CN110657892A - 钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置和方法，将工业检测红外热像仪和热电偶结合应用到钛合金电弧焊熔池表面温度场测量中，能够获取熔池热影响区表面定点的辐射率值。其次，还提出了一种计算熔池表面辐射率的方法，结合定点所得辐射率值求解位于定点与熔池中心之间区域的辐射率，进而获得各点温度，极大的减小了实验量，且可准确、全面获取钛合金焊接熔池表面温度场信息。
Description
技术领域
本发明涉及熔池表面温度场测量技术领域，更具体的说是涉及一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置和方法。
背景技术
钛合金广泛应用于航空航天、汽车、石油化工、核电、发电等行业，其强度与韧性的良好结合使其与结构材料一样具有吸引力。目前常用的钛合金为Ti-6Al-4V，为高温下的稳定相。但在加热过程中，其晶粒长大显著，会降低其力学性能。因此，熔池温度对Ti-6Al-4V焊接非常重要，也是了解电弧物理和冶金过程的关键。热电偶在焊接过程中用于温度测量已有几十年的历史，但热电偶在焊接过程中经常受到测量范围、温度场破坏、熔池内流体堵塞等问题的困扰。在焊接过程中，采用辐射测温法进行非接触测温是一种先进而有效的方法。红外技术在制造过程中对结构完整性和质量控制具有强大的功能。从20世纪80年代到现在，在线焊缝渗透监测是红外技术的主要应用，TIG 焊接熔深在线监测中，证明了表面温度剖面与熔深之间存在线性关系。近10 年来，红外技术越来越多地应用于熔池温度的测量，红外摄像机可有效的测量低熔点材料的温度，并可用于验证聚合物焊接温度场。但焊接过程中，熔池温度普遍较高，在加热过程中，母材的辐射率随着温度的升高而降低。因此，表面温度测量的精度取决于辐射率的估计和温度的标定，由于辐射率是温度的函数，且表面辐射率的变化需要实验量化，这使得表面温度的测量比较复杂。Rodriguez E采用原位红外成像技术，利用电子束熔融法逐层进行温度采集。Farshidianfar M H采用闭环反馈控制器对红外图像进行校正，并对不锈钢熔池温度进行了标定。通常，不同金属或合金在不同条件下的经验数据库对初始辐射率的标准化非常重要。然后利用Stefan-Boltzmann定律计算出变化的辐射率和真实温度，在弧焊和增材制造过程中需要热电偶对红外摄像机进行标定。NConiglio提出了平板法用于描述某一温度下熔池辐射与黑体辐射的关系，但实验忽略了温度变化对钢液辐射率的影响。红外双色高温法是一种先进的记录不锈钢熔池表面温度的方法，但是其精度取决于光路和仪器质量。综上，上述方案对熔池表面温度进行测量的方法都存在着一定的局限性，导致测量结果不准确。
因此，如何提高熔池表面温度测量准确度是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置和方法，能够有效提高熔池表面温度测量准确度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置，包括：热电偶和红外热像仪；
所述热电偶设置在所述熔池热影响区表面，且靠近所述红外热像仪的一侧，所述热电偶用于测量熔池热影响区表面定点温度；
所述红外热像仪对准焊枪喷嘴底部钨极与熔池靠近处，用于拍摄红外图像，进而得到红外热像仪图像测得的温度。
优选的，包括：所述红外热像仪上安装有衰减滤镜。
一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，包括：
1)根据热电偶测量得到的一个定点温度，以及红外热像仪测量得到的温度确定该定点的辐射率aij；其中，所述定点位于距离熔池中心10mm处；
2)将红外热像仪监测所得图像与熔池实体位置进行对照，确定红外图像固相线和液相线的位置，从而确定对应的温度Tr，通过公式(3)确定中间温度值Tr1；根据公式(4)确定固相线辐射率ass和液相线辐射率all；其中，对于该钛合金的固相线对应的温度和液相线对应的温度是预先已知的；
