CN117680879A - 一种焊缝横截面熔池凝固原位观察设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种焊缝横截面熔池凝固原位观察设备及方法。采用本发明提供的设备并结合本发明提供的焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，当焊接到达所述第一试样与所述第二试样的交界面预设时间后，升起所述第二安装平台，以使高温观察窗正对所述第一试样的侧面，然后使用拍摄装置透过所述高温观察窗对焊接熔池横截面进行拍摄，能够清晰地拍摄到焊缝横截面熔池的形貌特征，实现对整个焊接熔池横截面的原位观察，为研究分析焊接熔池凝固行为提供了重要观察手段。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种焊缝横截面熔池凝固原位观察设备及方法。
背景技术
焊接是一种动态的不平衡的冶金过程，焊接时液态金属-熔渣-气体之间在熔池中进行了激烈的冶金反应。研究熔池金属的凝固行为对于分析焊接缺陷的形成过程与产生机理、焊缝组织演变、焊缝质量控制等至关重要。利用高速摄像机对焊接熔池进行拍摄是当前研究焊接熔池特征及凝固行为的重要方法。
但是，当前利用高速摄像观察焊接熔池主要是观察焊接熔池表面特征，无法对焊接熔池横截面进行有效观察，而焊缝横截面熔池金属的凝固行为，往往最能反映焊接的真实过程。尽管已有研究提出了“三明治”激光焊接熔池观察试验方法，但该方法只能观察焊缝纵向的熔池凝固特征，仍然无法观察焊缝横截面熔池凝固行为，而且该方法主要用于激光焊接熔池的观察，受工艺方法的局限性，无法用于熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊、等离子焊等方法的熔池观察。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有的利用高速摄像观察焊接熔池的方法，无法对焊接熔池横截面进行有效观察。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，包括第一安装平台和第二安装平台，所述第一安装平台的上端面设有用于安装第一试样的第一定位槽，所述第二安装平台紧贴所述第一安装平台的侧壁设置，且位于所述第一定位槽长度方向的末端，所述第二安装平台的上端面设有用于安装第二试样的第二定位槽，所述第二安装平台上设有高温观察窗，所述高温观察窗位于所述第二定位槽的正下方，所述第二安装平台的高度可调节。
较佳地，所述第二安装平台的下端通过气缸安装在所述第一安装平台上。
较佳地，所述高温观察窗的承受温度范围为1200℃以上。
较佳地，所述高温观察窗的厚度为5-10mm。
本发明还提供了一种焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，基于如上所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，包括：
步骤S1、将第一试样和第二试样分别安装在第一定位槽和第二定位槽中，通过调整第二安装平台的高度，使所述第一试样与所述第二试样对齐且处于紧密接触的状态；
步骤S2、以所述第二试样的侧面为起始焊接位置朝向所述第一试样进行焊接，当焊接到达所述第一试样与所述第二试样的交界面预设时间后，升起所述第二安装平台，以使高温观察窗正对所述第一试样的侧面，并使用拍摄装置透过所述高温观察窗对焊接熔池横截面进行拍摄。
较佳地，所述步骤S2中，所述预设时间为0.1-0.2s。
较佳地，所述步骤S2中，所述焊接采用的方法包括激光焊、电子束焊、等离子焊、TIG焊和熔化极气体保护焊中的一种。
较佳地，所述步骤S1中，所述第一试样和第二试样的材质相同。
较佳地，所述步骤S2中，所述拍摄装置为高速相机。
较佳地，所述步骤S2中，所述焊接的速度为0.2-0.8m/min。
与现有技术相比，采用本发明提供的设备并结合本发明提供的焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，当焊接到达所述第一试样与所述第二试样的交界面预设时间后，升起所述第二安装平台，以使高温观察窗正对所述第一试样的侧面，然后使用拍摄装置透过所述高温观察窗对焊接熔池横截面进行拍摄，能够清晰地拍摄到焊缝横截面熔池的形貌特征，实现对整个焊接熔池横截面的原位观察，为研究分析焊接熔池凝固行为提供了重要观察手段。
附图说明
图1为本发明实施例中焊接处于起始状态时焊缝横截面熔池凝固原位观察设备的示意图；
图2为本发明实施例中第二安装平台升起后焊缝横截面熔池凝固原位观察设备的示意图。
附图标记说明：
1、第一安装平台，2、第二安装平台，3、第一试样，4、第二试样，5、高温观察窗，6、气缸。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。需要说明的是，图1和图2中X箭头指示的方向是本发明中焊接进行的方向，X箭头的走向为第一定位槽长度方向。
如图1所示，本发明实施例提供了一种焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，包括第一安装平台1和第二安装平台2，所述第一安装平台1的上端面设有用于安装第一试样3的第一定位槽，所述第二安装平台2紧贴所述第一安装平台1的侧壁设置，且位于所述第一定位槽长度方向的末端，所述第二安装平台2的上端面设有用于安装第二试样4的第二定位槽，所述第二安装平台2上设有高温观察窗5，所述高温观察窗5位于所述第二定位槽的正下方，所述第二安装平台2的高度可调节。需要说明的是，图1中A代表焊接热源，B代表填充焊丝。
