厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法，包括以下步驟：1)除去第一部件及第二部件的氧化皮，將第一部件及第二部件對齊，并以第一部件的側面為起始點進行激光焊接，焊接過程中激光束朝向第二部件的側面運動，同時保證在激光束到達第二部件側面時，熔池形狀已經處于準穩(wěn)定狀態(tài)，當激光束到達第二部件側面時向熔池中引入異質金屬，同時切斷激光束，在攪拌作用使異質金屬均勻的分布于熔池中；2)通過宏觀金相分析獲取不同截面上熔池形狀的二維信息；3)根據(jù)不同截面上熔池形狀的二維信息重構熔池的三維形狀。本發(fā)明可以獲取熔池的三維形狀信息，安全有效，成本低。
【專利說明】厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維形狀檢測及重構方法，具體涉及一種厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法。
【背景技術】
[0002]激光焊接熔池三維形狀包含有豐富的焊接質量信息，是評判激光焊接工藝參數(shù)是否合理和預測焊接接頭質量的重要依據(jù)。研究激光焊接熔池的三維形貌可以更好地理解激光焊接過程中的傳質、傳熱現(xiàn)象，尤其是熔池后部固/液界面的三維形狀會影響晶粒成長方向并最終影響焊縫組織形貌和焊接接頭的力學性能。
[0003]目前通過實驗手段只能獲得關于熔池形狀的二維信息。在激光焊接過程中通過高速攝影可以獲得熔池上、下表面形狀的二維信息。在焊后通過焊接接頭橫截面宏觀金相分析獲得焊縫橫截面形狀，通過焊接接頭縱截面宏觀金相分析獲得熔池前沿形狀。但是很難通過實驗方法獲得位于工件內部的熔池的三維完整形狀，尤其是熔池后沿固/液界面的三維形狀。
[0004]日本大阪大學的SeijiKatayama教授使用X射線透射成像和高速攝影相結合的技術對激光深熔焊接過程中熔池動態(tài)行為進行觀察的試驗方法，是目前為止最好的激光深熔焊接熔池形貌試驗研究方法。但是使用該方法獲也只能獲得熔池縱截面的二維形貌。而且該方法有設備投資成本高，要求在觀測方向上試樣厚度不能太大，存在核輻射危害風險等缺點。
[0005]因此，國內外很多學者通過數(shù)值模擬來獲得激光深熔焊接熔池三維形貌、分析激光深熔焊接過程中的傳熱和傳質行為。通過數(shù)值模擬研究激光深熔焊接熔池三維形狀存在以下主要問題:一、數(shù)值模擬所需要的材料高溫物理特性參數(shù)很難獲得；二、數(shù)值模擬計算結果本身的正確性需要通過試驗結果來驗證，因此其正確性驗證也僅限于熔池上下表面形狀和焊縫橫截面形狀等這些二維信息，工件內部固/液界面三維形狀尚無法通過試驗驗證。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法，該方法可以獲取熔池的三維形狀信息，并且安全有效，成本低。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明所述的厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法包括以下步驟:
[0008]I)除去需要焊接的第一部件及第二部件的氧化皮，再將第一部件及第二部件對齊，然后以第一部件的側面為起始焊接位置進行激光焊接，焊接過程中激光束朝向第二部件的側面運動，同時保證在激光束到達第二部件側面時，熔池形狀已經處于準穩(wěn)定狀態(tài)，當激光束到達第二部件側面時向熔池中引入異質金屬，同時切斷激光束，并通過攪拌作用使異質金屬均勻的分布于熔池中；
[0009]2)根據(jù)金屬中異質金屬元素含量的變化會引起金屬腐蝕速度的變化，通過宏觀金相分析獲取不同截面上熔池形狀的二維信息；
[0010]3)根據(jù)不同截面上熔池形狀的二維信息重構熔池的三維形狀。
[0011]步驟2)中所述不同截面上熔池形狀的二維信息包括各縱截面邊界點的位置信息及橫截面邊界點的位置信息。
[0012]步驟3)的具體操作為:
[0013]在Pro/e建模軟件中，以焊縫縱截面為X-Y平面，以第一部件與第二部件的連接處為Y軸，輸入測得的縱截面邊界點坐標值，用樣條曲線命令擬合出縱截面邊界曲線，獲得熔池在焊接方向上的輪廓；對于不同位置的橫截面，根據(jù)取樣時第一部件與第二部件之間的距離以及試樣磨掉的厚度來定位，建立平行于Y-Z平面的基準面，在各個基準平面上通過多點擬合的方法建立各橫截面的二維模型，然后在建立好縱截面與橫截面的二維模型后，使用混合掃描的方法把二維模型轉化為三維曲面模型，然后對所述三維曲面模型進行修正及平滑，得熔池的三位輪廓形狀。