其中，A为校正系数，Ts为周围环境温度；
3)采用红外热像仪测量定点与熔池表面中心之间区域内各个点的温度值 Tr，并根据公式(3)对应得到中间温度值Tr1＝[y11，y21，……，yn1]；
4)基于定点的辐射率aij、固相线辐射率ass、液相线辐射率all和中间温度值Tr1求解各个点的辐射率，得到辐射率矩阵；
5)基于辐射率矩阵中各个点的辐射率、中间温度值Tr1和根据公式(4)计算得到各个点真实温度To。
优选的，步骤1)具体包括：
11)基于红外热像仪测量得到的温度Tr，采用标准黑体校准方法去除衰减滤镜的作用，得到第一阶段校正后设定辐射率值下的中间温度值Tr1；
12)通过调整红外热像仪辐射率值来改变监测所得温度值，使中间温度值Tr1和热电偶采集的温度值To满足公式(2)，此时的辐射率值即为真实辐射率值；
其中，ε为物体辐射率，Tr1为红外热像仪测量的温度经第一阶段校正后的中间温度值，To-被测量物体真实温度，n为n是和辐射能量相关的常数，这里可以取大约4.017，一般情况下认定为4。
优选的，在步骤11)中，根据公式(3)计算中间温度值Tr1；
其中，Tr为红外热像仪测量得到的温度。
优选的，在步骤4)中，辐射率矩阵分为四个部分，按照金属的相及温度划分，1，2部分为固态，3，4部分为液态，1为低温区1000K以下，2为固态高温区。3为熔池边缘，即固相线与液相线之间区域。其中，第1部分是低温区域，假设第1部分辐射率随着温度序列Tr1均匀变化，取辐射率变化率等于第2部分辐射率变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，参数点a(i-1)(j-1)作为基点，且a(i-1)(j-1)其值无限接近aij，第1部分的辐射率值表示为(aij+Δε2·yt1)，记Δyt1＝yi1-yt1，其中，t＝1,2,......,i-1；
第2部分是从1000K到熔点的温升区域，基于同样的原理，第2部分的辐射率的变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，记Δyu1＝yu1-yi1，参数点aij作为基点，且a(sl-1)(sl-1)无限接近ass，第2部分中的辐射率表示为(aij-Δε2·Δyu1)，其中，u＝i,i+1,……,sl-1；
第3部分是标准温度校准区域，第3部分的辐射率也是均匀变化的，辐射率的变化率Δε3＝(ass-all)/(yl1-ys1)，记Δyv1＝yv1-ys1，第3部分中的辐射率表示为(ass-Δε3·Δyv1)，其中，v＝s,s+1,……,l；
第4部分是高温区域，同理，第4部分也使用了辐射率均匀变化的假设， all视为第4部分的开头，选择第3部分的值来计算变化率Δε4＝(ass-all)/(yl1-ys1)，第4部分中的辐射率表示为 [ail-(ass-all)/(yl1-ys1)·(yu1-yl1)]，其中，u＝sl+1,sl+2,……,n。
优选的，还包括：在同一时刻利用热电偶测量距离熔池中心水平距离为 15mm和20mm位置处的定点温度，并基于红外热像仪测量得到的温度在辐射率矩阵中找到这两个定点处的辐射率a(i-h)(i-h)和a11；通过辐射率矩阵确定对应的真实温度，即为红外热像仪校准后的温度，将计算所得温度与测量的定点温度进行比较，验证假设正确。
优选的，A等于0.4735。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置和方法，将工业检测红外热像仪和热电偶结合应用到钛合金电弧焊熔池表面温度场测量中，能够准确获取熔池热影响区表面定点的辐射率值。
其次，本发明还提出了一种计算熔池表面辐射率的方法，结合定点所得辐射率值求解位于定点与熔池中心之间区域的辐射率，极大的减小了实验量，且可准确、全面采集钛合金焊接熔池表面温度场信息。
此外，通过将红外热像仪和熔池实体进行对比，保证了实验的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置的示意图；
