盖整个熔池温度场，并避免其他因素的干扰。

进一步地，本发明的技术方案针对Ti-6Al-4V钛合金表面反光度较高，同时，熔化金属辐射率低于检测设备可探阈值，以上两大难点，监测获得的温度数值不准确问题，设计了相应方案，通过减小Ti-6Al-4V钛合金表面反光度，并对不同发射率之间的测量值提出了校正方案，确保监测数据的准确性。

本发明将红外热像仪应用到Ti-6Al-4V钛合金焊接的恶劣环境进行实时监测温度，并通过方案设计实现检测设备正常稳定运行，避免了电弧焊接过程诸多因素对测量结果的影响和干扰，合理设计监测点、被测点、其他配件等位置几何参数，可准确、全面采集Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池表面温度场信息，并提出了合理的测量结果校正方案，可降低红外热像仪对检测对象的依赖程度，实现Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场准确测量、标定、校正。可有效拓展其在工业应用领域的适用范围。本发明的技术方案还主要用于Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接组织性能预测及失效预警。

附图说明

图1是本发明Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测系统组成示意图。

图2是本发明中监测点、被测熔池及配件几何尺寸的示意图。

图3是本发明中监测点、被测熔池及配件几何关系的示意图。

图4是本发明一优选实施例监测数据。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

本发明设计了Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测技术方案，具体结合图1、2、3来说明。其中，图1为本发明Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测系统组成示意图，图2、3是本发明中监测点、被测熔池及配件几何尺寸的示意图。

熔池温度实时监测前，调节焊枪喷嘴3升高至距Ti-6Al-4V钛合金6表面距离为L，钨极4探出焊枪喷嘴3长度为l，红外热像监测点2距Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池5的直线距离为d，垂直高度为h，红外热像监测点2与熔池中心点O(0,0)间的连线与横坐标基准水平线1形成夹角θ其大小表示为θ＝arctan(h/d)，其中，所述d、h的大小范围为50mm<d<350mm，80mm<h<120mm；因在实际测量时，红外热像仪距离太近而无法聚焦，因此一般d都大于50mm，h大于80mm。

Ti-6Al-4V钛合金经电弧加热熔化后形成熔池，设形成熔池的直径为W。

设Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测技术方案可得O(0,0)，S(d,h)，A(-W/2,0)，B(W/2,0)，C(0,L-l)，E(D/2,L)等6个几何位置基准点，几何位置关系具体如图3所示。通过调节所述L、D、l、W、d、h，使其符合所述C点与直线AE的几何关系须满足l≤LD/(D+W)，所述D与直线AS的几何关系满足L≥h(D+W)/(2d+W)。

以下从几个方面进一步详细说明本发明的技术方案。

1.熔池全视场监测

Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池5在图3中的位置信息可由3个位置基准点O(0,0)，A(-W/2,0)，B(W/2,0)表示，红外热像监测点2的位置基准点为S(d,h)。由于Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池5尺寸较小，一般可认为熔池直径W<10mm，故可不考虑红外热像仪镜头视角的影响，监测点为S点，其坐标为S(d，h)，直线OS与监测点基准水平线1夹角θ，只需调整S点，可保证监测过程中红外热像监测点2可完整覆盖Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池5，即直线AS、BS交点处S点可观测熔池全部信息，即调整h和d的距离可实现红外热像监测点2完整覆盖Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池5。

其中，基准点与监测点的几何关系如下：

直线AS：y＝(2h/(2d+W))x+Wh/(2d+W)

直线BS：y＝(2h/(2d-W))x-Wh/(2d-W)

直线OS：y＝(h/d)x。

2.焊枪、钨极干扰源排除

Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池5红外信号传递至红外热像监测点2可能受焊枪喷嘴3及钨极4的干扰，其位置基准点分别为C(0,L-l)，E(D/2,L)，当C、E两点至少有一个与直线AS的关系为y(C\D)≤(2h/(2d+W))x(C\D)+Wh/(2d+W)时，红外热像监测点2的监测结果可能来自C点或E点，在此首先排除钨极4对监测结果的干扰，即保证C点与直线AE的关系为f(C)≥(2L/(D+W))x(C)+WL/(D+W)，由于C点坐标为(0,L-l)，故C点与直线AE的几何关系须满足l≤LD/(D+W)。

直线AE：f(x)＝(2L/(D+W))x+WL/(D+W)

进一步排除焊枪喷嘴3对监测结果的干扰，即保证E点与直线AS的几何关系满足y(E)≥(2h/(2d+W))x(D)+Wh/(2d+W)，由于E点坐标为(D/2,L)，故上述几何关系可描述为L≥h(D+W)/(2d+W)。

