CN109604823B - 一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法，所述方法包括先使用一种复合试件和摄像机得到深熔焊接过程中的一系列小孔截面照片；再根据该系列照片和建立的移动直角坐标系，把照片上显示的结合面上小孔轮廓在水平面的投影的坐标数据点提取出来，且得到与每张照片上时间点对应的深度Z，并根据每张照片上显示的结合面上小孔轮廓在水平面的投影的长度L_x和宽度B_y值换算得到结合面上此时的小孔轮廓长度L_xt和宽度B_yt值；最后采用计算机程序将数据拟合，即得到重构的三维小孔。本发明通过重构得到真实的三维小孔形状，无需对小孔形状作出任何假设，从而为小孔效应的理论研究提供符合实际情况的精确小孔形状依据。

Description

一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法

技术领域

本发明涉及深熔焊接领域，具体涉及一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法。

背景技术

作为一种优质、高效的焊接方法，深熔焊接(包括激光、电子束等)具有焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区和焊接变形小等优点，在钢铁、核电、航空航天、轨道交通、汽车、电子工业等军工、民用重大工程中得到了越来越广泛的应用，特别是在交通运载工具的轻量化(薄壁构件及铝、镁合金等轻质材料的焊接)中发挥着越来越重要的作用。

一、小孔观测技术现状

深熔焊接(包括激光、电子束等)的本质特征就是存在小孔(keyhole)，即当高功率密度的聚焦激光或电子束照射工件材料，工件材料吸收激光或电子束的能量而产生熔化、气化，继而在气化膨胀压力的作用下，将熔融材料排开产生小孔。小孔的形成彻底改变了激光或电子束等与材料之间的能量耦合方式。小孔形成之前，激光或电子束的能量只能被工件表面吸收，再通过热传导向工件内部传输，此时的焊接模式为传导焊接；小孔形成以后，激光或电子束能进入小孔内部，其能量直接被工件内部吸收，从而实现深熔焊接。因此，小孔的形成和维持是激光或电子束等深熔焊接得以实现的前提条件，小孔形状的确定也成为了研究深熔焊接(包括激光、电子束等)过程能量耦合机制(即小孔效应)和深熔焊接机理的关键。

但是，在金属材料的深熔焊接过程中，小孔被包裹于不透明的金属材料之中，难以直接观测。为此，多年来，国内外众多学者一直在寻找观测小孔的途径，作了很多有益的尝试。日本的Arata等人率先采用透明玻璃材料通过高速摄影的方法从侧面直接观测了激光深熔焊接小孔。由于其采用的是普通钠玻璃，熔化温度和气化温度相差很小，难以将小孔和其它高温辐射区域区分开来，加之采用的激光功率(100瓦)过小，焊接速度(1mm/s)过低，没能观察到清晰的小孔形状。对于不透明的金属材料，Semak、Mohanty和Miyamato等人采用高速摄影的方法从工件上部观测了激光深熔焊接过程中工件表面的小孔和熔池形状。Arata和Matsunawa的研究小组则采用X射线穿透成像高速摄影方法从侧面观测了激光深熔焊接金属时的小孔形状，但效果不够理想，因为X射线照片反差很小，小孔形状不够清晰，难以用于进一步的定量分析研究。Wang等人除采用X射线穿透成像方法从侧面观测激光深熔焊接金属时的熔池形状外，还分别在工件顶部和底部架设两台高速摄像机，用于观测工件表面及底部的小孔形状，但无法观测工件内部的小孔形状。