图2为本发明提供的Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测所得图像与熔池实体对比实例；
图3(a)为本发明提供的熔池表面扫描路径示意图；
图3(b)为本发明提供的熔池表面扫描结果温度示意图；
图3(c)为本发明提供的熔池温度部分区域的放大视图；
图4为本发明提供的IR信号传输过程的示意图；
图5为本发明提供的红外校准温度分布与真实温度比较。
在图1中：1、监测点基准水平线，2、红外热像仪监测点，3、焊枪喷嘴， 4、钨极，5、钛合金焊接熔池，6、钛合金母材金属，7、热电偶监测点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，本发明实施例公开了一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置，包括：热电偶和红外热像仪；
热电偶设置在熔池热影响区表面，且靠近红外热像仪的一侧，热电偶用于测量熔池热影响区表面定点温度；
红外热像仪对准焊枪喷嘴底部钨极与熔池靠近处，用于拍摄红外图像，进而得到红外热像仪图像测得的温度。
在熔池温度实施监测前，调节焊枪喷嘴3，钨极4探出焊枪喷嘴3长度，红外热像监测点2距钛合金焊接熔池5中心的直线距离，垂直高度以及热电偶测温点位置，采用红外热像仪与热电偶同时测量。
为了进一步优化上述技术方案，包括：红外热像仪上安装有衰减滤镜。受红外热像仪测温上限(未能达到钛合金熔点)的影响，需要配备衰减滤镜，衰减滤镜的作用是降低到达红外热像仪的能量，从而使采集到的温度数据控制在红外热像仪量程范围内。
此外，本发明实施例还公开了一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，包括：
1)根据热电偶测量得到的某一时刻一个定点的温度，以及红外热像仪测量得到的温度确定该个定点的辐射率aij；h＞1，其中，其中，所述定点位于距离熔池中心10mm处；
2)将红外热像仪监测所得图像与熔池实体位置进行对照，确定红外图像固相线和液相线的位置，从而确定对应的温度Tr，通过公式(3)确定中间温度值Tr1；根据公式(4)确定固相线辐射率ass和液相线辐射率all；其中，对于该钛合金的固相线对应的温度和液相线对应的温度是预先已知的；
其中，A为校正系数，Ts为周围环境温度；A等于0.4735。
3)采用红外热像仪测量定点与熔池表面中心之间区域内各个点的温度值 Tr，并根据公式(3)对应得到中间温度值Tr1＝[y11，y21，……，yn1]；
4)基于一个定点的辐射率aij、固相线辐射率ass、液相线辐射率all和中间温度值Tr1求解各个点的辐射率，得到辐射率矩阵；
5)基于辐射率矩阵中各个点的辐射率、中间温度值Tr1和根据公式(4)计算得到各个点真实温度To。
为了进一步优化上述技术方案，步骤1)具体包括：
11)基于红外热像仪测量得到的温度Tr，采用标准黑体校准方法去除衰减滤镜的作用，得到第一阶段校正后设定辐射率值下的中间温度值Tr1；
在步骤11)中，根据公式(3)计算中间温度值Tr1；
其中，Tr为红外热像仪测量得到的温度。
12)通过调整红外热像仪辐射率值来改变监测所得温度值，使中间温度值Tr1和热电偶采集的温度值To满足公式(2)，此时的辐射率值即为真实辐射率值；
其中，ε为物体辐射率，Tr1为红外热像仪测量的温度经第一阶段校正后的中间温度值，To-被测量物体真实温度，n为是和辐射能量相关的常数，n＝4。
为了进一步优化上述技术方案，在步骤4)中，辐射率矩阵分为四个部分，其中，第1部分是低温区域，假设第1部分辐射率随着温度序列Tr1均匀变化，取辐射率变化率等于第2部分辐射率变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，参数点a(i-1)(j-1)作为基点，且a(i-1)(j-1)其值无限接近aij，第1部分的辐射率值表示为(aij+Δε2·yt1)，记Δyt1＝yi1-yt1，其中，t＝1,2,......,i-1；
