一种搅拌摩擦焊孔洞测量方法及设备的制造方法
【专利摘要】本发明属于搅拌摩擦焊接缺陷控制领域，具体公开了一种搅拌摩擦焊孔洞测量方法及设备，测量设备包括相互连接的检测模块与计算模块；通过检测模块获得实际焊缝的图像与温度，并通过有限元计算奇异点的温度数据，通过比较二者的结果确定孔洞是否存在；本发明可以实现焊缝孔洞的在线检测，确定孔洞所在的位置，以便修改焊接方案，对焊缝孔洞予以控制。
【专利说明】
一种搅拌摩擦焊孔洞测量方法及设备
技术领域
[0001] 本发明涉及一种搅拌摩擦焊孔洞测量方法及设备，更具体地讲，是利用实际测试 和有限元计算相结合的方法确定焊缝孔洞是否存在的方法及设备。
【背景技术】
[0002] 孔洞是焊缝中的未连接部分，将导致焊接接头性能下降或接头失效。焊缝孔洞的 检查通常采用射线拍片法。对于重要的焊接接头，孔洞的检查不可或缺。
[0003] 目前接头孔洞的检测方法有离线检测与在线检测两类。离线检测是焊接接头焊接 完成之后进行检测，目前大多数检测方法均为离线检测，如表面的可目视检测、磁粉检测、 渗透检测、涡流检测，内部的超声波检测、射线检测等。离线检测操作过程简单，然而存在着 在焊接过程不能及时发现孔洞缺陷的问题。在线检测是指焊接接头在热态的情况下完成孔 洞缺陷的检测，目前广泛应用的射线拍片法或超声波检测法均难以实现在线检测。
[0004] 焊接孔洞的在线测试方法主要是利用金属材料的热物理特性，根据其在加热或冷 却过程中的细微变化对孔洞进行检测，应用最为广泛的为光谱法。光谱法是基于物质与辐 射能相互作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迀而产生的发射、吸收或散 射辐射的波长和强度而进行分析检测的方法。
[0005] 经过对现有技术的检索发现，现有焊接接头孔洞的检测主要基于特征光谱法，孔 洞的控制方法主要是通过工艺试验取样分析，然后进行工艺调整以实现孔洞的控制。如中 国专利CN 102615423A(43)提供了基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方 法。以上发明能够对焊接孔洞做出较为准确的测量，但是成本高，或者是非在线的检测。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，公开了一种搅拌摩擦焊孔洞测量方法及设 备，采用红外光谱图象与奇异点冷速的计算分析，克服现有的光谱测试方法的不足，并且能 够同时测量多点孔洞。
[0007] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种搅拌摩擦焊孔洞的测量设 备，包括相互连接的检测模块与计算模块，其特征在于:所述的计算模块包括:采集模块、样 本对比模块、有限元计算单元和数据处理模块，检测模块读取试板的搅拌头边缘单元中心 温度和搅拌头边缘单元冷却曲线数据并将信息筛选后将上述信息输出至计算模块，计算模 块获得试板待测点的温度分布云图、冷却曲线并进行计算对比。
[0008] 所述的检测模块包括:红外光谱传感器、转换接头、孔洞识别模块、随动小车和计 算机，其中：红外光谱传感器固定于搅拌头后侧，通过转换接头与计算机相连接;计算机中 的所述的孔洞识别模块用于孔洞形状的提取和识别，随动小车用于实现红外光谱传感器与 搅拌头的同步行走;所述的红外光谱传感器采用红外光谱法实现焊缝表面温度和孔洞形状 的传感，使用温度范围为400~650°C。
[0009] 所述的试板待测点的冷却曲线通过以下方式获得:通过红外光谱传感器获得试板 的搅拌头边缘单元中心温度，图像采集卡通过转换接口与计算机相连并采集试样中搅拌头 边缘单元的形状图像且获取待测点的温度分布及降温数据，采集模块用于接收试样待测点 的温度分布及降温数据，图像记录模块记录待测点的温度分布及降温数据;在搅拌摩擦焊 中，通过计算并与红外光谱数据样本对比确定在搅拌摩擦试板表面和近表面是否存在孔 洞。