申请人也对激光深熔焊接过程中小孔的直接观测作了一些有益的尝试，并不断改进了观测方法。与Arata等人的思路相似，申请人最初也尝试用透明材料来直接观测激光深熔焊接小孔。申请人找到了一种可很好应用于模拟激光深熔焊接试验的透明材料——GG17玻璃，取代Arata等人所用的普通钠玻璃，由于GG17玻璃的软化温度和气化温度相差很远，且抗热震性好，在焊接过程中不易炸裂，能够避免激光深熔焊接小孔的塌陷或穿透，保证小孔完整而不失真，透过其观察激光深熔焊接铝合金时的小孔是完全可行的。采用这种透明试件材料，通过高速摄影方法(见附图1小孔观测装置(一)示意图)，完整而清晰地观测到了激光深熔焊接时的小孔形状。随后，为了直接观测激光深熔焊接金属材料时的小孔形状，申请人对上述实验装置(一)进行了改进，提出并采用在两块GG17玻璃之间夹多层铝膜(即所谓的“三明治”方法，见附图2小孔观测装置(二)示意图)，聚焦激光直接入射到铝膜上部并沿铝膜运动的方法，来模拟激光深熔焊接金属材料过程，透过GG17玻璃从侧面成功地观测到了小孔的形状。但是，这种方法有一个显著缺点：焊接所用的金属膜层是一种疏松的结构，这与焊接时用的致密工件的实际情况有着很大的差异，因为疏松的多层铝膜对激光深熔焊接过程中的传热、传质以及激光能量的吸收与传输过程的影响与工程实际中用的致密铝合金材料有很大的不同，观察得到的小孔及熔池形状也与焊接致密工件材料时的实际情况有着很大的不同。用这样的小孔来对小孔效应进行理论研究，尤其是计算激光通过孔壁的多次反射吸收(Fresnel吸收)和孔内等离子体的逆韧致辐射吸收的激光功率密度分布，其计算结果是难以让人信服的。

为了克服上述“三明治”模拟焊接方法的缺点，申请人对该方法作出了进一步的改进(见附图3小孔观测装置(三)示意图)，采用双层复合工件(一半为工程实际中广泛使用的致密铝合金，另一半为透明的GG17玻璃)取代“三明治”结构的工件，通过高速摄影的方法，利用GG17玻璃蒸汽和金属等离子体的发光强度的差异，透过透明玻璃材料从侧面直接观测激光深熔焊接铝合金时的小孔、熔池形状。这一改进型“三明治”方法迅速得到了国内研究者的应用。但是，采用附图1至附图3的实验装置，均只能实现透过透明玻璃材料从侧面直接观测激光深熔焊接铝合金时的小孔形状，不能实现小孔的全方位观测。

综上所述可以发现：现有的小孔观测方法均只能实现从工件顶面、底面或侧面观测激光深熔焊接时的小孔形状，即只能获取工件顶面、底面或者激光光束轴线移动截面内(亦即对称截面)的小孔轮廓形状，而无法获取真实的三维小孔形状。

二、小孔形状的研究现状

小孔效应是实现激光深熔焊接能量耦合的基础。而确定小孔形状是深入研究小孔效应的关键。但是，如前所述，在金属材料的深熔焊接过程中，小孔被包裹于不透明的金属材料之中，难以直接观测。所以，在现有激光深熔焊接研究中，国内外学者大多通过对小孔形状作出或多或少的假设，建立了为数众多的小孔数学模型，广泛开展了小孔效应的理论研究。

在为数众多的小孔理论模型中，最具代表性的是移动线热源模型和移动面热源模型。首先，因为小孔的横截面尺寸很小，最直观和最简单的方法是忽略横截面的尺寸，将小孔当作移动线热源。1942年，Jaeger最早建立了小孔的移动线热源理论，将小孔看作一条随激光束移动的线。1986年，Peretz构造了移动线热源二维小孔模型，分析了固液相变对激光深熔焊接的影响。1994年，Kaplan基于小孔孔壁上的能量平衡方程，建立了一个激光深熔焊接小孔数学模型，并计算得到了Rosenthal的模型中温度场的解析解。2004年，Du把等离子体视为平面热源，构建了平面热源与圆柱面热源的复合热源模型。

上述基于小孔形状假设的理论模型，对加深激光深熔焊接机理的理解有一定促进作用，但与激光深熔焊接的实际情况有一定的差距。在实际深熔焊接中，由于激光束或电子束相对于工件的移动，小孔不仅在深度方向上尺寸会发生变化，而且在移动方向还会发生拉长，同时小孔在焊接速度的反方向上会发生弯曲，换言之，小孔形状不再是直线或圆柱面，前述直线或圆柱面形状的小孔假设不合理。