第2部分是从1000K到熔点的温升区域，基于同样的原理，第2部分的辐射率的变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，记Δyu1＝yu1-yi1，参数点aij作为基点，且a(sl-1)(sl-1)无限接近ass，第2部分中的辐射率表示为(aij-Δε2·Δyu1)，其中，u＝i,i+1,......,sl-1；
第3部分是标准温度校准区域，第3部分的辐射率也是均匀变化的，辐射率的变化率Δε3＝(ass-all)/(yl1-ys1)，记Δyv1＝yv1-ys1，第3部分中的辐射率表示为(ass-Δε3·Δyv1)，其中，v＝s,s+1,……,l；
第4部分是高温区域，同理，第4部分也使用了辐射率均匀变化的假设， all视为第4部分的开头，选择第3部分的值来计算变化率Δε4＝(ass-all)/(yl1-ys1)，第4部分中的辐射率表示为 [ail-(ass-all)/(yl1-ys1)·(yu1-yl1)]，其中，u＝sl+1,sl+2,……,n。
下面基于Ti-6Al-4V钛合金对本发明提供的钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法做详细说明。
1、通过热电偶校正红外热像仪监测温度以求得定点处金属辐射率
物体的辐射率反映了物体向外辐射能量的能力，利用红外热像仪进行测量时，需要设置初始辐射率，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钛合金表面辐射率约为0.2～0.3，即设置红外热像仪辐射率约为0.2时采集的温度值较为准确。但红外热像仪采样时设置得辐射率不能低于0.6(红外热像仪辐射率设置值范围为0.6-1)，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辐射率设置为0.95，且受红外热像仪测温上限(未能达到钛合金熔点)的影响，需要配备衰减滤镜，衰减滤镜的作用是降低到达红外热像仪的能量，从而使采集到的温度数据控制在红外热像仪量程范围内。因此需要通过下面的技术方案和校正公式进行修正以得到真实的金属辐射率。
监测结果数值将经过两个阶段校正，第一阶段是因衰减滤镜而产生的校正：IR经滤光片采集到的数据用标准黑体校准，以去除滤光片的作用，经第一阶段校正后得设定辐射率值下中间温度值Tr1，即Tr→Tr1，具体方案如下：
用14μm的FLUKE Ti400红外摄像机拍摄焊接电弧的红外图像，请参见图3，其中，ε-物体辐射率，τ-透射率，Tr-相对温度(红外热像仪测量的温度)，To-被测量物体真实温度，Wo-测量物体辐射，Ta-大气温度，Wa-大气辐射，Ts-周围环境温度，Ws-周围辐射，εa-大气辐射率，L3是熔池表面温度的测量线。来自焊接电弧熔池的集成辐射能量通过大气，输出是物体辐射τεWo，环绕辐射τ(1-τ)Ws和大气辐射(1-τ)Wa。物体温度由公式1表示(未使用衰减滤镜条件下)，短距离测量可以忽略透射率，公式1可以写成公式2，且n ＝4，由此式易知，若已知Tr，To，ε中任意两个变量数值则可求出另一变量数值。
Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场红外热像监测，须使用衰减滤镜，IR经衰减滤镜采集到的数据用标准黑体校准，得设定辐射率值下去除衰减滤镜作用后的温度值Tr1，采用公式3进行计算。注意，公式3是在本实例红外测距条件下温度转换的关系式，当测量距离为其他值时，须更改校正系数A，由于实验用标准黑体的温度限制，公式3适用于实际温度超过1000K 条件。
将Tr1替代Tr代入公式2，若已知To，则可求得真实辐射率值ε，物体辐射率ε和温度值Tr1之间的相关性如式4所示。
其中，εa＝1-τ为大气辐射率。
其中，Tr1-中间温度值；
其中，A-校正系数，为测量距离和校准距离的比值，也就是保证测量距离的衰减符合标定条件。
