基于红外热像仪的搅拌摩擦焊核心区温度在位表征方法技术

本发明专利技术属于搅拌摩擦焊温度检测领域，涉及一种基于红外热像仪的搅拌摩擦焊核心区温度在位表征方法。本发明专利技术运用理论和实验结合的方法，建立基于DEFORM的搅拌摩擦焊过程仿真模型，获取加工过程中焊件表面特征点与核心区峰值温度与最低温度的数据集，通过支持向量回归机算法建立焊接过程中焊件表面特征点和核心区峰值及最低温度的关联关系模型，在搅拌摩擦焊过程中使用红外热像仪测得焊件表面特征点温度，结合表面温度与核心区温度的关联关系，即可实现搅拌摩擦焊加工过程中核心区峰值温度和最低温度的表征。本发明专利技术有效解决FSW过程中核心区温度难以在位表征的难题，为实现基于温度的FSW过程调控奠定基础。温度的FSW过程调控奠定基础。温度的FSW过程调控奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
基于红外热像仪的搅拌摩擦焊核心区温度在位表征方法


[0001]本专利技术属于搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)温度检测领域，涉及一种基于红外热像仪的搅拌摩擦焊核心区温度在位表征方法，综合采用热像仪、有限元仿真模型和支持向量回归机算法(Support Vactor Regression，SVR)对搅拌摩擦焊核心区温度进行表征。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，焊接时高速旋转的搅拌头与焊件摩擦产生的热量使材料软化，焊材在搅拌头运动的作用下发生塑性流动，最终在搅拌头轴肩和搅拌针的挤压下形成焊缝。搅拌摩擦焊具有节能、环保、焊接接头力学性能好等优点，常用于铝镁合金的焊接。
[0003]搅拌摩擦焊核心区由位于搅拌头轴肩下方的焊核区、热机影响区、热影响区所构成，其温度直接影响着焊接接头的微观组织，并最终影响到接头的力学性能。核心区温度场也是焊缝塑性材料流动、接头组织结构转变、焊接参数优化、焊接机理分析等其他相关研究的基础。搅拌摩擦焊过程中由于搅拌头旋转、轴肩遮挡、焊件材料流动与剧烈塑性变形等原因使得实验的方法难以全面描述搅拌摩擦焊过程中的核心区温度分布。搅拌摩擦焊温度场的测量方法有很多，常用的有热电偶和红外热像仪测温。通过在工件中打孔插入热电偶获得焊接温度场的方法局限于试验研究，无法用于实际生产。在搅拌头中插入热电偶用于焊接过程温度测量的方法可以用于工业生产中但其对搅拌头的损伤大，影响搅拌头的使用寿命。红外热像仪只能对焊接过程中焊材的表面温度进行测量。通过有限元仿真技术，对焊接过程进行建模，能够获得搅拌摩擦焊的核心区温度分布，但仅使用仿真难以实现实际焊接过程中核心区温度在位表征。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，专利技术一种基于红外热像仪的搅拌摩擦焊核心区温度表征方法，获得的焊接过程核心区温度能够为焊接机理研究提供基础。首先通过建立FSW有限元仿真模型来获取表面特征点温度和核心区峰值温度与最低温度的数据集；再使用SVR算法建立焊件表面温度与核心区温度的关联关系；最后在FSW过程中使用红外热像仪实时测得焊件表面特征点温度，结合焊件表面温度与核心区温度的关联关系，实现核心区温度的在位表征。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种基于红外热像仪的搅拌摩擦焊核心区温度在位表征方法，运用理论和实验相结合的方法，建立搅拌摩擦焊过程有限元仿真模型，获取加工过程中焊件表面特征点温度与核心区峰值温度最低温度的数据集，使用SVR算法对获取的数据进行训练，得到了焊接过程中轴肩周围焊件表面特征点温度和核心区峰值温度最低温度的关联关系；进行单轴肩搅拌摩擦焊实验，使用红外热像仪测得加工过程中焊件表面特征点温度；将红外热像仪实时
测量的焊件表面特征点温度同基于SVR算法建立的焊件表面温度与核心区温度关联关系模型结合，实现搅拌摩擦焊加工过程中核心区峰值温度和最低温度的预测；方法的具体步骤如下：
[0007]步骤1：建立搅拌摩擦焊过程有限元仿真模型；
[0008]步骤2：从建立的有限元仿真模型中提取搅拌摩擦焊焊接过程中表面特征点温度与核心区峰值温度和最低温度的数据集；
[0009]步骤3：设计支持向量回归机算法模型；
[0010]给定训练数据(x1，y1)，
…
，(x
N
，y
N
)构成输入空间；其中，x
i
(i＝1,
…
,N)，为焊件的表面特征点温度，是一个一维输入量；y