[0010] -种搅拌摩擦焊孔洞测量方法，通过检测模块获得实际焊缝的图像与温度分布， 并通过有限元计算单元计算奇异点的温度数据，通过比较二者的结果确定孔洞是否存在； 具体步骤如下：
[0011] 第一步:将红外光谱传感器固定于搅拌头后侧，在开始搅拌摩擦焊接的同时启动 红外光谱温度测试仪，判断焊接是否达到稳定状态；当焊接达到稳定状态后，启动采集模 块、图像记录模块、数据处理模块，记录焊缝的冷却温度数据；
[0012] 第二步:将图像记录模块记录得到的搅拌头后侧的温度作为有限元计算的初始温 度，建立焊缝冷却的有限元模型；
[0013]第三步:通过记录所得到的图像数据判断奇异点的位置，并比较奇异点的实际冷 却温度数据和通过有限元计算单元计算得到的冷却温度数据，当奇异点的实际冷却数据与 计算得到的冷却数据符合时，则认为该点处存在孔洞。
[0014] -种搅拌摩擦焊孔洞测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0015] 第一步，试板预处理:在搅拌头后侧固定红外光谱传感器;红外光谱传感器采集的 信息进入图像采集卡；图像采集卡通过转换接头和计算机连接，红外光谱传感器的中心正 对搅拌头边缘的试板位置；
[0016] 第二步，边缘单元中心点温度测量:将红外光谱传感器安置于试样预处理后的上 方位置，红外光谱传感器与计算机相连，并在计算机中开启红外光谱测试模块(相当于红外 光谱传感器开始工作），然后进行搅拌摩擦焊，测量试样的搅拌头边缘单元的温度，并通过 边缘单元中心点温度判定试样是否达到稳定焊接状态；当试样温度达到稳定焊接状态后， 启动图像记录模块和数据处理模块;图像记录模块记录由图像采集卡传到计算机的试样中 搅拌头边缘单元的形状图像且获取待测点的温度分布及降温数据；
[0017] 第三步，数据处理:采集模块读取试样试样待测点的温度分布及降温数据，并将数 据传给数据处理模块并获得实际冷却曲线;将搅拌头后侧已焊接区域的温度数据作为有限 元计算的初始温度条件，并将室温稳定状态的温度作为环境温度；
[0018] 第四步，特征参数提取:根据图像数据和奇异点的冷却数据判断是否存在孔洞，具 体步骤为：
[0019] 1)获取图像并进行图像中奇异点形状的识别，标记奇异点位置；
[0020] 2)获取奇异点的冷却数据，跟踪获取冷却速度数据；
[0021 ] 3)通过冷却速度的对比，确定奇异点的特征；
[0022] 第五步，获得结果：当奇异点的冷却速度曲线与试样模拟的冷却速度曲线符合，则 可以认为该奇异点为孔洞;试样模拟的冷却速度曲线通过有限元计算单元计算得到。
[0023] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：其他单一的光谱测试方法对于测量孔洞 较为困难，而本发明对于孔洞样本的冷却速度进行测量，减少对孔洞的误判。通过本发明所 述的焊缝孔洞实时检测系统，可以实现焊缝孔洞的在线检测，确定孔洞所在的位置，以便修 改焊接方案，对焊缝孔洞予以控制。
【附图说明】
[0024]附图1:焊缝孔洞在线检测系统组成示意图；
[0025]附图2:孔洞判定流程图。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0027]根据图1，一种搅拌摩擦焊孔洞的测量设备，包括相互连接的检测模块与计算模 块，其特征在于:所述的计算模块包括:红外光谱数据样本、有限元计算单元和数据处理模 块、采集模块，检测模块读取试板的搅拌头边缘单元中心温度和边缘单元冷却曲线数据并 将信息筛选后将上述信息输出至计算模块，计算模块获得试样上待测点的温度分布图形、 冷却曲线并进行计算对比。试板的搅拌头边缘单元是指试板上搅拌头边缘与试板相互接触 的位置，由于焊接产生振动因此相互接触的位置会发生微量波动调整，搅拌头边缘单元中 心温度是指振动中相互接触的位置构成的整个区域的中心位置的温度。