第二阶段是因金属辐射率而产生的校正，通过调整红外热像仪辐射率设置校正红外热像仪采集的温度数据。红外热像仪屏显结果Tr经第一阶段校正后得中间温度值Tr1，再用热电偶采集的真实温度值To校正中间温度值Tr1，具体方法为：通过调整红外热像仪辐射率值来改变监测所得温度值，使中间温度值Tr1和热电偶采集的温度值To满足公式2，即Tr1→To，此时采用的辐射率值即为真实辐射率值ε。
用K型热电偶进行辐射率的校准实验，由于热电偶测温范围的限制，低于钛合金熔点，故只能测量板材热影响区(熔池外)温度，用热电偶测量三个定点温度，三个测温点距离熔池中心水平距离分别为10mm，15mm和 20mm。根据上述方法可以得到三个定点处的辐射率。
而表面热电偶的结果表明，在距离熔池中心15mm～16mm范围内，金属辐射率为0.22-0.20。综合上述因素和定向辐射，本实例中校准系数A等于 0.4735。
2、求解位于上述定点与熔池表面中心之间区域的辐射率
除了上述三个定点处辐射率，还可以得到液相线和固相线对应的辐射率作为特殊点来求解各个点的辐射率。具体方法如下：
通过红外热像仪监测所得图像与熔池实体位置对照得到，见附图2。图2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所得图像与熔池实体对比实例。图2中，左列图从上到下分别表示焊接电弧熄灭时刻及电弧熄灭0.1s时刻红外热像仪拍摄得试样表面温度场图像，图中三条横线从上到下分别与图2最后的曲线图中穿过熔池中心，熔池边缘液相线，固相线的三条虚线对应，分别代表红外图像中对应熔池中心，熔池边缘液相线，固相线的温度。
图3(c)曲线表示t2时刻红外热像仪采集的相对温度，根据实际焊缝表面几何尺寸核定位置，贯穿虚线标定了特征位置的对应关系。图3(a)扫描路径平行于板材的一条边线，按照上图3(a)对整个熔池表面进行直线扫描，从而绘制了图3(b)，表示熔池表面的温度波动分布；图3(c)为图2曲线图熔池温度区域的放大视图，对应左下图中红色圆圈标注的区域。
熔池边缘固相线和液相线的实际温度已知(Ti-6Al-4V的固相线1878K，液相线1928K)，通过对照可确定红外图像中固相线和液相线的位置，从而确定对应的温度Tr，通过公式3确定Tr1，则可确定相应的辐射率。
本发明提出温度-辐射率矩阵来求解真实温度To，具体如下：
T1-Tm用于代表真实温度，本文选取的范围是350K-2700K。
采用红外热像仪测量定点与熔池表面中心之间区域内各个点的温度值 Tr，并根据公式(3)对应得到中间温度值Tr1＝[y11，y21，……，yn1]；Tr1温度序列中任一温度值yj1对应一个从aj1到ajm(j＝1,2，...，n)的数据行，即各个不同真实温度下的辐射率，对于确定的yj1和真实温度，都可在矩阵中确定对应的辐射率。对于确定的yj1和每一个辐射率值，都可在矩阵的上行找到对应的温度。
矩阵中四个部分代表试样上表面不同的温度区域。第1部分是低温区域，几乎低于1000K。第2部分是从1000K到熔点(1878K)的温升区域。第3 部分是标准温度校准区域1878K-1928K(Ti-6Al-4V固相线1878K，液相线1928K)。第4部分是高温区域即熔池表面区域，该区域的大部分温度高于 1928K。
第2部分和第3部分有三个特殊点，分别是aij和ass,all。aij表示电弧燃烧30秒时刻距离熔池中心10mm位置处定点I的辐射率，利用热电偶测量该位置处真实温度T10mm，30s，用T10mm，30s(将T10mm，30s代入等式4中To)和定点I对应红外热像仪监测温度yi1计算该处辐射率，通过更改校准系数A保证测量距离的衰减符合标定条件，并确认aij。
第1部分是低温区域，用热电偶测量的定点温度T15mm，30s和T20mm，30s(表示电弧燃烧30秒时刻，距离熔池中心15mm和20mm定点II、III，热电偶测量的真实温度)。定点II、III对应辐射率a(i-h)(i-h)和a11可以通过下述提出的算法求得，结合此点的红外温度和公式(4)通过上述矩阵可找到定点II，III 此辐射率值对应的真实温度，即为红外热像仪校准后的温度。将此计算所得温度与T15mm，30s和T20mm，30s进行比较，确保假设正确。