2002年，金湘中采用图1所示的实验装置，利用高速相机直接观察了GG17玻璃的深熔焊接中的小孔形状，通过多项式拟合获得了如图4所示的侧面小孔形状。随后，金湘中不断改进了激光深熔焊接小孔观测实验装置(见附图2和附图3)，成功观测了金属材料激光深熔焊接时的小孔形状。基于高速摄像机得到的小孔照片，用多项式拟合的方法确定小孔侧面轮廓和小孔中心线。然后，假设各深度处的小孔截面为圆形或椭圆形，重构得到了3D小孔形状，附图5为假设小孔截面为圆形时的3D小孔。2016年，金湘中采用特殊设计的实验装置，使用两台高速相机同时从侧面和顶面同时观测焊接小孔，在假设不同深度小孔的截面形状与顶面相似的情况下重构了三维小孔，如图6所示。

但是，上述关于小孔形状的研究，不论是直线形小孔、截面为圆的弯曲小孔还是截面为椭圆或水滴型的弯曲小孔，都是在假设或实验观测加假设的小孔形状前提下进行的，与真实小孔形状存在一定的差异。精确研究激光深熔焊接的小孔效应需要准确的三维小孔形貌。

发明内容

因此，本发明提供一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法，所述方法包括先使用一种复合试件和摄像机得到深熔焊接过程中的一系列小孔截面照片，所述复合试件包括在上的金属试件和在下的GG17试件，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与GG17试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和GG17试件的结合面与复合试件的顶面之间呈θ度夹角，且0°＜θ＜90°；再根据该系列小孔截面照片和建立的移动直角坐标系，把照片上显示的结合面上小孔轮廓在水平面的投影的坐标数据点提取出来，且得到与每张照片上时间点相应的小孔前沿与结合面的交点M处与复合试件顶面间的距离，即与该张照片上时间点对应的深度Z，并根据每张照片上显示的结合面上小孔轮廓在水平面的投影的长度L_x和宽度B_y值换算得到结合面上此时的小孔轮廓长度L_xt和宽度B_yt值；最后采用计算机程序将数据拟合，即得到基于分层截面直接观测的深熔焊接重构三维小孔。

且具体地，在最后采用计算机程序将数据拟合的步骤中，是根据一组任意时间点t的深度Z、夹角θ、结合面上的小孔轮廓长度L_xt和宽度B_yt值拟合数据。

在一种具体的实施方式中，所述移动直角坐标系中，以激光光轴向下为+Z轴，以激光光轴与复合试件顶面交点为坐标原点O，以焊接速度V方向为+X轴，以复合试件顶面内垂直于焊接速度方向为Y轴。

在一种具体的实施方式中，所述摄像机的入光孔中心线与激光束经反射镜反射后的轴线同轴，此时所述摄像机拍摄得到的照片中心即为激光束轴线所在的位置。

在一种具体的实施方式中，L_n＝L₀+V*(t_n-t₀)+L′_n，Z₀＝L_n*tanθ，Z_n＝0，L_t＝V*(t-t₀)，Z_t＝(V*(t_n-t)+L′_n-L′_t)*tanθ，B_yt＝B_y，L_xt＝L_x/cosθ；其中，t₀为小孔前沿与结合面开始有交点即摄像机开始捕捉到结合面上小孔轮廓照片的时间点，Z₀是t₀时小孔的深度，L₀是t₀时拍摄的照片中得出小孔前沿到照片几何中心的距离，t_n是相机刚好拍摄到铝合金上表面小孔轮廓的时间点，过了此刻则小孔的前沿由一点变成一段直线，L_n是t₀时小孔底部到t_n时小孔前沿与金属试件上表面交点的水平距离，Z_n是t_n时小孔前沿处的孔深，L′_n是t_n时摄像机拍摄的照片中小孔前沿到照片几何中心的距离，t是t₀-t_n中的任意时刻，Z_t是t时小孔前沿与结合面的交点M处离复合试件顶面的深度，L_t是从t₀时刻到t时刻光轴移动的距离，L′_t是t时摄像机拍摄的照片中小孔前沿到照片几何中心的距离，V为焊接速度。

在一种具体的实施方式中，所述小孔前沿为小孔前沿曲面。

在一种具体的实施方式中，先使用复合试件和摄像机得到深熔焊接过程中的一系列照片的步骤包括，步骤A、将所述复合试件固定设置使得复合试件的顶面处于水平面内，且在所述复合试件的上方设置焊接头，所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头，且激光或电子束的入射方向为竖直向下；并设置用于观测小孔形貌的图像拍摄部件，所述图像拍摄部件包括摄像机，且所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影；步骤B、定义所述结合面或结合面的延伸面与复合试件顶面的交线为L，启动焊接头对复合试件进行深熔焊接，焊接方向(10)即焊接头在焊接过程中的平移方向为水平面内与交线L垂直的方向。