i
(i＝1,
…
,N)为核心区温度值包括核心区峰值温度和最低温度，是一个一维目标量；SVR算法采用非线性变换把原始输入空间中的数据映射到一个高维特征空间中，再在这个高维特征空间中使用ε不敏感损失函数进行线性回归，从而得到目标量与输入量在原空间内的非线性回归效果即建立焊件表面温度与核心区温度的关联关系；在高维特征空间中构造的最优线性函数为：
[0011]f(x)＝w
T
*φ(x)+b
ꢀꢀ
(1)
[0012]式中w为权值向量；b为偏置项；ε不敏感损失函数的定义为：
[0013][0014]SVR优化的目标函数为：
[0015][0016]其中C>0为惩罚系数，决定了对误差大于ε的惩罚程度；为每个样本点引入松弛变量ξ
i
，ξ
i*
有：
[0017][0018]为求解式(4)，构造Lagrange函数：
[0019][0020]其中，α＝[α1,
…
,α
N
]T
≥0，为Lagrange乘子；分别对w，b求偏微分并令它们等于0，可得式(5)的对偶问题为：
[0021][0022]其中k(x
i
,x
j
)为核函数，选用RBF核函数，其具有光滑性好、径向对称与参数简单等优点，函数如下所示：
[0023][0024]其中σ＞0是可调的核参数；
[0025]对式(6)进行求解可得SVR的回归估计如下所示：
[0026][0027]步骤4：设置支持向量回归机算法模型的参数与核函数，输入焊件表面特征点温度与核心区温度数据，区分训练集和测试集；
[0028]步骤5：以均方根差为评价标准，对步骤3中的支持向量回归机算法模型进行训练和测试；
[0029]步骤6：将红外热像仪布置在机床主轴前方，进行单轴肩搅拌摩擦焊实验，通过红外热像仪获得焊接过程中焊件表面特征点温度，使用训练好的支持向量回归机算法模型，将红外热像仪测得的焊件前进侧后退侧特征点温度作为输入，实现焊接过程中核心区峰值温度与最低温度的预测。
[0030]本专利技术的有益效果：通过实验与理论结合的方法对搅拌摩擦焊核心区温度场进行预测，建立了基于支持向量回归机的搅拌摩擦焊过程中焊件表面温度与核心区温度的关联关系，实现了搅拌摩擦焊加工过程中核心区温度的预测，并对预测的结果进行实验验证，说明了这种方法的有效性，获得的核心区温度有助于研究核心区温度对焊接质量的影响规律。
附图说明
[0031]图1是装配完成的三维仿真模型；
[0032]图2是随温度变化的2219铝合金材料参数；
[0033]图3是网格划分完成后的仿真模型；
[0034]图4是核心区峰值温度提取示意图；
[0035]图5是前进侧特征点示意图；
[0036]图6是核心区最低温度提取示意图；
[0037]图7是后退侧特征点示意图；
[0038]图8是使用支持向量回归机算法预测的核心区峰值温度与最低温度示意图。
具体实施方式
[0039]下面结合技术方案和附图详细说明本专利技术的具体实施方式。
[0040]本实施例中以2219铝合金为焊接材料，2219铝合金有着良好的高温力学性能、焊接性能、抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于红外热像仪的搅拌摩擦焊核心区温度在位表征方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：建立搅拌摩擦焊过程有限元仿真模型；步骤2：从建立的有限元仿真模型中提取搅拌摩擦焊焊接过程中表面特征点温度与核心区峰值温度和最低温度的数据集；步骤3：设计支持向量回归机算法模型；给定训练数据(x1，y1)，
…
，(x
N
，y
N
)构成输入空间；其中，x
i
，i＝1,
…
,N，为焊件的表面特征点温度，是一个一维输入量；y
i
，i＝1,
…
,N，为核心区温度值包括核心区峰值温度和最低温度，是一个一维目标量；SVR算法采用非线性变换把原始输入空间中的数据映射到一个高维特征空间中，再在这个高维特征空间中使用ε不敏感损失函数进行线性回归，从而得到目标量与输入量在原空间内的非线性回归效果即建立焊件表面温度与核心区温度的关联关系；在高维特征空间中构造的最优线性函数为：f(x)＝w
T
*φ(x)+b(1)式中w为权值向量；b为偏置项；ε不敏感损失函数的定义为：SVR优化的目标函数为：其中C＞0...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢晓红，隋国川，贾振元，孙世煊，滕乐，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：