假设第1部分辐射率随着温度序列Tr1均匀变化，取辐射率变化率等于第 2部分辐射率变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，参数点a(i-1)(j-1)作为基点(求解方法请参见上面aij的确认方法)，且a(i-1)(j-1)其值无限接近aij，第1部分的辐射率值表示为(aij+Δε2·yt1)，记Δyt1＝yi1-yt1，其中， t＝1,2,……,i-1；已知某些辐射率值和测量得到的红外热像仪监测温度根据公式(4)能够计算得到对应的真实温度，反过来，再根据真实温度，温度Tr1和公式(4)计算第一部分其他位置的辐射率值，从而得到整个第1部分的辐射率。
第2部分是从1000K到熔点的温升区域，基于同样的原理，第2部分的辐射率的变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，记Δyu1＝yu1-yi1，参数点aij作为基点，且a(sl-1)(sl-1)无限接近ass，第2部分中的辐射率表示为(aij-Δε2·Δyu1)，其中，u＝i,i+1,……,sl-1；整个第2部分的辐射率的计算的方法同样参照第1部分。
第3部分是标准温度校准区域，第3部分的辐射率也是均匀变化的，辐射率的变化率Δε3＝(ass-all)/(yl1-ys1)，记Δyv1＝yv1-ys1，第3部分中的辐射率表示为(ass-Δε3·Δyv1)，其中，v＝s,s+1,......,l；
第4部分是高温区域，同理，第4部分也使用了辐射率均匀变化的假设， all视为第4部分的开头，选择第3部分的值来计算变化率Δε4＝(ass-all)/(yl1-ys1)，第4部分中的辐射率表示为 [ail-(ass-all)/(yl1-ys1)·(yu1-yl1)]，其中，u＝sl+1,sl+2,......,n。
基于同样的思路可以求得四个部分中所有的辐射率，即得到辐射率矩阵，结合对应的温度Tr1，可在矩阵中得到对应的真实温度值，即红外校准温度。
在焊接电流为100A条件下，校准后的温度见图4，横轴表示测温点分布，黑色散点图为红外校准温度，粉色虚线为热电偶三个测量点拟合曲线。将第1 部分通过计算得到的校正温度与热电偶测量的三个点的实际温度对比可发现，计算温度略低于实际温度值，该区域的计算误差约为5～19％，这是由于上述等式3不建议用于温度低于1000K以下的情况。另外，对于已经确认的熔池边缘的辐射率和温度，提出另外一种假设——对于熔融表面的任何区域，即第3，4部分，它具有恒定的辐射率，等于all，此发明提出的实例焊接电流为100A，此假设下对应的温度误差小于5％，在可接受的范围内，足见本发明提供的方法的可行性。本发明提供的计算方法极大的减小了实验量，且可准确、全面采集钛合金焊接熔池表面温度场信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置，其特征在于，包括：热电偶和红外热像仪；
所述热电偶设置在所述熔池热影响区表面，且靠近所述红外热像仪的一侧，所述热电偶用于测量熔池热影响区表面定点温度；
所述红外热像仪对准焊枪喷嘴底部钨极与熔池靠近处，用于拍摄红外图像，进而得到红外热像仪图像测得的温度。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置，其特征在于，包括：所述红外热像仪上安装有衰减滤镜。
3.一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，其特征在于，包括：
1)根据热电偶测量得到的某一时刻一个定点的温度，以及红外热像仪测量得到的温度确定该定点的辐射率aij；其中，所述定点位于距离熔池中心10mm处；
2)将红外热像仪监测所得图像与熔池实体位置进行对照，确定红外图像固相线和液相线的位置，从而确定对应的温度Tr，通过公式(3)确定中间温度值Tr1；根据公式(4)确定固相线辐射率ass和液相线辐射率all；其中，对于钛合金的固相线对应的温度和液相线对应的温度是预先已知的；