因此，焊枪喷嘴3及钨极4对监测结果的干扰可分别调整焊枪喷嘴3距离母材金属表面的距离L、钨极4探出焊枪喷嘴3的长度l实现，即要满足L≥h(D+W)/(2d+W)，且l≤LD/(D+W)。

3.Ti-6Al-4V钛合金反光处理

在实际检测过程中，由于Ti-6Al-4V钛合金表面反光严重，未经处理时，反射光会对红外热像仪的信号捕捉产生干扰，其自身无法判断该反射光来自熔池或Ti-6Al-4V钛合金未熔化的表面，因此，若不对板材表面其他区域进行遮光处理，会对监测结果产生影响，本发明的Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测技术方案通过对Ti-6Al-4V钛合金规格和表面覆盖两方面进行处理，来减小监测结果的误差，此步骤应在Ti-6Al-4V钛合金电弧加热前的处理。

熔池宽度W一般在8～10mm，其宽度与Ti-6Al-4V钛合金的规格相关，更主要的是与定点电弧的燃烧时间相关。一般地，Ti-6Al-4V钛合金的板材规格越大、越厚，得到同样熔池的宽度所需要的燃烧时间越长，浪费更多能源，使成本增加。板材的规格能够确定熔池的宽度W。由于定点电弧燃烧时间一定的条件下，板材体积越大，熔宽越小，因为热量会通过热传导至更大的区域，造成资源浪费，成本的增加。所以将Ti-6Al-4V钛合金的规格缩小至长×宽×厚＝100mm×50mm×5mm，从而减少Ti-6Al-4V钛合金表面不熔化区域的面积，即减小了监测过程中表面反光面积，由上文的描述可知，监测误差将被降低。

Ti-6Al-4V钛合金表面反射极强，反射光会对红外热像仪的信号捕捉产生干扰，其红外热像仪无法判断该反射光是否来自熔池，无法将无效信息过滤，因此，若不对板材表面其他区域进行遮光处理，将造成测量结果视场内存在大量无法确定的信号量，干扰数据的处理，所以必须进行遮光处理。

不熔化区域是指熔池两侧，可以根据电流大小和控制燃烧时间来估算焊道(熔池凝固后)的宽度，故除去12～15mm的宽度其他区域为不熔化区域。具体采用对Ti-6Al-4V钛合金不熔化区域用隔热漆及黑色绝缘胶布进行遮光覆盖，仅预留12～15mm宽的焊道区域。即在不熔化区域涂一层隔热漆，其上用黑色绝缘胶带覆盖。

4.监测结果校正

根据红外热像仪的成像原理，当设置的辐射率与物体的实际辐射率相近时，测量结果最准确。由于Ti-6Al-4V钛合金的辐射率为0.2～0.3，但红外热像仪的辐射率设置最低只能到0.6，因此必须在非准确的辐射率下进行测量，如果不进行校正，就会造成监测结果相对真实值出现整体漂移，数据没有绝对意义，只存在相对意义，故必须进行辐射率校正。

也就是说当红外热像仪所设置的辐射率与所述熔化的Ti-6Al-4V钛合金的辐射率一致时，监测结果为准确的温度值；红外热像仪所设置的辐射率与所述熔化的Ti-6Al-4V钛合金的辐射率不一致时，直接监测获得的数值必须经过校正后才能获得实际温度。

本发明中对监测结果数值经过两个阶段校正，第一阶段是因衰减滤镜而产生的校正，滤镜衰减曲线为T_实测＝4.918×T_屏显-1115.26，在红外热像监测点2所得的Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池5温度数据为T_屏显，经第一阶段校正后得实测温度值T_实测。

第二阶段是因金属辐射率不同于红外热像仪(检测设备)的辐射率，而产生的校正。

一般地，仅当红外热像仪所设置的辐射率与被测物体一致时，监测结果为准确的温度值，熔化的Ti-6Al-4V钛合金辐射率约为0.2，即设置红外热像仪辐射率为0.2时采集的温度值较为准确。但红外热像仪设备采样时辐射率不能低于0.6，同时综合量程、监测过程稳定性等因素，确定红外热像仪采样发射率设置为0.95，屏显结果经第一阶段校正后得实测温度值T_实测，再经以下校正获取真实温度值T₀。

设熔池表面真实温度为T₀，真实辐射率为ε₀，测出温度为T_实测，设置辐射率为ε₁，则由斯蒂芬—玻尔兹曼定律可知，辐射能W＝ε₀δT₀ ⁴＝ε₁δT₁ ⁴，温度测量误差ΔT＝|T_实测-T₀|，辐射率设定误差Δε＝|ε₁-ε₀|，因此有，