[0028] 红外光谱传感器采集的图像和温度信息发送给图像采集卡，图像采集卡再将信息 发送至图像记录模块、采集模块、有限元计算单元。
[0029] 所述的检测模块包括:红外光谱传感器3、转换接头4、孔洞识别模块、随动小车6和 计算机7,其中：红外光谱传感器固定于搅拌头后侧，通过转换接头与计算机相连接;计算机 中的所述的孔洞识别模块用于孔洞形状的提取和识别，随动小车用于实现红外光谱测试仪 (包括:红外光谱传感器)与搅拌头的同步行走;所述的红外光谱传感器采用红外光谱法实 现焊缝表面温度和孔洞表面形状的传感，使用温度范围为400~650°C。
[0030] 所述的试样的冷却曲线通过以下方式获得:对于铝合金试板，通过红外光谱传感 器获得试样上搅拌头边缘单元中心温度，图像采集卡通过转换接口与计算机相连并采集试 样上搅拌头边缘单元的图像且获取待测点的温度分布及降温数据;在搅拌摩擦焊中，通过 计算并与标准样本对比确定在搅拌摩擦试板表面和近表面是否存在孔洞。
[0031] 所述的转换接头实现图像的传输。所述的随动小车采用电机驱动，保证与搅拌摩 擦焊行进速度一致。
[0032] 根据图2,焊缝孔洞在线检测方法的具体步骤为：
[0033] (1)试样预处理。在搅拌头后侧固定红外光谱传感器;通过转换接头和计算机连 接，红外光谱传感器的中心正对搅拌头边缘的试板位置，红外光谱测试仪的大小为〇 12.7_。红外光谱测试仪包括红外光谱传感器。
[0034] (2)边缘单元中心点温度测量。将红外光谱传感器安置于试样预处理后的上方位 置，与计算机相连，并在计算机中开启采集模块、数据处理模块，然后进行搅拌摩擦焊接，测 量试样上搅拌头边缘的待测点(待测点为试样或者试板的搅拌头边缘单元的随机点)温度， 并通过边缘单元中心点温度判定试样是否达到稳定焊接状态。搅拌摩擦焊接启动后，试板 与搅拌头相接触的区域及附近区域金属温度逐渐上升，当经过5s后，试板与搅拌头相接触 的区域的温度达到550°C，并保持稳定，采样频率为50Hz。当试样温度达到稳定焊接状态后， 启动图像记录模块、有限元计算单元。
[0035] (3)数据采集。采集模块8读取试样从开始降温时间分别经过20毫秒、40毫秒、60毫 秒、80毫秒、100毫秒时刻的冷却速度数据，并通过数据处理模块9获得实际冷却曲线。此冷 却速度数据系列作为有限元计算的对照样本。将试板后侧已焊接区域的温度数据作为有限 元计算的初始温度条件。将室温稳定状态的温度作为环境温度。将数据采集获得的样本与 有限元模型模拟的冷却数据进行对比的模块为样本对比模块10。
[0036] (4)特征参数提取。调整有限元模型中的待定参数获得的模拟冷却曲线（如附图2 所示)与步骤(3)中数据采集过程获得的实际冷却曲线之间的误差小于误差所允许的容错 范围（依测试精度而定，例如3%)，则可以认为数值计算所假设的奇异点为孔洞。
[0037] 测量结果如表1:
[0038]表1奇异点冷却速度差
[0040]模拟冷却曲线与实测冷却曲线最大温度误差为7.5°C/s，平均温度误差为5.9°C/ So
[0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同形式的替换，这些改进 和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种搅拌摩擦焊孔洞的测量设备，包括相互连接的检测模块与计算模块，其特征在 于:所述的计算模块包括:采集模块、样本对比模块、有限元计算单元和数据处理模块，检测 模块读取试板的搅拌头边缘单元中心温度和搅拌头边缘单元冷却温度曲线并将信息筛选 后将上述信息输出至计算模块，计算模块获得试板待测点的温度分布云图、冷却曲线并进 行计算对比。2. 