在一种具体的实施方式中，所述图像拍摄部件整体设置在可平移的位移工作台上，所述位移工作台沿着焊接方向以焊接速度同步移动，以便及时拍摄到结合面上的小孔在水平面内的投影图像。

在一种具体的实施方式中，所述焊接头为激光焊接头，且包括激光束(1)、压缩空气入口(2)、激光焊接喷嘴(3)和GaAs聚焦透镜(12)；所述图像拍摄部件还包括反射镜(8)和滤光片(6)，得到系列照片的方法还包括在所述复合试件的上方使用氩气喷嘴(11)对小孔处喷保护氩气以防金属氧化。

在一种具体的实施方式中，1°≤θ≤60°，优选2°≤θ≤45°，更优选5°≤θ≤30°。

在一种具体的实施方式中，所述复合试件的底面即GG17试件的底面为平面，且复合试件的底面与复合试件的顶面平行，优选所述复合试件整体呈长方体或正方体形。

在一种具体的实施方式中，所述金属试件为顶面、倾斜底面和一个竖向侧面均为矩形，且有两个相对的竖向侧面为直角三角形的三棱柱形结构；所述GG17试件为三棱柱形结构，或者所述GG17试件为倾斜顶面、底面和有两个相对的竖向侧面均为矩形，而另外两个相对的竖向侧面均为直角梯形的四棱柱形结构；且优选所述GG17试件为四棱柱形结构；优选所述金属试件为铝合金试件。

本发明至少具有如下有益效果：

1)本发明提供的小孔观测实验装置可以清晰准确地观测真实三维小孔在不同深度处的横截面轮廓，不存在观测死角，使得重构小孔的准确度更高，更加符合实际小孔形状，给小孔行为的研究以及小孔内能量吸收机制提供更精确的小孔形状。

2)本发明提出的小孔重构方法可以依据实验得到的一系列不同深度处复合试件结合面上的小孔截面的投影照片，通过提取照片上的小孔轮廓信息得到不同深度截面上的小孔轮廓形状，通过重构得到真实的三维小孔形状，无需对小孔形状作出各种假设，从而为小孔效应的理论研究提供符合实际情况的精确小孔形状依据。

附图说明

图1为现有技术中的第一种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图2为现有技术中的第二种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图3为现有技术中的第三种深熔焊接小孔形貌观测装置结构图。

图4为现有技术中的第一种小孔形貌图，且具体是小孔侧面形貌示意图。

图5为现有技术中的第二种小孔形貌图，且具体是假设小孔的每个横截面均为圆形的小孔重构示意图。

图6为现有技术中的第三种小孔形貌图，且具体是假设小孔的每个横截面与顶面均为相似图形的小孔重构示意图，具体包括图6a、b和c。

图7为本发明提供的深熔焊接小孔形貌全方位直接观测装置结构图。

图8为本发明中移动坐标系的建立示意图。

图9为小孔重构时的各关系式内的关系示意图。

图10为使用本发明方法重构后得到的三位小孔的结构示意图。

在本发明的附图中：1-激光束、2-压缩空气入口、3-激光焊接喷嘴、4-金属试件、5-GG17试件、6-滤光片、7、摄像机、8-反射镜、9-小孔、10-焊接方向、11-氩气喷嘴、12-GaAs聚焦透镜、13-光纤固定板、14-光纤、15-光谱仪、88-结合面。

具体实施方式

如图7所示，本发明首先提供一种金属材料深熔焊接小孔形貌全方位直接观测的方法，所述方法中包括使用一种复合试件，所述复合试件包括在上的金属试件和在下的GG17试件，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与GG17试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和GG17试件的结合面与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°；所述方法包括如下步骤，步骤A、将所述复合试件固定设置使得复合试件的顶面处于水平面内，且在所述复合试件的上方设置焊接头，所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头，且激光或电子束的入射方向为竖直向下；并设置用于观测小孔形貌的图像拍摄部件，所述图像拍摄部件包括摄像机，且所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影；步骤B、定义所述结合面或结合面的延伸面与复合试件顶面的交线为L，启动焊接头对复合试件进行深熔焊接，焊接方向即焊接头在焊接过程中的平移方向为水平面内与交线L垂直的方向。

