CN115112249A - 一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，包括以下步骤：S1：红外热像仪采集原始温度数据，采用近红外热成像仪监测激光辐射区温度信号；S2：提取沿扫描方向的一维温度数据；S3：对液‑固相变起始点进行识别；S4：得到熔池边界辐射温度值；S5：根据已知材料熔点进行熔池边界发射率的标定，根据普朗克定律推导出的发射率随温度变化的关系式计算了熔池发射率。本发明通过搭建基于红外热成像仪的激光熔化沉积工艺熔池温度场监测系统，确定了液—固相变发生的起始点，并根据普朗克定律推导出的发射率随温度变化的关系式计算了熔池发射率，根据绘制的熔池中心点冷却曲线验证了标定的合理性。
Description
技术领域
本发明涉及金属发射率测量技术领域，特别是涉及一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法。
背景技术
辐射率（也称发射率）是依据物体本身的温度辐射出能量的能力，描述被测物体辐射能力的参数，也指物体自身辐射的能量与同一温度下绝对黑体所辐射的能量比，用守号ε表示，辐射率仅仅与物体表面的性质（成分、结构）有关，在定给温度条件下，任何物体的辐射率在数值上等于此物体的吸收率，ε=1-ρ，辐射率有时称为辐射系数。当辐射能投射到物体表面时，就发生反射、吸收和透过。物体吸收了辐射能后温度升高，并随之又辐射出一部分能量。
一切物体的辐射率都在大于零和小于1的范围内，其值的大小与物体的材料、形状、表面粗糙度、凹凸度、氧化程度、颜色、厚度等有关，总体上说红外测温装置从物体上接收到的辐射能量大小与该物体的辐射率ε成正比，实际被测物体与黑体的差别在辐射率ε，透射率δ和反射率ρ上。理想黑体的辐射率ε=l，透射率δ=0，反射率ρ=0，实际被测物体的辐射率ε<1、透射率δ>0、反射率ρ>0，不同物质的ε、δ、ρ是不相同的，并随物体的表面状况而变化，它们在不同的温度和不同的波长有不同的值，为了获得温度与发射率之间的关系，我们提出一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法。
发明内容
针对上述问题，本发明为一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，能够液相金属发射率进行标定。
本发明的技术方案是：一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，包括以下步骤：
S1：红外热像仪采集原始温度数据，采用近红外热成像仪，量程为800℃-3000℃，监测激光辐射区温度信号；
S2：提取沿扫描方向的一维温度数据，在每一扫描层中心位置处提取一帧熔池温度图像，在这之上提取沿扫描方向并经过熔池中心的直线上若干点的温度数据；
S3：对液－固相变起始点进行识别，根据沉积层辐射温度，得到温度下降时的二维温度梯度数值，得出液固相变起始点的数值变化；
S4：得到熔池边界辐射温度值，根据扫描方向的温度二阶导数最大值点，提取熔池边界辐射温度；
S5：根据已知材料熔点进行熔池边界发射率的标定，根据普朗克定律推导出的发射率随温度变化的关系式计算了熔池发射率。
在进一步的技术方案中，所述红外热成像仪在采集时帧率需为60Hz，空间分辨率为640×480，发射率与透视率可调范围为0~1.00。
在进一步的技术方案中，所述红外热成像仪在采集时需安装针对1030nm波长具有高截止深度的陷波滤光片，且拍摄角度与竖直方向夹角固定为52°。
在进一步的技术方案中，所述S4中二维温度导数的计算公式为：
式中G(i，j)为待求像素点的温度梯度值，T(i，j+1)，T(i，j-1)，T(i+1，j)，T(i-1，j)为与其相邻的四个像素点的辐射温度值，相较于一维温度梯度，二维温度梯度在数值上更能呈现出液相边界处的温度梯度变化，温度下降段的二阶导数则可表示为：
在进一步的技术方案中，所述S4中熔池边界辐射温度为S1中红外热成像仪监测的20组边界辐射温度值的平均值。
在进一步的技术方案中，所述S5中普朗克辐射定律中完美黑体在固定波长下所辐射的能量公式为：
本发明的有益效果是：
通过搭建基于红外热成像仪的激光熔化沉积工艺熔池温度场监测系统，对沿扫描方向的温度二阶导数最大值点进行识别，确定了液—固相变发生的起始点，成功提取了熔池边界辐射温度，并根据普朗克定律推导出的发射率随温度变化的关系式计算了熔池发射率，根据绘制的熔池中心点冷却曲线验证了标定的合理性。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明温度提取示意图；
图3为本发明沿扫描方向温度分布奇数层示意图；
图4为本发明沿扫描方向温度分布偶数层示意图；
图5为本发明检测液相区边界点的算法实例示意图；
