專利名稱：一種激光制造過程零部件溫度的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量激光制造過程零件溫度分布的方法。
背景技術(shù)：
激光制造過程中，零部件的溫度分布與變化決定了其應(yīng)力與應(yīng)變場(chǎng)，同時(shí)溫度場(chǎng) 還與冶金、結(jié)晶、相變過程有著不可分割的聯(lián)系，是影響制造質(zhì)量和焊接生產(chǎn)率的主要因 素。準(zhǔn)確測(cè)量激光制造過程的熱循環(huán)，對(duì)與制造機(jī)理、力學(xué)分析、顯微組織分析以及最終的 制造質(zhì)量控制具有重要意義?，F(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于激光制造過程(比如激光焊接、激光成形等過程)零部件溫度場(chǎng) 的測(cè)量采用的方法主要有接觸式測(cè)量與非接觸方式測(cè)量?jī)煞N。接觸式測(cè)量通常有熱電偶、 熱電阻等測(cè)溫方法，這種測(cè)溫方法測(cè)量精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是只能單點(diǎn)測(cè)量，不能 反映溫度場(chǎng)，且不容易測(cè)量熔池溫度。非接觸測(cè)量主要有紅外測(cè)溫、紅外成像等方法。發(fā)明 專利CN101391344A提出對(duì)熔池進(jìn)行拍照，對(duì)照片進(jìn)行灰度處理，對(duì)比已有的灰度-溫度關(guān) 系獲取熔池二維溫度分布。但是文獻(xiàn)(劉黎明，等.鎂合金AZ31焊接溫度場(chǎng)的紅外測(cè)量和 數(shù)值模擬[J].中國科學(xué)E輯，2006，36(1) :29 38)指出非接觸測(cè)量容易受到被測(cè)件表面 質(zhì)量的影響，在激光制造過程中，零部件表面狀態(tài)很容易發(fā)生變化，通常需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn) 行校正。此外，非接觸式測(cè)量方法無法獲取零件內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠準(zhǔn)確、可靠、全面地測(cè)量激光制造過程中零部件溫 度的測(cè)量方法。一種激光制造過程零部件溫度的測(cè)量方法，將接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫方式相 結(jié)合，采用非接觸式測(cè)溫方法對(duì)目標(biāo)面、線及點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采用接觸式測(cè)量元件對(duì)非接 觸式測(cè)量范圍中某一位置進(jìn)行測(cè)量，將同一測(cè)點(diǎn)的接觸式與非接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 以接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，修正非接觸式測(cè)量相關(guān)參數(shù)與定量關(guān)系，從而對(duì)非接觸式測(cè)量 的面、線及點(diǎn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。此外，采用接觸式測(cè)溫方法測(cè)量非接觸式難以測(cè)量的測(cè)點(diǎn) 溫度，與非接觸式測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)構(gòu)成完整的零部件溫度分布信息。進(jìn)一步，同時(shí)使用接觸式與非接觸式兩種測(cè)溫方式，所述非接觸式測(cè)溫方法測(cè)取 目標(biāo)面、線、點(diǎn)的溫度分布及變化，所述接觸式測(cè)溫方法測(cè)取其中某一點(diǎn)的溫度變化，所述 非接觸式測(cè)溫區(qū)域包含接觸式測(cè)溫的測(cè)點(diǎn)。進(jìn)一步，所述接觸式測(cè)溫方式為熱電偶、熱電阻測(cè)溫方式；所述非接觸式測(cè)溫方式 為紅外測(cè)溫、紅外熱像儀測(cè)溫方式。進(jìn)一步，測(cè)溫過程中，所述接觸式測(cè)溫元件可以布置在所述非接觸式難以測(cè)量的位置。進(jìn)一步，所述接觸式測(cè)溫元件可以布置在零件內(nèi)部。本發(fā)明提出采用接觸與非接觸式相結(jié)合的方法，測(cè)量激光制造過程中的零件溫度分布，采用非接觸式測(cè)取指定位置，包括面、線以及點(diǎn)的溫度，接觸式測(cè)溫方法測(cè)取關(guān)鍵點(diǎn) (包括零部件內(nèi)部)的溫度變化。兩種測(cè)量方式獲取的數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，增加了數(shù)據(jù)的可靠 性，同時(shí)能夠獲取較為完整的溫度分布信息。