实施例1

使用如图7所示装置分层直接观测不同深度处的小孔横截面轮廓形状的技术方案。

如图7所示，一种用于金属材料深熔焊接(激光、电子束等)小孔形貌直接观测的新装置，包括主要由激光束1、压缩空气入口2、激光焊接喷嘴3、氩气喷嘴11、GaAs聚焦透镜12组成的激光焊接头，由金属试件4和GG17试件5组成的复合试件，以及由滤光片6、摄像机7和反射镜8组成的图像拍摄部件。

图7中观测的实验原理：本发明采用双层复合工件，即上部分金属试件4为工程实际中广泛使用的金属，下部分GG17试件5为透明的、抗热震性好的特种玻璃GG17，两者的结合面为一小角度的斜面。利用GG17玻璃蒸汽和金属等离子体的发光强度的差异，高速相机透过透明玻璃材料从工件下部直接观测金属材料深熔焊接时不同深度处金属试件与GG17玻璃试件结合面上的小孔、熔池形状。在焊接稳定的情况下，通过选择合适厚度的滤光片6，高速相机获取一系列的小孔、熔池截面轮廓，即逐层截面直接观测，类似于医学上常用的CT(电子计算机断层扫描)成像技术。在小孔截面形状逐层观测结果的基础上，通过重构可获得真实三维小孔形状，为小孔效应的理论研究提供精确小孔形状依据。

小孔的直径和深度会因焊接功率、焊接速度、离焦量以及工件材料不同而有所不同，但激光深熔焊接的小孔直径通常小于1mm。在金属材料的深熔焊接的稳定状态下，这个小孔是一直存在的，且等离子体充满整个小孔内部。也就是说，现有技术中本领域技术人员已经知晓该小孔是不规则的弯曲小孔，其整体在高度方向上(竖向)大致呈弯曲且尖头朝下的上大下小的形状，且小孔的弯曲方向与焊接方向相反，小孔的顶面形状有报导为圆形、椭圆形或呈水滴状等形状。且现有技术中已经知晓小孔的高度以及小孔在对称截面的形状。但现有技术中并不清楚小孔内各个深度处的小孔的横截面形状，在小孔重构时只能将该深处的横截面形状理想化地描述成圆形、椭圆形或水滴型等与小孔的顶面形状为相似图形的形状。而包括发明人在内的不少学者认为，因金属的深熔焊接是个动态变化的过程，因而小孔内部的横截面形状可能与小孔顶部的形状并无关系。但现有技术中却没有一种能全方位直接观测深熔焊接小孔形貌的装置。

在图7中所示的焊接方向下，最开始是成像出小孔底部即其尖头部位的形状，最后成像出小孔顶面(径向尺寸最大处)的形状。如果焊接方向为与图7中焊接方向相反，则最开始时成像出小孔顶面的形状，最后成像出小孔底部即其尖头部位的形状。本发明中，所述高速相机为高速摄像机的简称，也即CCD。图7中所述高速相机设置在复合试件的侧面，主要目的是防止深熔焊接时金属飞溅而损伤相机。在激光深熔焊接过程中，虽然激光照射的方向可以是任意方向上，但最常用的激光照射方向一般是竖直向下或略微倾斜，本发明为了便于研究深熔焊接时形成的小孔的形貌，因而选择激光竖直向下照射。

在深熔焊接之前，本发明中所述复合试件中不含小孔。所述复合试件包括在上的金属试件4和在下的GG17试件5，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与GG17试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和GG17试件的结合面(88)与复合试件的顶面之间呈n度夹角，且0°＜n＜90°。