[0014]所述第一部件及第二部件通過碳鋼、低合金鋼或不銹鋼材料制作而成。
[0015]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016]本發(fā)明所述的厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法在獲取熔池的三維形狀信息時，在當激光束到達第二部件側面時向熔池中引入異質金屬，并通過攪拌作用使異質金屬均勻的分布于熔池中，由于金屬中異質合金元素含量的差異會導致金屬在腐蝕液中的腐蝕速度的差異，因此再通過宏觀金相分析可以獲得不同截面上熔池形狀的二維信息，然后再根據(jù)所述不同截面上熔池形狀的二維信息獲得熔池三維形狀的信息，操作方便、安全、簡單，并且成本低，適用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等常用鋼材激光深熔焊接熔池的檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明中焊接試驗示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明中實施例一焊縫橫截面二維模型圖；
[0019]圖3為本發(fā)明中實施例一焊縫縱截面二維模型圖；
[0020]圖4為本發(fā)明中實施例一熔池的三維形貌模型圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述:
[0022]本發(fā)明所述的厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法包括以下步驟:
[0023]I)除去需要焊接的第一部件及第二部件的氧化皮，再將第一部件及第二部件對齊，然后以第一部件的側面為起始焊接位置進行激光焊接，焊接過程中激光束朝向第二部件的側面運動，同時保證在激光束到達第二部件側面時，熔池形狀已經處于準穩(wěn)定狀態(tài)，當激光束到達第二部件側面時向熔池中引入異質金屬，同時切斷激光束，并通過攪拌作用使異質金屬均勻的分布于熔池中；[0024]2)根據(jù)金屬中異質金屬元素含量的變化會引起金屬腐蝕速度的變化，通過宏觀金相分析獲取不同截面上熔池形狀的二維信息；
[0025]3)根據(jù)不同截面上熔池形狀的二維信息重構熔池的三維形狀。
[0026]步驟2)中所述不同截面上熔池形狀的二維信息包括各縱截面邊界點的位置信息及橫截面邊界點的位置信息。
[0027]步驟3)的具體操作為:
[0028]在Pro/e建模軟件中，以焊縫縱截面為X-Y平面，以第一部件與第二部件的連接處為Y軸，輸入測得的縱截面邊界點坐標值，用樣條曲線命令擬合出縱截面邊界曲線，獲得熔池在焊接方向上的輪廓；對于不同位置的橫截面，根據(jù)取樣時第一部件與第二部件之間的距離以及試樣磨掉的厚度來定位，建立平行于Y-Z平面的基準面，在各個基準平面上通過多點擬合的方法建立各橫截面的二維模型，然后在建立好縱截面與橫截面的二維模型后，使用混合掃描的方法把二維模型轉化為三維曲面模型，然后對所述三維曲面模型進行修正及平滑，得熔池的三位輪廓形狀。
[0029]所述第一部件及第二部件為碳鋼、低合金鋼或不銹鋼材料制作而成。
[0030]實施例一
[0031]參考圖1、圖2、圖3及圖4，以鋼板厚度為6mm、激光功率為4KW、焊接速度為0.7m/mim、焦距為250mm、離焦量為Omm的激光全穿透焊接過程為例。
[0032]I)通過機械加工及打磨去掉厚度相同的Q235碳鋼與304不銹鋼工件表面的氧化皮，在焊接前用丙酮清理厚度相同的Q235碳鋼與304不銹鋼板，去除油污以防止氣孔的產生影響焊接質量；
[0033]2)將厚度相同的Q235碳鋼與304不銹鋼板對齊，保證Q235碳鋼板/304不銹鋼板界面處間隙很小、表面對齊；
[0034]3)在碳鋼側進行激光焊接，焊接過程中激光束朝向不銹鋼一側運動，碳鋼側激光焊縫長度足夠大，以保證在激光束到達Q235碳鋼板/304不銹鋼板界面處時熔池形狀已經處于準穩(wěn)定狀態(tài)。
