钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Device and method for measuring temperature field of weld pool surface in titanium alloy arc welding

【技术实现步骤摘要】
钛合金电弧焊熔池表面温度场测量装置和方法
本专利技术涉及熔池表面温度场测量
，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。
技术介绍
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。RodriguezE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。FarshidianfarMH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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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，本专利技术公开提供了一种钛合本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明轩，白瑞瑞，齐铂金，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11