CN108398190A - 一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，首先基于比色测温法设计了一套全视场熔池温度场检测系统，推导熔池温度场的计算公式；然后分析电弧光对熔池温度场检测的影响；最后提出一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法。本发明可以去除电弧光的影响，得到高精度的熔池温度场分布情况，对进一步提高焊接加工质量具有重要意义。

Description

一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法

技术领域

本发明涉及一种熔池温度场检测方法，特别是一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法。

背景技术

焊接制造过程中，熔池内存在着强烈的能量、动量和质量传输物理过程，从而产生传热、对流和传质等物理现象。熔池的温度场分布直接影响着焊接制造的外在质量。因此从理论和实验上开展熔池温度场研究对焊接加工等再制造技术的发展具有直接指导意义。

近年来，非接触式的辐射测温法得到了快速发展。辐射测温技术主要利用辐射目标自身的辐射亮度信息，外界强光的存在会干扰辐射测温的精度。焊接制造过程中，电弧光的存在会严重影响熔池温度场的检测精度。目前已有的辐射温度计只能测量熔池的点温，而且不能去除电弧光的影响，因此精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，采用全视场熔池温度场检测系统，该系统包括分光镜、两片滤光片、两个CCD相机和计算机；分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出，滤光片用于选择特定波段的光通过，CCD相机用于熔池在选择的特定波段下成像，计算机用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场；检测方法具体包括以下步骤：

步骤1，基于比色测温法计算熔池的温度场；

步骤2，分析电弧光对熔池温度场检测的影响；

步骤3，计算得到去除电弧光影响后的熔池温度场。

与现有技术相比，本发明的显著效果为：

(1)本发明可以检测全视场的熔池温度场分布；(2)本发明可以去除电弧光的影响，得到高精度的熔池温度场分布情况。

附图说明

图1是本发明的全视场熔池温度场检测系统结构图。

图2是电弧光影响下的熔池辐射示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，采用全视场熔池温度场检测系统，该系统包括分光镜、两片滤光片、两个CCD相机和计算机；分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出，滤光片用于选择特定波段的光通过，CCD相机用于熔池在选择的特定波段下成像，计算机用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场；其中滤光片为两片，滤光片的波段选择要避开焊接过程中焊丝成分和保护气发出的谱线波段；所述CCD相机为两台相同的黑白CCD相机。检测方法具体包括以下步骤：

步骤1，基于比色测温法计算熔池的温度场；

比色测温公式为：

其中C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2m·K，L(λ₁,T)和L(λ₂,T)为熔池在波长λ₁、λ₂下的辐射亮度，ξ(λ₁,T)和ξ(λ₂,T)为熔池在波长λ₁、λ₂下的光谱发射率。设M(λ,T)为熔池的光谱辐出度，有：

M(λ,T)＝π·L(λ,T) (2)

则式(1)也可变为：

将两台CCD相机的曝光时间设置成相同，CCD相机在波长λ₁、λ₂下采集到的图像灰度值N(λ₁,T)和N(λ₂,T)的比值为：

其中η(λ)为CCD相机的光谱响应率，τ(λ)为透镜的光谱透过率，γ(λ)为滤光片的光谱透过率，δλ₁、δλ₂分别为两片滤光片的带宽；由式(1)和式(4)可得：

令：

式(5)就变为：

步骤2，分析电弧光对熔池温度场检测的影响；具体为：

如图2所示，不考虑大气吸收等因素的影响，根据辐射的基本定律，熔池温度场检测系统接收到的辐射能量由熔池自身的辐射能量ξM₀和熔池上方的电弧光辐射能量ρM_r两部分构成，熔池温度场检测系统接收到的辐射能量可表示为：

M＝ξM₀+ρM_r (8)

式中，M₀为熔池的光谱发射率ξ＝1时的辐射能量；M_r为电弧光辐射投向熔池的辐射能量；ξ、ρ分别为测温系统响应波段内熔池的发射率、反射率。

对于不透明的熔池，就会有ξ+ρ＝1，式(8)就变为：

M＝ξM₀+(1-ξ)M_r (9)

其中：

式中：T₀为熔池本身的温度，设比色测温中双波长λ₁、λ₂对应的光谱发射率分别为ξ₁、ξ₂，设熔池为灰体，有：

ξ＝ξ₁＝ξ₂ (11)