[0035]4)在激光光斑中心剛到達Q235碳鋼板/304不銹鋼板界面的一瞬間，切斷激光束，向熔池中引入異質金屬；
[0036]5)根據(jù)金屬中異質金屬元素含量的變化會引起金屬腐蝕速度的變化，通過宏觀金相分析獲取不同截面上熔池形狀的二維信息；所述不同截面上熔池形狀的二維信息包括各縱截面邊界點的位置信息及橫截面邊界點的位置信息；
[0037]6)在Pro/e建模軟件中，以焊縫縱截面為X-Y平面，以第一部件與第二部件的連接處為Y軸，輸入測得的縱截面邊界點坐標值，用樣條曲線命令擬合出縱截面邊界曲線，獲得熔池在焊接方向上的輪廓；對于不同位置的橫截面，根據(jù)取樣時第一部件與第二部件之間的距離以及試樣磨掉的厚度來定位，建立平行于y-z平面的基準面，在各個基準平面上通過多點擬合的方法建立各橫截面的二維模型，然后在建立好縱截面與橫截面的二維模型后，使用混合掃描的方法把二維模型轉化為三維曲面模型，然后對所述三維曲面模型進行修正及平滑，得熔池的三維形狀。
[0038]為了驗證本方法的可靠性，對腐蝕出來的縱截面邊界做能譜線掃描，通過檢測Cr元素在邊界附近的分布來確定凝固狀態(tài)下測得的不銹鋼碳鋼邊界是否就是焊接過程中熔池的輪廓線，在能譜掃描之前做三個標記點，第一個點在不銹鋼一側作為掃描起始點，第二點在邊界線上與第一點構成的直線水平，第三個點在碳鋼一側，作為掃描終止點，在試樣縱截面共有四條能譜線，從掃描的結果來看Cr元素的強度在邊界線出現(xiàn)了較大的變化，考慮到元素擴散的影響，認為不銹鋼與碳鋼的邊界是熔池的輪廓線。
[0039]此外，還研究了激光束終止位置對熔池三維形貌的影響，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，激光在不銹鋼一側的終止位置對熔池后檐會產生影響，然而對熔池前檐的由于接頭間隙的關系，激光終止位置對熔池后檐的影響并沒有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。
【權利要求】
1.一種厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)除去需要焊接的第一部件及第二部件的氧化皮，再將第一部件及第二部件對齊，然后以第一部件的側面為起始焊接位置進行激光焊接，焊接過程中激光束朝向第二部件的側面運動，同時保證在激光束到達第二部件側面時，熔池形狀已經處于準穩(wěn)定狀態(tài)，當激光束到達第二部件側面時向熔池中引入異質金屬，同時切斷激光束，并通過攪拌作用使異質金屬均勻的分布于熔池中； 2)根據(jù)金屬中異質金屬元素含量的變化會引起金屬腐蝕速度的變化，通過宏觀金相分析獲取不同截面上熔池形狀的二維信息； 3)根據(jù)不同截面上熔池形狀的二維信息重構熔池的三維形狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法，其特征在于，步驟2)中所述不同截面上熔池形狀的二維信息包括各縱截面邊界點的位置信息及橫截面邊界點的位置信息。
3.根據(jù)權利要求2所述的厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法，其特征在于，步驟3)的具體操作為: 在Pro/e建模軟件中，以焊縫縱截面為X-Y平面，以第一部件與第二部件的連接處為Y軸，輸入測得的縱截面邊界點坐標值，用樣條曲線命令擬合出縱截面邊界曲線，獲得熔池在焊接方向上的輪廓；對于不同位置的橫截面，根據(jù)取樣時第一部件與第二部件之間的距離以及試樣磨掉的厚度來定位，建立平行于Y-Z平面的基準面，在各個基準平面上通過多點擬合的方法建立各橫截面的二維模型，然后在建立好縱截面與橫截面的二維模型后，使用混合掃描的方法把二維模型轉化為三維曲面模型，然后對所述三維曲面模型進行修正及平滑，得熔池的三位輪廓形狀。
4.根據(jù)權利要求1所述的厚鋼板激光全穿透焊接熔池三維形狀檢測及重構方法，其特征在于，所述第一部件及第二部件通過碳鋼、低合金鋼或不銹鋼材料制作而成。
【文檔編號】G01B21/20GK104006785SQ201410213782
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權日:2014年5月20日
【發(fā)明者】張林杰, 張興軍, 寧杰, 張建勛 申請人:西安交通大學