图6为本发明熔池液相边界处辐射温度值示意图；
图7为本发明温度校正后的熔池红外图像示意图；
图8为本发明沉积层末端中心点冷却曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
实施例：
如图1－图8所示，一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，包括以下步骤：S1：红外热像仪采集原始温度数据，采用近红外热成像仪，量程为800℃-3000℃，监测激光辐射区温度信号；S2：提取沿扫描方向的一维温度数据，在每一扫描层中心位置处提取一帧熔池温度图像，在这之上提取沿扫描方向并经过熔池中心的直线上若干点的温度数据；S3：对液－固相变起始点进行识别，根据沉积层辐射温度，得到温度下降时的二维温度梯度数值，得出液固相变起始点的数值变化；S4：得到熔池边界辐射温度值，根据扫描方向的温度二阶导数最大值点，提取熔池边界辐射温度；S5：根据已知材料熔点进行熔池边界发射率的标定，根据普朗克定律推导出的发射率随温度变化的关系式计算了熔池发射率。
“逐点熔凝－离散堆积”的加工方式使得金属粉末快速地熔化、凝固与冷却，因此在熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，在这一过程中，由于不同区域粉末材料冷却时间的不同，随着热累积的进行，熔池中心至末端激光辐射区域将出现三种不同的状态：(a)液相区，为中央高温高压流动部分，温度快速下降；(b)液固相变区，这一区域材料发生液态到固态的转变，温度下降缓慢；(c)固相区，已经凝固的区域，温度进一步下降，已知在稳定状态下，30CrNi2MoVA的液固相变温度值接近于1550°C的固液相变值(材料熔点)，即熔池液相区边界温度值会稳定在材料熔点附近。从理论上分析激光辐射区温度梯度特性，由于熔池轮廓边界由粉末材料的熔化温度决定，其沿着边界的发射率是均匀的，结合红外图像温度分布特点，通过找到不同层高的激光辐射区中材料由液相到固相的转变规律，得到熔池液相区边界处的准确辐射温度值，从而完成熔池发射率标定。
所使用的红外热成像仪在采集时帧率需为60Hz，空间分辨率为640×480，发射率与透视率可调范围为0~1.00，红外热成像仪在采集时需安装针对1030nm波长具有高截止深度的陷波滤光片，且拍摄角度与竖直方向夹角固定为52°，以便于消除了激光光源对于温度监测的影响，同时通过52°的夹角，能够监测整个基板表层热影响区的温度场分布情况，在采集辐射温度数据时将热成像仪发射率和透射率均设置为1，即采集的温度数据相当于完美黑体所表现的辐射温度。
在每一扫描层中心位置处提取一帧熔池温度图像，在这之上提取沿扫描方向并经过熔池中心的直线上若干点的温度数据，如图2所示。
其中11-20沉积层辐射温度如图3、图4所示，图中已将熔池前端对齐，随着层数的升高，热累积现象越来越明显，使得液固相变区长度显著增加，在奇数层和偶数层均可观测到此现象。
在熔池末端液相区与液固相变区的分界处可明显地观察到曲线的重合(汇聚)，随后温度下降并趋于平缓，说明该处为液相区的边界，同时作为液固相变区的起始点，其所对应的辐射温度值为熔池的边界温度值，因此提出一种算法来识别出这一边界点，由一个二次根式来计算出温度下降段的二维温度梯度(一阶导数)数值，计算公式如下：
如图5所示，在温度二阶导数最大值点点右侧温度梯度变小，温度下降缓慢，且近乎于恒定，是因为进入液固相变区，因此将二阶导数最大值点视为液相区边界点。由于液固相变区的长度随堆积层数的增高而显著增加，为了获得液相区边界处更准确的辐射温度值，提取出熔池液固相变区比较明显的11—20层温度数据，在每层随机取出两帧图像，共测得20组边界辐射温度值，如图6所示，为了减小标定误差，取其平均值1335.3℃作为30CrNi2MoVA在本实验中的熔点辐射温度，普朗克辐射定律中完美黑体在固定波长下所辐射的能量公式为：
，式中，W为黑体辐射强度，λ为给定波长，C1和C2分别表示普朗克第一常数与第二常数，T为黑体绝对温度，而物体实际辐射强度是相同温度下黑体的辐射强度与表面发射率值ε的乘积：
，
发射率ε随物体表面条件以及温度和波长的变化而变化，发射率值测定的准确程度与测温精度有着直接关系。由于红外热成像仪采集的是给定波段下物体的辐射能量，故必须对其在该波段内的平均发射率进行测定，从而减少标定误差。由普朗克辐射公式(3)的广义积分推导出的Stefan Bolzmann方程为：