根据式(9)和式(11)，基于比色测温法，测量熔池温度场时有：

式中：M₁₀是温度为T₀的熔池区域在波长λ₁处的辐出度，M₂₀是温度为T₀的熔池区域在波长λ₂处的辐出度，M_1r是温度为T_r的电弧光在波长λ₁处的辐出度，M_2r是温度为T_r的电弧光在波长λ₂处的辐出度。

如果不考虑电弧光辐射的影响，式(12)就变为：

定义电弧光辐射对熔池温度场测量的影响为：

步骤3，计算得到去除电弧光影响后的熔池温度场，具体为：

根据式(4)，式(15)就变为：

Claims (6)

1.一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，其特征在于，采用全视场熔池温度场检测系统，该系统包括分光镜、两片滤光片、两个CCD相机和计算机；分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出，滤光片用于选择特定波段的光通过，CCD相机用于熔池在选择的特定波段下成像，计算机用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场；检测方法包括以下步骤：

步骤1，基于比色测温法计算熔池的温度场；

步骤2，分析电弧光对熔池温度场检测的影响；

步骤3，计算得到去除电弧光影响后的熔池温度场。

2.根据权利要求1所述的去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，其特征在于，比色测温公式为：

其中C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2m·K，L(λ₁,T)和L(λ₂,T)为熔池在波长λ₁、λ₂下的辐射亮度，ξ(λ₁,T)和ξ(λ₂,T)为熔池在波长λ₁、λ₂下的光谱发射率。设M(λ,T)为熔池的光谱辐出度，有：

M(λ,T)＝π·L(λ,T) (2)

则式(1)可变为：

将两台CCD相机的曝光时间设置成相同，CCD相机在波长λ₁、λ₂下采集到的图像灰度值N(λ₁,T)和N(λ₂,T)的比值为：

其中η(λ)为CCD相机的光谱响应率，τ(λ)为透镜的光谱透过率，γ(λ)为滤光片的光谱透过率，δλ₁、δλ₂分别为两片滤光片的带宽；由式(1)和式(4)可得：

令：

式(5)就变为：

3.根据权利要求2所述的去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，其特征在于，步骤2计算电弧光对熔池温度场检测的影响，具体为：

不考虑大气吸收等因素的影响，根据辐射的基本定律，熔池温度场检测系统接收到的辐射能量由熔池自身的辐射能量ξM₀和熔池上方的电弧光辐射能量ρM_r两部分构成，熔池温度场检测系统接收到的辐射能量表示为：

M＝ξM₀+ρM_r (8)

式中，M₀为熔池的光谱发射率ξ＝1时的辐射能量；M_r为电弧光辐射投向熔池的辐射能量；ξ、ρ分别为测温系统响应波段内熔池的发射率、反射率。

对于不透明的熔池，就会有ξ+ρ＝1，式(8)就变为：

M＝ξM₀+(1-ξ)M_r (9)

其中：

式中，T₀为熔池本身的温度，设比色测温中双波长λ₁、λ₂对应的光谱发射率分别为ξ₁、ξ₂，设熔池为灰体，有：

ξ＝ξ₁＝ξ₂ (11)

根据式(9)和式(11)，基于比色测温法，测量熔池温度场时有：

式中，M₁₀是温度为T₀的熔池区域在波长λ₁处的辐出度，M₂₀是温度为T₀的熔池区域在波长λ₂处的辐出度，M_1r是温度为T_r的电弧光在波长λ₁处的辐出度，M_2r是温度为T_r的电弧光在波长λ₂处的辐出度。

如果不考虑电弧光辐射的影响，式(12)就变为：

定义电弧光辐射对熔池温度场测量的影响为：

4.根据权利要求3所述的去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，其特征在于，步骤3去除电弧光影响的熔池温度场计算方法具体为：

根据式(4)，式(15)就变为：

5.根据权利要求1所述的去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，其特征在于，所述滤光片的波段选择要避开焊接过程中焊丝成分和保护气发出的谱线波段。

6.根据权利要求1所述的去除电弧光影响的熔池温度场检测方法，其特征在于，所述CCD相机为两台相同的黑白CCD相机。