一种激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法与流程

本发明属于激光焊接熔池与匙孔动态行为监测领域，更具体地，涉及一种激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法。

背景技术：

目前，焊接是大型结构件制造重要工艺之一，已广泛应用到了航空、航天、海洋、能源等众多领域，其焊接质量直接决定了相关零部件品质及服役寿命。焊接过程中，熔池及其中所形成的匙孔动态行为直接影响焊缝质量。然而，现有高速摄像试验方法仅能观测焊缝表面的匙孔端部动态行为特征，难以观测到匙孔内部的动态行为特征；x射线试验方法可观测熔池与匙孔内部动态行为，但成本高，具有辐射风险，且操作复杂。同时，数值模拟方法可展示熔池与匙孔内部动态行为特征，但理论基础要求高，且难以通过试验验证其正确性和可靠性。

为此，必须采取一种简单有效的方法来监测激光焊接熔池与匙孔内部动态特征行为。目前，常采用数值模拟的方法来研究激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征。例如，专利2013102454216公开了激光深熔点焊匙孔动态成形数值模拟方法，其利用fluent平台，通过对激光深熔点焊形成过程中的动量、能量方程设置源项，直观地模拟出激光点焊过程中匙孔的动态形成过程，该方法从数值计算的角度解释了匙孔形成过程，但未涉及实际焊接过程中熔池与匙孔动态特征的观测，又如专利201610030837x公开了一种激光焊接过程中焊缝内部孔洞的控制方法及控制装置，其利用吹气装置在熔池上方吹出气流以形成局部负压，从而将匙孔内的蒸汽吹走，保证匙孔的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池内部而避免形成孔洞，该方法利用了负气压抽吸匙孔内部蒸汽，避免了匙孔形成，但不能直观解释熔池内部是否形成了匙孔及其动态行为特征；此外，专利201610917879.5介绍了一种通过示踪元素特定波长下被激发出最强光强度的方法，实现熔池流动过程成像，但仍局限于熔池表面，难以观测到熔池内部，也未涉及匙孔观测方法。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法，其基于现有的熔池及匙孔的动态行为特征的监测方法，研究及设计了激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法。所述监测方法通过点光源、耐高温透明玻璃及高速摄像机的配合，实现了对熔池及匙孔内部动态行为特征的实时监测，方法简单可靠，切实可行，且利于推广应用。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法，该监测方法包括以下步骤：

(1)提供点光源、耐高温透明玻璃、高速摄像机及计算机，并将所述点光源及所述高速摄像机分别邻近焊接支撑平台设置；所述高速摄像机与所述计算机电性连接；

(2)将待焊接的金属板设置在所述焊接支撑平台上，并将所述耐高温透明玻璃设置在所述金属板邻近所述高速摄像机的一侧；

(3)所述点光源照亮所述耐高温透明玻璃及所述金属板，所述高速摄像机透过所述耐高温透明玻璃实时拍摄所述金属板邻近所述耐高温透明玻璃的侧面，并将拍摄的图像实时传输到所述计算机，所述计算机实时处理及显示接收到的所述图像，以实现对熔池及匙孔内部动态行为特征的监测。

进一步地，所述金属板位于所述高速摄像机的拍摄范围内。

进一步地，所述高速摄像机的摄像频率为1400帧/秒～2000帧/秒。

进一步地，所述点光源与所述高速摄像机间隔设置，且两者位于所述金属板的同一侧。

进一步地，所述点光源及所述高速摄像机分别设置在两个三角支架上。

进一步地，所述耐高温透明玻璃的尺寸及形状分别与所述侧面的尺寸及形状相对应。

进一步地，所述耐高温透明玻璃为矩型体，所述侧面为矩形，所述侧面的长与宽分别小于或者等于所述耐高温透明玻璃邻近所述金属板的表面的长与宽。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法主要具有以下有益效果：

1.所述监测方法通过点光源、耐高温透明玻璃及高速摄像机的配合，实现了对熔池及匙孔内部动态行为特征的实时监测，方法简单可靠，切实可行，且利于推广应用；

2.所述计算机实时处理及显示接收到的图像，使用者可以直观、清楚地观测熔池及匙孔内部动态行为特征；

3.所述监测方法用到的仪器成本较低，提高了经济性，灵活性较高。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法的工作示意图；