其中，A为校正系数，Ts为周围环境温度；
3)采用红外热像仪测量定点与熔池表面中心之间区域内各个点的温度值Tr，并根据公式(3)对应得到中间温度值Tr1＝[y11，y21，……，yn1]；
4)基于定点的辐射率aij、固相线辐射率ass、液相线辐射率all和中间温度值Tr1求解各个点的辐射率，得到辐射率矩阵；
5)基于辐射率矩阵中各个点的辐射率、中间温度值Tr1和根据公式(4)计算得到各个点真实温度To。
4.根据权利要求3所述的一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，其特征在于，步骤1)具体包括：
11)基于红外热像仪测量得到的温度Tr，采用标准黑体校准方法去除衰减滤镜的作用，得到第一阶段校正后设定辐射率值下的中间温度值Tr1；
12)通过调整红外热像仪辐射率值来改变监测所得温度值，使中间温度值Tr1和热电偶采集的温度值To满足公式(2)，此时的辐射率值即为真实辐射率值；
其中，ε为物体辐射率，Tr1为红外热像仪测量的温度经第一阶段校正后的中间温度值，To-被测量物体真实温度，n为为是和辐射能量相关的常数，n＝4。
5.根据权利要求4所述的一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，其特征在于，在步骤11)中，根据公式(3)计算中间温度值Tr1；
其中，Tr为红外热像仪测量得到的温度。
6.根据根据权利要求3所述的一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，其特征在于，在步骤4)中，辐射率矩阵分为四个部分，其中，第1部分是低温区域，假设第1部分辐射率随着温度序列Tr1均匀变化，取辐射率变化率等于第2部分辐射率变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，参数点a(i-1)(j-1)作为基点，且a(i-1)(j-1)其值无限接近aij，第1部分的辐射率值表示为(aij+Δε2·yt1)，记Δyt1＝yi1-yt1，其中，t＝1,2,......,i-1；
第2部分是从1000K到熔点的温升区域，基于同样的原理，第2部分的辐射率的变化率Δε2＝(aij-a(sl-1)(sl-1))/(y(sl-1)-yi1)，记Δyu1＝yu1-yi1，参数点aij作为基点，且a(sl-1)(sl-1)无限接近ass，第2部分中的辐射率表示为(aij-Δε2·Δyu1)，其中，u＝i,i+1,......,sl-1；
第3部分是标准温度校准区域，第3部分的辐射率也是均匀变化的，辐射率的变化率Δε3＝(ass-all)/(yl1-ys1)，记Δyv1＝yv1-ys1，第3部分中的辐射率表示为(ass-Δε3·Δyv1)，其中，v＝s,s+1,......,l；
第4部分是高温区域，同理，第4部分也使用了辐射率均匀变化的假设，all视为第4部分的开头，选择第3部分的值来计算变化率Δε4＝(ass-all)/(yl1-ys1)，第4部分中的辐射率表示为[ail-(ass-all)/(yl1-ys1)·(yu1-yl1)]，其中，u＝sl+1,sl+2,......,n。
7.根据权利要求6所述的一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，其特征在于，还包括：在同一时刻利用热电偶测量距离熔池中心水平距离为15mm和20mm位置处的定点温度，并基于红外热像仪测量得到的温度在辐射率矩阵中找到这两个定点处的辐射率a(i-h)(i-h)和a11；通过辐射率矩阵确定对应的真实温度，即为红外热像仪校准后的温度，将计算所得温度与测量的定点温度进行比较，验证假设正确。
8.根据根据权利要求3～6任意一项所述的一种钛合金电弧焊熔池表面温度场测量方法，其特征在于，A等于0.4735。
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