与现有技术相比，采用本发明实施例提供的设备和本发明实施例提供的方法，当焊接到达所述第一试样3与所述第二试样4的交界面预设时间后，升起所述第二安装平台2，以使高温观察窗5正对所述第一试样3的侧面，然后使用拍摄装置透过所述高温观察窗5对焊接熔池横截面进行拍摄，能够清晰地拍摄到焊缝横截面熔池的形貌特征，实现对整个焊接熔池横截面的原位观察，为研究分析焊接熔池凝固行为提供了重要观察手段。
本发明的一些实施例中，所述第二安装平台2的下端通过气缸6安装在所述第一安装平台1上。通过气缸即可实现对第二安装平台2高度的调节。
本发明的一些实施例中，所述高温观察窗5的承受温度范围为1200℃以上；所述高温观察窗5的厚度为5-10mm。高温观察窗5不宜太厚，太厚会影响观察效果。
如图1和图2所示，本发明实施例还提供了一种焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，基于如上所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，包括：
步骤S1、将第一试样3和第二试样4分别安装在第一定位槽和第二定位槽中，通过调整第二安装平台2的高度，使所述第一试样3与所述第二试样4对齐且处于紧密接触的状态；
步骤S2、以所述第二试样4的侧面为起始焊接位置朝向所述第一试样3进行焊接，当焊接到达所述第一试样3与所述第二试样4的交界面预设时间后，升起所述第二安装平台2，以使高温观察窗5正对所述第一试样3的侧面，并使用拍摄装置透过所述高温观察窗5对焊接熔池横截面进行拍摄。
本发明的一些实施例中，所述步骤S2中，所述预设时间为0.1-0.2s。
本发明的一些实施例中，所述步骤S2中，所述焊接采用的方法包括激光焊、电子束焊、等离子焊、TIG焊和熔化极气体保护焊中的一种。
本发明的一些实施例中，所述步骤S1中，所述第一试样3和第二试样4的材质相同。
本发明的一些实施例中，所述步骤S2中，所述拍摄装置为高速相机。
本发明的一些实施例中，所述步骤S2中，所述焊接的速度为0.2-0.8m/min。
实施例1
1.1、将第一试样和第二试样分别安装在第一定位槽和第二定位槽中，通过调整第二安装平台的高度，使所述第一试样与所述第二试样对齐且处于紧密接触的状态；第一试样的尺寸为120mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第二试样的尺寸为20mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第一试样和第二试样的材质为Q235钢，两个试样均不加工坡口；
1.2、以所述第二试样的侧面为起始焊接位置朝向所述第一试样进行激光焊接，当焊接到达所述第一试样与所述第二试样的交界面0.1s后，升起所述第二安装平台，以使高温观察窗正对所述第一试样的侧面，并使用iSpeed黑白高速摄像机透过所述高温观察窗对焊接熔池横截面进行拍摄；其中，激光焊接采用激光器型号为IPG公司生产的YLS-30000光纤激光器，光纤芯径300µm，所用激光焊接头型号为IPG D50 Wobble，准直200mm，聚焦镜头500mm；高温观察窗的厚度为5mm。焊接的工艺参数：激光功率为4000W，焊接速度为0.8m/min，采用纯氩气体保护，氩气流量10L/min。
实施例2
2.1、将第一试样和第二试样分别安装在第一定位槽和第二定位槽中，通过调整第二安装平台的高度，使所述第一试样与所述第二试样对齐且处于紧密接触的状态；第一试样的尺寸为120mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第二试样的尺寸为20mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第一试样和第二试样的材质为10Ni5CrMoV高强钢，沿试样的长度方向加工单面窄间隙坡口，坡口单边角度为1°，坡口根部间隙为3.0mm，坡口钝边10mm；
2.2、以所述第二试样的侧面为起始焊接位置朝向所述第一试样进行窄间隙激光填丝焊接，当焊接到达所述第一试样与所述第二试样的交界面0.1s后，升起所述第二安装平台，以使高温观察窗正对所述第一试样的侧面，并使用iSpeed黑白高速摄像机透过所述高温观察窗对焊接熔池横截面进行拍摄；其中，激光焊接采用激光器型号为IPG公司生产的YLS-30000光纤激光器，光纤芯径300µm，所用激光焊接头型号为IPG D50 Wobble，准直200mm，聚焦镜头500mm，焊接送丝系统为KD1500，所用焊丝为直径Φ1.2mm的JS80焊丝，高温观察窗的厚度为5mm，焊接的工艺参数：激光功率6000W，送丝速度6m/min，采用纯氩气体保护，氩气流量15L/min焊接速度为0.6m/min。
实施例3
3.1、将第一试样和第二试样分别安装在第一定位槽和第二定位槽中，通过调整第二安装平台的高度，使所述第一试样与所述第二试样对齐且处于紧密接触的状态；第一试样的尺寸为120mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第二试样的尺寸为20mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第一试样和第二试样的材质为Q235钢，沿试样的长度方向加工单面V型坡口，坡口角度60°，坡口钝边10mm；