ΔT＝T₀×[1-(1-Δε/ε₁)^1/4]，即ΔT/T₀＝1-(1-Δε/ε₁)^1/4，从而可得被测物表面真实温度T₀＝T_实测/[(1-Δε/ε₁)^1/4]。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，采用红外热像仪对Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场进行温度的监测。

具体选用Ti-6Al-4V钛合金为长×宽×厚＝100mm×50mm×5mm，60A焊接电流条件下，可获得熔池宽度W一般在8～10mm；可得A、B两点为(-5～-4,0)，(4～5,0)；焊枪喷嘴直径D为24mm，距离金属板材的距离L为6mm，钨极探出长度l为2mm，故C点坐标为(0,4)，E点坐标为(12,6)；观测点S距离焊缝中心O点的水平距离d为300mm，垂直高度h为100mm，故S点坐标为(300,100)。由此可计算出在熔宽为8～10mm时，C、E点不影响观测点S对熔池的全面覆盖。

具体计算如下：C点无干扰须满足l≤LD/(D+W)，实际计算可知，W为8mm时，该不等式为2<4.5，W为10mm时，该不等式为2<4.2，故该条件一定成立。

E点无干扰须满足L≥h(D+W)/(2d+W)，实际计算可知，W为8mm时，该不等式为6>5.26，W为10mm时，该不等式为6>5.57，故该条件一定成立。

具体监测结果如图4所示，按照上文所述方法进行校正，结果如下：

第一阶段温度校正：T_实测＝4.918×T_屏显‐1115.26，即T_实测＝4.918×509.8‐1115.26＝1391.44(K)，

第二阶段温度校正：T_真实＝T_实测/[(1‐Δε/ε₁)^1/4]，即T_真实＝1391.44/(1-0.75/0.95)^1/4＝2054.18(K)。

Ti-6Al-4V钛合金熔化时液相线温度约为1928K，在60A焊接电流条件下，熔池中心温度一般将大于2000K，由此可知监测结果合理、可靠、准确。

Claims (5)

1.Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法，其特征在于，其包括：

1)、监测点的设置：Ti-6Al-4V钛合金经电弧加热熔化后形成熔池，设该熔池的直径为W，焊枪喷嘴下端距母材金属表面距离为L，喷嘴直径为D，钨极探出长度为l，监测点距所述熔池中心O的轴线直线距离为d，监测点距所述母材金属表面垂直高度为h，所述熔池的位置信息由3个位置基准点O、A、B确定，其坐标分别为O(0,0)，A(-W/2,0)，B(W/2,0)表示，所述监测点的位置基准点为S点，其坐标为S(d,h)，在监测点S点采用红外热像仪进行监测所述熔池的温度，其中，所述d、h的大小范围为50mm<d<350mm，80mm<h<120mm；

2)、焊枪、钨极干扰源排除：设所述焊枪喷嘴的位置基准点为E点，其坐标为E(D/2,L)，所述钨极的位置基点为C点，其坐标为C(0,L-l)，调节所述L、D、l、W、d、h的大小，使其符合l≤LD/(D+W)和L≥h(D+W)/(2d+W)。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，该监测方法还包括对Ti-6Al-4V钛合金电弧加热前的反光处理，具体包括：

(1)将所述Ti-6Al-4V钛合金的规格缩小至100mm×50mm×5mm；

(2)对所述Ti-6Al-4V钛合金的不熔化区域进行遮光覆盖，仅预留12～15mm宽的焊道区域。

3.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述遮光覆盖是指在所述不熔化区域涂隔热漆，在所述隔热漆上用黑色绝缘胶带覆盖。

4.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，当所述红外热像仪所设置的辐射率与所述熔化的Ti-6Al-4V钛合金的辐射率不一致时，该监测方法还包括对监测结果校正，所述监测结果校正包括两个阶段校正，其中，

第一阶段的校正：T_实测＝4.918×T_屏显-1115.26，其中所述T_屏显为所述红外热像仪在所述监测点所得的Ti-6Al-4V钛合金焊接熔池温度数据；所述T_实测为第一阶段校正后的实测温度值；

第二阶段的校正：被测熔池表面的真实温度T₀＝T_实测/[(1-Δε/ε₁)^1/4]，其中，所述Δε＝|ε₁-ε₀|为辐射率设定误差，所述T_实测为所述第一阶段校正后的实测温度值；所述ε₀为所述Ti-6Al-4V钛合金真实辐射率，所述ε₁为所述红外热像仪所设置的辐射率。

5.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述红外热像仪为FLUKE Ti400红外热像仪。