[發明專利]Ti-6Al-4V鈦合金電弧焊接熔池表面溫度場監測方法

有效

• 申請號: 201510512612.3
• 申請日: 2015-08-19
• 公開（公告）號: CN105081522A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 楊明軒;齊鉑金;楊舟
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23K9/095
• 分類號: B23K9/095
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 苗青盛

技術領域

本發明涉及溫度監測方法，具體涉及Ti-6Al-4V鈦合金電弧焊接熔池表面溫度場監測方法。

背景技術

鈦合金具有較高的比剛度、優異的抗腐蝕性能，同時具有密度小，耐熱性、韌性和焊接性好等特點，在航空航天、車輛工程、石油化工等各個領域應用廣泛，其焊接技術和工藝決定了焊縫成形質量和工件性能。

目前使用的鈦合金中有50％為雙相Ti-6Al-4V鈦合金。常規電弧熱作用下母材熔化過程熱輸入較大，這將造成母材金屬β晶粒顯著長大，受其影響，凝固組織延展性差，嚴重影響了飛行器中鈦合金結構件的塑性，降低了其疲勞壽命，可能對航空航天飛行器的安全、穩定運行造成致命破壞；與之相比，鈦合金細晶粒凝固組織屈服強度、延展性及抗裂紋擴展能力均有較大提升，因此，有效控制晶粒尺寸及顯微組織形貌對提高Ti-6Al-4V鈦合金焊縫組織性能至關重要。

由上可知，電弧焊接的熱過程對Ti-6Al-4V鈦合金晶粒生長、顯微形貌、組織性能存在直接影響，因此，實現電弧焊接溫度場的實時監測，可有效預測焊縫顯微組織，保證鈦合金典型結構件使用壽命，并對可能的失效進行預警。

金屬發射率(即金屬輻射率)是指金屬的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比，是溫度實時監測過程中的重要參數，一般地，采樣發射率與被測物體發射率一致時，采樣值最準確，反之則形成較大誤差。

傳感技術作為自動化焊接的重要組成，是焊接過程實時監測的重要手段，可直觀反映電磁場、溫度場、力場、流場特點，為深入理解電弧焊接動態過程中，復雜多物理場耦合及相互作用提供了有效途徑。不同于其他焊接傳感器受焊接回路的影響，借助于紅外熱像儀視覺傳感技術，可實現焊接過程精確可視化。

在焊接過程的加熱和冷卻過程中，熱量傳輸伴隨著整個過程的始終，以弧焊工藝為例，電弧為熔池表面提供熱源，在熱的作用下熔池形成、溫度分布發生變化，進而對接頭的微觀組織和力學性能產生影響，因此焊縫區域的溫度場及其動態過程的監測尤為重要。

傳統的熱電偶測溫方法準備過程復雜，且無法實現實時監測。非接觸測溫的方法應用范圍逐步擴大，清華大學利用雙色熱圖像傳感器獲取焊縫背面不同波段的熱輻射圖像，依據相應的圖像處理后的灰度比值與溫度之間的關系得到焊接溫度場的分布；美國Ohio州立大學的FarsonD搭建了光學高溫測定的非接觸式溫度紅外測量系統，對測量誤差進行了系統討論，Auburn大學的ChinAB也在此方面開展了相關的工作。但上述工作的主要作用在于證實某個理論的正確性或方法的可行性，并未開展熔池表面實時溫度監測。

發明內容

本發明的目的在于提供Ti-6Al-4V鈦合金電弧焊接熔池表面溫度場監測方法，通過合理設計技術方案，盡可能避免干擾因素，從而實現惡劣條件下(電弧焊接)，Ti-6Al-4V鈦合金平板熔池溫度場實時監測，并相應提出結果標定、校正方案，確保監測數據的準確性。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案。

Ti-6Al-4V鈦合金電弧焊接熔池表面溫度場監測方法，其包括：

1)、監測點的設置：Ti-6Al-4V鈦合金經電弧加熱熔化后形成熔池，設該熔池的直徑為W，焊槍噴嘴下端距所述母材金屬表面距離為L，噴嘴直徑為D，鎢極探出長度為l，監測點距所述熔池中心O的軸線直線距離為d，監測點距所述母材金屬表面垂直高度為h，所述熔池的位置信息由3個位置基準點O、A、B確定，其坐標分別為O(0,0)，A(-W/2,0)，B(W/2,0)表示，所述監測點的位置基準點為S點，其坐標為S(d,h)，在監測點S點采用紅外熱像儀進行監測所述熔池的溫度，其中，所述d、h的大小范圍為50mm<d<350mm，80mm<h<120mm；

2)、焊槍、鎢極干擾源排除：設所述焊槍噴嘴的位置基準點為E點，其坐標為E(D/2,L)，所述鎢極的位置基點為C點，其坐標為C(0,L-l)，調節所述L、D、l、W、d、h的大小，使其符合l≤LD/(D+W)和L≥h(D+W)/(2d+W)。

如上所述的監測方法，優選地，該監測方法還包括對Ti-6Al-4V鈦合金電弧加熱前的反光處理，具體包括：

(1)將所述Ti-6Al-4V鈦合金的規格縮小至100mm×50mm×5mm；

(2)對所述Ti-6Al-4V鈦合金的不熔化區域進行遮光覆蓋，僅預留12～15mm寬的焊道區域。

如上所述的監測方法，優選地，所述遮光覆蓋是指在所述不熔化區域涂隔熱漆，在所述隔熱漆上用黑色絕緣膠帶覆蓋。