在制备本发明的复合试件过程中，将金属试件和GG17试件的结合面均打磨光滑，再用夹具将二者固定在一起形成复合试件。

本发明中，所述n的取值例如为1°≤n≤60°，优选2°≤n≤45°，更优选5°≤n≤30°。所述角度n越大，越趋近于90°时，复合试件的高度与焊接方向上复合试件的长度的比值越大，在同样的焊接速度下，结合面上的小孔形貌变化越快，因此n过大时可能会导致高速相机的摄像速度和精度达不到要求，影响小孔的观测精度。所述角度n越小，越趋近于0°时，复合试件的高度与焊接方向上复合试件的长度的比值越小，在同样的焊接速度下，结合面上小孔形貌变化越慢，因此n越小时一般拍摄精度越高。但n过小时可能会导致复合试件的长度(在焊接方向上的长度)过大。

本发明中，若金属试件为四棱柱形，则小孔顶部开始的一段深度的小孔形貌将无法拍摄到，因而优选本发明中金属试件为三棱柱形结构。本发明中，优选复合试件的底面与复合试件的顶面平行，方便所述复合试件被夹具固定以及观测。

本发明中，复合试件中在下的部分采用GG17玻璃试件。GG-17属于防火玻璃的一种，具体是一种高硼硅玻璃。高硼硅玻璃具有非常低的热膨胀系数，耐高温，耐200度的温差剧变。GG17玻璃的软化温度和气化温度相差很远，且抗热震性好，在焊接过程中不易炸裂。GG17玻璃的光谱对铝合金深熔焊接的观测不会产生影响和干涉，因此成为目前所知的铝合金深熔焊接研究的最佳玻璃。但若未来发现或研究出比GG17玻璃更为合适的在下试件，可将其替代本发明中的GG17试件用于得到复合试件。

此外，现有技术以及本发明装置中，所述GaAs聚焦透镜的用途是将激光束发出的光线聚焦形成较小光斑，起到集中能量的作用。所述保护氩气的用途主要有①隔离空气，避免试件焊接过程中氧化影响焊接效果；②吹走小孔上部形成的等离子体，避免等离子体改变激光路径，影响焊接热量输入；③加强工件表面散热，有效地减少工件变形等作用。所述保护空气即压缩气体的用途是避免焊接飞溅物破坏所述GaAs聚焦透镜。所述滤光片的用途是拍摄到合适亮度的照片，能够明显地区分出小孔部分和高温熔池部分，具体的实现办法是：调节滤光片的衰减率，衰减拍摄部分的亮度，以获得图像清晰的小孔截面照片。

现有技术装置中都是从侧面直接拍摄小孔的截面(即结合面)的形貌，因而其中不需使用反光镜改变光线的方向。而本发明装置中是从复合试件的下方去拍摄小孔的截面(即结合面)在水平面上投影的形貌，而为免高速相机等设备等被飞溅的熔融金属损伤而不能直接将其设置在复合试件的下方，因而本发明中需要使用反射镜来观测深熔焊接的小孔。另外，因为复合试件的下部分是透明的玻璃，上部分是不透明的金属，而相机从下往上拍摄，因而本发明中高速相机观测到的是结合面上的小孔、熔池形状，且直接观察到的是该形状在水平面上的投影。

本发明的装置和相应方法中，本领域技术人员能理解的，都是从所述交线L的中部位置开始焊接，一般是焊接至交线L的对边的中部位置时结束焊接；或者是以与此相反的路径焊接。深熔焊接铝合金的速度例如为1000mm/min，当然也可以是其它更快或更慢的焊接速度。

从附图可见，现有技术中焊接方向线与结合面平行或在结合面内，而本发明中焊接方向线与结合面形成一个锐角夹角。

实施例2

使用如图8～9所示装置和方法重构三维小孔。

小孔重构技术方案：

利用所提出的小孔直接观测装置(见附图7)，通过实验可得到一系列不同深度处复合试件结合面上的小孔截面照片，通过提取照片上的小孔轮廓信息可得到不同深度结合面在水平面投影的小孔轮廓形状，然后采用本发明提出的下述小孔重构方法可获得真实的三维小孔形状，为小孔效应的理论研究提供精确小孔形状依据。