根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊孔洞的测量设备，其特征在于:所述的检测模 块包括:红外光谱传感器、转换接头、孔洞识别模块、随动小车和计算机，其中：红外光谱传 感器固定于搅拌头后侧，通过转换接头与计算机相连接;计算机中的所述的孔洞识别模块 用于孔洞形状的识别和提取，随动小车用于实现红外光谱传感器与搅拌头的同步行走;所 述的红外光谱传感器采用红外光谱法实现焊缝表面温度和孔洞形状的传感，使用温度范围 为400-650 °C。3. 根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊孔洞的测量设备，其特征在于:所述的试板待 测点的冷却曲线通过以下方式获得:通过红外光谱传感器获得试板的搅拌头边缘单元中心 温度，图像采集卡通过转换接口与计算机相连并采集试样中搅拌头边缘单元的形状图像且 获取待测点的温度分布及降温数据，采集模块用于读取试样待测点的温度分布及降温数 据，图像记录模块记录待测点的温度分布及降温数据;在搅拌摩擦焊中，通过计算并与红外 光谱数据样本对比确定在搅拌摩擦试板表面和近表面是否存在孔洞。4. 一种搅拌摩擦焊孔洞测量方法，其特征在于，通过检测模块获得实际焊缝的图像与 温度分布，并通过有限元计算单元计算奇异点的温度数据，通过比较二者的结果确定孔洞 是否存在;具体步骤如下： 第一步:将红外光谱传感器固定于搅拌头后侧，在开始搅拌摩擦焊接的同时启动红外 光谱温度测试仪，判断焊接是否达到稳定状态；当焊接达到稳定状态后，启动采集模块、图 像记录模块、数据处理模块，记录焊缝的冷却温度数据； 第二步:将图像记录模块记录得到的搅拌头后侧的温度作为有限元计算的初始温度， 建立焊缝冷却的有限元模型； 第三步:通过记录所得到的图像数据判断奇异点的位置，并比较奇异点的实际冷却温 度数据和通过有限元计算单元计算得到的冷却温度数据，当奇异点的实际冷却数据与计算 得到的冷却数据不符合时，则认为该点处存在孔洞。5. -种搅拌摩擦焊孔洞测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步，试板预处理:在搅拌头后侧固定红外光谱传感器;红外光谱传感器采集的信息 进入图像采集卡；图像采集卡通过转换接头和计算机连接，红外光谱传感器的中心正对搅 拌头边缘的试板位置； 第二步，边缘单元中心点温度测量：将红外光谱传感器安置于试样预处理后的上方位 置，红外光谱传感器与计算机相连，并在计算机中开启红外光谱测试模块，然后进行搅拌摩 擦焊，测量试样的搅拌头边缘单元的温度，并通过边缘单元中心点温度判定试样是否达到 稳定焊接状态；当达到稳定焊接状态后，启动图像记录模块和数据处理模块;图像记录模块 记录由图像采集卡传到计算机的试样中搅拌头边缘单元的形状图像且获取待测点的温度 分布及降温数据； 第三步，数据处理:采集模块读取试样待测点的温度分布及降温数据，并将数据传给数 据处理模块并获得实际冷却曲线;将搅拌头后侧已焊接区域的温度数据作为有限元计算的 初始温度条件，并将室温稳定状态的温度作为环境温度； 第四步，特征参数提取:根据图像数据和奇异点的冷却数据判断是否存在孔洞，具体步 骤为： 1)获取图像并进行图像中奇异点形状的识别，标记奇异点位置； 2 )获取奇异点的冷却数据，跟踪获取冷却速度数据； 3)通过冷却速度的对比，确定奇异点的特征； 第五步，获得结果：当奇异点的冷却速度曲线与试样模拟的冷却速度曲线不符合时，则 可以认为该奇异点为孔洞;试样模拟的冷却速度曲线通过有限元计算单元计算得到。
【文档编号】G01N25/72GK105928979SQ201610526412
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】付宁宁, 薛海峰, 戴忠晨, 隋显庭, 云中煌, 王红波, 郭丹, 齐作香
【申请人】南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司