式中，λ为波长，C1和C2分别为普朗克第一和第二常数，T1为红外热像仪所测辐射温度，T为对应的真实温度，由于式(5)定积分不易计算，因此采用matlab工具根据数值积分原理近似计算该定积分，已知本红外热成像仪测温波段为780nm~1080nm，当T=1550℃，T1=1335.3℃，求得熔池边界发射率ε为0.29，利用得到的发射率按照式(6)对前期得到的原始温度数据进行校正，图7为温度校正后的熔池图像，为了验证发射率标定的准确度，提取第二组实验校正后的温度数据，取第13层沉积末端熔池中心点，提取该点的温度历史，其冷却阶段温度变化如图8所示，可以观测到在经过1550℃分界线后，其温度下降缓慢，这是液相金属凝固时进入液固相变状态的标志，以此证得该标定方法合理。
本实施例的工作原理如下：通过搭建基于红外热成像仪的激光熔化沉积工艺熔池温度场监测系统，对沿扫描方向的温度二阶导数最大值点进行识别，确定了液—固相变发生的起始点，成功提取了熔池边界辐射温度，并根据普朗克定律推导出的发射率随温度变化的关系式计算了熔池发射率，根据绘制的熔池中心点冷却曲线验证了标定的合理性。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：红外热像仪采集原始温度数据，采用近红外热成像仪，量程为800℃-3000℃，监测激光辐射区温度信号；
S2：提取沿扫描方向的一维温度数据，在每一扫描层中心位置处提取一帧熔池温度图像，在这之上提取沿扫描方向并经过熔池中心的直线上若干点的温度数据；
S3：对液－固相变起始点进行识别，根据沉积层辐射温度，得到温度下降时的二维温度梯度数值，得出液固相变起始点的数值变化；
S4：得到熔池边界辐射温度值，根据扫描方向的温度二阶导数最大值点，提取熔池边界辐射温度；
S5：根据已知材料熔点进行熔池边界发射率的标定，根据普朗克定律推导出的发射率随温度变化的关系式计算了熔池发射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：所述红外热成像仪在采集时帧率需为60Hz，空间分辨率为640×480，发射率与透视率可调范围为0~1.00。
3.根据权利要求2所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：所述红外热成像仪在采集时需安装针对1030nm波长具有高截止深度的陷波滤光片，且拍摄角度与竖直方向夹角固定为52°。
4.根据权利要求3所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：所述S4中二维温度导数的计算公式为：
式中G(i，j)为待求像素点的温度梯度值，T(i，j+1)，T(i，j-1)，T(i+1，j)，T(i-1，j)为与其相邻的四个像素点的辐射温度值，相较于一维温度梯度，二维温度梯度在数值上更能呈现出液相边界处的温度梯度变化，温度下降段的二阶导数则可表示为：
5.根据权利要求4所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：所述S4中熔池边界辐射温度为S1中红外热成像仪监测的20组边界辐射温度值的平均值。
6.根据权利要求1所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：所述S5中普朗克辐射定律中完美黑体在固定波长下所辐射的能量公式为：
7.根据权利要求6所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：所述黑体的实际辐射强度是相同温度下黑体的辐射强度与表面发射率值ε的乘积，式为：
8. 根据权利要求6所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：由所述(3)式的广义积分推导出的Stefan Bolzmann方程为：
9.根据权利要求1所述的一种基于熔池温度梯度特性的液相金属发射率标定方法，其特征在于：所述(5)式的定积分形式则表示指定波段[λ1，λ2]下物体辐射的能量，由此得到熔池边界平均发射率随温度变化的函数解析式为：
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| CN117020195A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 山东春秋新材料股份有限公司 | 一种用于冒口模具的温度监控管理系统 |
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| CN117020195A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 山东春秋新材料股份有限公司 | 一种用于冒口模具的温度监控管理系统 |
| CN117020195B (zh) * | 2023-10-10 | 2024-01-09 | 山东春秋新材料股份有限公司 | 一种用于冒口模具的温度监控管理系统 |
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