图2是采用图1中的激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法获取的匙孔内部特征示意图；

图3是采用图1中的激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法获取的熔池内部特征示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-点光源，2-三角支架，3-耐高温透明玻璃，4-金属板，5-焊接支撑平台，6-高速摄像机，7-计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法，所述监测方法构建了一种切实可行且简单可靠的方法，以便直观地观察焊接过程中的熔池与匙孔内部动态行为特征。

所述的激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供点光源1、耐高温透明玻璃3、高速摄像机6及计算机7，所述高速摄像机6与所述计算机7电性连接，同时将所述点光源1及所述高速摄像机6分别邻近焊接支撑平台5设置。具体地，所述点光源1设置在一个三角支架2上，其邻近待焊接的金属板4设置；所述点光源1用于照亮所述耐高温透明玻璃3及所述金属板4。所述高速摄像机6用于透过所述耐高温透明玻璃3拍摄所述金属板4的侧面，从而捕捉匙孔内部动态行为特征的序列图像，并将捕捉到的图像传输到所述计算机7中进一步处理。所述高速摄像机6也设置在一个所述三角支架2上，其邻近所述金属板4设置且与所述点光源1间隔设置；所述计算机7用于实时处理及显示接收到的来自所述高速摄像机6的图像。所述高速摄像机6的摄像频率为1400帧/秒～2000帧/秒。

本实施方式中，以4毫米厚的奥氏体不锈钢316l激光焊接为例，激光功率为3.5kw，焊接速度为1.5m/min，离焦量为零，保护气体为氩气(流量为1.5m³/h)，高速摄像机的摄像频率为1453帧/秒；所述耐高温透明玻璃3的尺寸及形状分别与所述金属板4邻近所述耐高温透明玻璃3的侧面的尺寸及形状相对应；所述耐高温透明玻璃3为矩型体，所述金属板4邻近所述耐高温透明玻璃3的侧面为矩形，所述侧面的长与宽分别小于或者等于所述耐高温透明玻璃3邻近所述金属板4的表面的长与宽。

步骤二，将所述金属板4设置在焊接支撑平台5上，其位于所述高速摄像机6的拍摄范围内，同时将所述耐高温透明玻璃3设置在所述金属板邻近所述高速摄像机6的一侧。本实施方式中，所述耐高温透明玻璃3设置在所述焊接支撑平台5上。

步骤三，打开所述点光源1以使所述点光源1照亮所述耐高温透明玻璃3及所述金属板4，所述高速摄像机6透过所述耐高温透明玻璃3实时拍摄所述金属板4的侧面，并将拍摄到的图像实时传输到所述计算机7，通过所述计算机7接收到的图像实时监测熔池与匙孔内部动态行为特征，为设计和优化焊接工艺参数提供参考。

图2显示了采用如上所述的监测方法获取的匙孔内部特征示意图，亮度较高的部分即为焊接过程中匙孔内部动态行为特征；分析人员可以快速、直观的观察到焊接过程中的匙孔内部动态行为特征，为设计及优化焊接工艺参数提供了参考。

图3显示了采用如上所述的监测方法所获取的熔池内部特征示意图，高亮区域下部偏暗区域即为动态熔池；分析人员可以快速、直观的观察到焊接过程中的熔池内部动态行为特征，为设计和优化焊接工艺参数提供参考。

可以理解，在其他实施方式中，可选取10毫米厚的奥氏体不锈钢316l进行激光焊接，激光功率选为3.0kw，焊接速度选为1.6m/min，离焦量选为-3mm，保护气体选为氩气(流量1.2m³/h)，高速摄像机的摄像频率选为2000帧/秒。

本发明提供的激光焊接熔池与匙孔内部动态行为特征的监测方法，所述监测方法通过点光源、耐高温透明玻璃及高速摄像机的配合，实现了对熔池及匙孔内部动态行为特征的实时监测，方法简单可靠，切实可行，且利于推广应用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。