小孔重构方法：

为了利用上述实验观测到的激光深熔焊接铝合金试件底部斜面内的小孔截面形状照片来重构三维真实小孔形状，首先建立附图8所示的移动直角坐标系。以激光光轴向下为+Z轴，以激光光轴与复合试件顶面交点为坐标原点O，以焊接速度V方向为+X轴，以复合试件顶面内垂直于焊接速度方向为Y轴。所述结合面与水平面(即复合试件的顶面)的夹角为θ，焊接速度为V，则在激光深熔焊接铝合金稳定阶段，小孔前沿抵达结合面时，高速摄像机的时间记为t₀，从拍摄的照片中得出小孔前沿到照片几何中心(激光光轴线)的距离记为L₀；当相机刚好拍摄到铝合金上表面小孔轮廓时(过了此刻，小孔的前沿由一点变成线)，小孔的深度Z_n＝0，高速摄像机的时间记为t_n，从拍摄的照片中得出小孔前沿到照片几何中心(激光光轴线)的距离记为L′_n；在t₀-t_n中的任意时刻t时，小孔前沿与结合面的交点记为M，从拍摄的照片中得出小孔前沿M到照片几何中心(激光光轴线)的距离记为L′_t(L′_t存在正负，光轴位于M点右边记为正，光轴位于M点左边记为负)，具体示意图见图9。根据几何关系有：

t₀时小孔底部到t_n时小孔前沿与铝合金上表面交点的水平距离为：

L_n＝L₀+V*(t_n-t₀)+L′_n

t₀时小孔的深度记为：

Z₀＝L_n*tanθ

从t₀时刻到t时刻光轴移动的距离为：

L_t＝V*(t-t₀)

在t₀-t_n中的任意时刻t时，小孔前沿处的孔深为：

Z_t＝(V*(t_n-t)+L′_n-L′_t)*tanθ

任意时刻t(t₀<t<t_n)时小孔前沿M的坐标(x_t，y_t，z_t)与光轴的坐标(0,0,0)的关系为：

x_t＝L′_t

y_t＝0

z_t＝Z_t

任意时刻t(t₀<t<t_n)时小孔截面形状和尺寸(小孔在结合面上的轮廓在水平面的投影)由高速摄影照片刻度尺确定，其中沿垂直于焊接速度方向(即Y轴方向)的小孔截面尺寸(即小孔宽度尺寸B_y)与结合面上的小孔宽度尺寸B_yt相同；即B_yt＝B_y；而由于结合面与水平面倾斜θ度角，导致沿焊接速度方向(即X轴方向)的小孔截面尺寸(即照片上的小孔长度尺寸L_x)与接合面上的小孔长度尺寸(记为L_xt)不同，后者可用下式表示：

L_xt＝L_x/cosθ

至此，任意深度Z处接合面内的小孔形状、尺寸及其与小孔前沿交点M的坐标位置皆已确定，采用计算机程序运算，即可重构得到诸如图10所示的三维小孔。

与现有技术不同的，本发明在如下几个方面取得了重大突破。

1)针对现有小孔形貌观测方法只能观测工件顶面、底面或者激光光束轴线移动截面内(亦即对称截面)的小孔轮廓形状，不能实现小孔全方位观测的不足，本发明提供了一种通过透明材料实现分层直接观测不同深度处的小孔横截面轮廓形状的实验装置，彻底解决了金属材料深熔焊接小孔的全方位观测难题。

2)针对现有的小孔重构方法只能根据某些特殊面内(如工件顶面、底面或激光光束轴线移动截面)观测得到的小孔轮廓形状，加之假设的小孔截面形状(如圆形、椭圆形或与顶面轮廓相似的小孔形状)来重构三维小孔，不能实现真实三维小孔形貌精确重构的问题，本发明依据所提出的复合试件和分层直接观测实验装置获得的不同深度处的小孔截面轮廓形状，提供一种重构三维小孔的方法，彻底解决了金属材料深熔焊接真实三维小孔的重构难题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于分层截面直接观测的深熔焊接三维小孔重构方法，

所述方法包括先使用一种复合试件和摄像机(7)得到深熔焊接过程中的一系列小孔截面照片，所述复合试件包括在上的金属试件(4)和在下的GG17试件(5)，且整个复合试件的顶面即金属试件的顶面为平面，金属试件的底面与GG17试件的顶面均为光滑的结合面，所述金属试件和GG17试件的结合面(88)与复合试件的顶面之间呈θ度夹角，且0°＜θ＜90°；

