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

本发明专利技术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Lx和宽度By值换算得到结合面上此时的小孔轮廓长度Lxt和宽度Byt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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及深熔焊接领域，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。
技术介绍
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，使用两台高本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Lx和在Y轴方向的坐标By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Lxt和在Y轴方向的坐标Byt；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。

【技术特征摘要】
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Lx和在Y轴方向的坐标By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Lxt和在Y轴方向的坐标Byt；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，其中，Ln＝L0+V*(tn-t0)+L′n，Z0＝Ln*tanθ，Zn＝0，Lt＝V*(t-t0)，Zt＝(V*(tn-t)+L′n-L′t)*tanθ，Byt＝By，Lxt＝Lx/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，tn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，Ln是t0时小孔底部到tn时小孔前沿与金属试件上表面交点的水平距离，Zn是tn时小孔前沿处的孔深，L′n是tn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t...

【专利技术属性】
技术研发人员：金湘中，蒋志伟，周昕宇，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43