3.2、以所述第二试样的侧面为起始焊接位置朝向所述第一试样进行窄间隙激光填丝焊接，当焊接到达所述第一试样与所述第二试样的交界面0.1s后，升起所述第二安装平台，以使高温观察窗正对所述第一试样的侧面，并使用iSpeed黑白高速摄像机透过所述高温观察窗对焊接熔池横截面进行拍摄；其中，焊接电源为福尼斯公司生产的MW 4000焊接电源，喷嘴直径10mm，钨极直径2.0mm，焊接送丝系统为KD1500，所用焊丝为直径Φ1.2mm的ER50-6焊丝，高温观察窗的厚度为5mm，焊接的工艺参数：焊接速度0.2m/min，焊接电流120A，送丝速度2.0m/min，采用纯氩气体保护，氩气流量10L/min。
实施例4
4.1、将第一试样和第二试样分别安装在第一定位槽和第二定位槽中，通过调整第二安装平台的高度，使所述第一试样与所述第二试样对齐且处于紧密接触的状态；第一试样的尺寸为120mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第二试样的尺寸为20mm×30mm×20mm（长×宽×厚度），第一试样和第二试样的材质为Q235钢，沿试样的长度方向加工单面V型坡口，坡口角度60°，坡口钝边10mm；
4.2、以所述第二试样的侧面为起始焊接位置朝向所述第一试样进行MAG焊接，当焊接到达所述第一试样与所述第二试样的交界面0.1s后，升起所述第二安装平台，以使高温观察窗正对所述第一试样的侧面，并使用iSpeed黑白高速摄像机透过所述高温观察窗对焊接熔池横截面进行拍摄；其中，焊接电源为福尼斯公司生产的TPS5000焊接电源，所用焊丝为直径Φ1.2mm的ER50-6焊丝，高温观察窗的厚度为5mm，焊接的工艺参数：焊接速度0.5m/min，焊接电流150A，电弧电压20.5V，采用80%Ar+20%CO2混合气体保护，混合气体流量10L/min。
另外，需要说明的是，虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，其特征在于，包括第一安装平台（1）和第二安装平台（2），所述第一安装平台（1）的上端面设有用于安装第一试样（3）的第一定位槽，所述第二安装平台（2）紧贴所述第一安装平台（1）的侧壁设置，且位于所述第一定位槽长度方向的末端，所述第二安装平台（2）的上端面设有用于安装第二试样（4）的第二定位槽，所述第二安装平台（2）上设有高温观察窗（5），所述高温观察窗（5）位于所述第二定位槽的正下方，所述第二安装平台（2）的高度可调节。
2.根据权利要求1所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，其特征在于，所述第二安装平台（2）的下端通过气缸（6）安装在所述第一安装平台（1）上。
3.根据权利要求1所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，其特征在于，所述高温观察窗（5）的承受温度范围为1200℃以上。
4.根据权利要求3所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，其特征在于，所述高温观察窗（5）的厚度为5-10mm。
5.一种焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，基于权利要求1-4任一项所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察设备，其特征在于，包括：
步骤S1、将第一试样（3）和第二试样（4）分别安装在第一定位槽和第二定位槽中，通过调整第二安装平台（2）的高度，使所述第一试样（3）与所述第二试样（4）对齐且处于紧密接触的状态；
步骤S2、以所述第二试样（4）的侧面为起始焊接位置朝向所述第一试样（3）进行焊接，当焊接到达所述第一试样（3）与所述第二试样（4）的交界面预设时间后，升起所述第二安装平台（2），以使高温观察窗（5）正对所述第一试样（3）的侧面，并使用拍摄装置透过所述高温观察窗（5）对焊接熔池横截面进行拍摄。
6.根据权利要求5所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述预设时间为0.1-0.2s。
7.根据权利要求5所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述焊接采用的方法包括激光焊、电子束焊、等离子焊、TIG焊和熔化极气体保护焊中的一种。
8.根据权利要求5所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述第一试样（3）和所述第二试样（4）的材质相同。
9.根据权利要求5所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述拍摄装置为高速相机。
10.根据权利要求9所述的焊缝横截面熔池凝固原位观察方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述焊接的速度为0.2-0.8m/min。
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