再根据该系列小孔截面照片和建立的移动直角坐标系，把照片上显示的结合面上小孔轮廓在水平面的投影的坐标数据点提取出来，且得到与每张照片上时间点相对应的小孔前沿与结合面的交点M处与复合试件顶面间的距离，即与该张照片上时间点对应的深度Z，并根据每张照片上显示的结合面上小孔轮廓在水平面的投影的各个数据点在X轴方向的坐标L_x和在Y轴方向的坐标B_y换算得到结合面上此时的小孔轮廓的各数据点在X轴方向的坐标L_xt和在Y轴方向的坐标B_yt；最后采用计算机程序将数据拟合，即得到基于分层截面直接观测的深熔焊接重构三维小孔。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述移动直角坐标系中，以激光光轴向下为+Z轴，以激光光轴与复合试件顶面交点为坐标原点O，以焊接速度V方向为+X轴，以复合试件顶面内垂直于焊接速度方向为Y轴。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述摄像机(7)的入光孔中心线与激光束经反射镜(8)反射后的轴线同轴，此时所述摄像机(7)拍摄得到的照片中心即为激光束轴线所在的位置；所述小孔前沿为小孔前沿曲面。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，L_n＝L₀+V*(t_n-t₀)+L′_n，Z₀＝L_n*tanθ，Z_n＝0，L_t＝V*(t-t₀)，Z_t＝(V*(t_n-t)+L′_n-L′_t)*tanθ，B_yt＝B_y，L_xt＝L_x/cosθ；其中，t₀为小孔前沿与结合面开始有交点即摄像机开始捕捉到结合面上小孔轮廓照片的时间点，Z₀是t₀时小孔的深度，L₀是t₀时拍摄的照片中得出小孔前沿到照片几何中心的距离，t_n是相机刚好拍摄到铝合金上表面小孔轮廓的时间点，过了此刻则小孔的前沿由一点变成一段直线，L_n是t₀时小孔底部到t_n时小孔前沿与金属试件上表面交点的水平距离，Z_n是t_n时小孔前沿处的孔深，L′_n是t_n时摄像机拍摄的照片中小孔前沿到照片几何中心的距离，t是t₀-t_n中的任意时刻，Z_t是t时小孔前沿与结合面的交点M处离复合试件顶面的深度，L_t是从t₀时刻到t时刻光轴移动的距离，L′_t是t时摄像机拍摄的照片中小孔前沿到照片几何中心的距离，V为焊接速度。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述方法，其特征在于，先使用复合试件和摄像机得到深熔焊接过程中的一系列小孔截面照片的步骤包括：

步骤A、将所述复合试件固定设置使得复合试件的顶面处于水平面内，且在所述复合试件的上方设置焊接头，所述焊接头为能使用激光或电子束的焊接头，且激光或电子束的入射方向为竖直向下；并设置用于观测小孔形貌的图像拍摄部件，所述图像拍摄部件包括摄像机，且所述图像拍摄部件能自下而上连续拍摄所述复合试件的结合面上的小孔形状在水平面的投影；

步骤B、定义所述结合面或结合面的延伸面与复合试件顶面的交线为L，启动焊接头对复合试件进行深熔焊接，焊接方向(10)即焊接头在焊接过程中的平移方向为水平面内与交线L垂直的方向。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述图像拍摄部件整体设置在可平移的位移工作台上，所述位移工作台沿着焊接方向以焊接速度同步移动，以便及时拍摄到结合面上的小孔在水平面内的投影图像。

7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述焊接头为激光焊接头，且包括激光束(1)、压缩空气入口(2)、激光焊接喷嘴(3)和GaAs聚焦透镜(12)；所述图像拍摄部件还包括反射镜(8)和滤光片(6)，得到系列小孔截面照片的方法还包括在所述复合试件的上方使用氩气喷嘴(11)对小孔处喷保护氩气以防金属氧化。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的方法，其特征在于，5°≤θ≤30°。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合试件整体呈长方体或正方体。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述金属试件为顶面、倾斜底面和一个竖向侧面均为矩形，且有两个相对的竖向侧面为直角三角形的三棱柱形结构；所述GG17试件为三棱柱形结构，或者所述GG17试件为倾斜顶面、底面和有两个相对的竖向侧面均为矩形，而另外两个相对的竖向侧面均为直角梯形的四棱柱形结构。

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