圖1接觸式與非接觸式結(jié)合測(cè)溫方法示意圖；圖2鈦合金與合金鋼搭接焊溫度測(cè)試示意圖；圖3紅外測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比；圖4紅外測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫?cái)M合曲線；圖5激光直接成形過程溫度監(jiān)測(cè)示意圖；圖6激光成形關(guān)鍵點(diǎn)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式在激光制造過程中，零部件的溫度場(chǎng)是影響制造質(zhì)量與效率的重要因素，因此本 發(fā)明提出采用接觸與非接觸式測(cè)溫相結(jié)合的方法，測(cè)量激光制造過程中的零件溫度分布與變化。如圖1所示，激光從激光頭1輸出，作用在加工零部件2上，對(duì)零部件上某關(guān)鍵點(diǎn) 布置接觸式測(cè)溫元件3進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，接觸式測(cè)溫元件可以采用熱電偶、熱電阻等。同時(shí)， 采用非接觸式測(cè)溫裝置4監(jiān)測(cè)零部件目標(biāo)面、線及點(diǎn)的溫度變化，其中必須包括測(cè)溫元件3 監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)。測(cè)溫裝置可以使紅外測(cè)溫儀、紅外熱像儀等非接觸式測(cè)溫設(shè)備。由于紅外測(cè)溫過程易受零部件表面狀態(tài)的影響，所測(cè)量到的溫度數(shù)值與表面紅外 線的放射功率之間存在著一定的非線性關(guān)系，不同的金屬材料其紅外放射功率是不相同 的，在進(jìn)行激光加工的前序過程中不同的預(yù)處理方式也會(huì)導(dǎo)致相同材質(zhì)工件的紅外放射功 率不盡相同。因此，在非接觸測(cè)量中，同時(shí)關(guān)注接觸式測(cè)溫所得到的溫度數(shù)據(jù)，并將兩種測(cè) 量方法獲取的同一點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)通過采集卡5進(jìn)行采集，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)6中。針對(duì)同一 測(cè)量點(diǎn)，通過對(duì)兩種溫度測(cè)量方法獲取的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以接觸式測(cè)量獲取的溫度數(shù) 據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)紅外測(cè)溫的發(fā)射率系數(shù)進(jìn)行修正，并獲取紅外測(cè)溫與真實(shí)溫度(接觸式測(cè)量 獲得)之間的定量關(guān)系。此外，在某些零件的激光制造過程中，需要了解零部件內(nèi)部的溫度變化，這就需要 在零件上打孔，在孔中安裝接觸式測(cè)溫元件，對(duì)零部件內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖1所示，激光從激光頭1輸出，輻照在加工零部件2上。對(duì)于某關(guān)鍵位置，同時(shí) 采用接觸式測(cè)溫元件3與非接觸測(cè)溫裝置4進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，接觸式測(cè)溫元件3通常為熱電 偶與熱電阻等，測(cè)點(diǎn)位置盡可能避免選在激光掃描中心線上，因?yàn)榧す饧虞d區(qū)域溫度較高， 材料熔化形成熔池，容易造成接觸式測(cè)溫元件的脫落，測(cè)點(diǎn)位置可選在離熔池邊緣3 5mm 處。對(duì)于非接觸式測(cè)溫，通常采用紅外測(cè)溫方法，由紅外測(cè)溫原理可知，輻射測(cè)量表面 溫度與為表面發(fā)射率密切相關(guān)。因此，在紅外測(cè)溫過程中，為得到準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，必須對(duì) 材料的發(fā)射率進(jìn)行修正。
針對(duì)同一測(cè)點(diǎn)，將通過接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫得到的兩路信號(hào)通過采集卡5 輸入計(jì)算機(jī)6，在計(jì)算機(jī)6中對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以接觸式測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過統(tǒng) 計(jì)方法，比如最小二乘方法，對(duì)被測(cè)表面發(fā)射率進(jìn)行修正，兩路信號(hào)數(shù)據(jù)誤差平方和最小時(shí) 所對(duì)應(yīng)的表面發(fā)射率為最佳值。此外，通過應(yīng)用數(shù)值擬合的方法，比如線性擬合、多項(xiàng)式擬 合等，求取紅外測(cè)溫與真實(shí)溫度(接觸式測(cè)量獲得)之間的定量關(guān)系。從而將表面發(fā)射率 以及紅外測(cè)溫與真實(shí)溫度之間的定量關(guān)系應(yīng)用到其他點(diǎn)或區(qū)域的紅外溫度數(shù)據(jù)中，可以獲 得準(zhǔn)確而全面的溫度場(chǎng)信息。實(shí)施例1 接觸式測(cè)量裝置設(shè)置于零件表面的溫度測(cè)量鈦合金與合金鋼的激光搭接焊過程中的溫度測(cè)量在焊接過程中，測(cè)取關(guān)鍵位置 溫度變化規(guī)律，焊接材料為鈦合金Ti-6A1-4V與合金鋼42CrMo，如圖2所示。激光從激光頭 21輸出，輻照在鈦合金26表面上，在測(cè)點(diǎn)上布置熱電偶22，同時(shí)采用非接觸式紅外測(cè)溫儀 23監(jiān)測(cè)該點(diǎn)的溫度變化，將兩路信號(hào)通過采集卡24，讀入計(jì)算機(jī)25進(jìn)行分析對(duì)比。以接觸 式熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)位基準(zhǔn)，確定紅外測(cè)溫所采用的發(fā)射率以及紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與熱電偶測(cè)溫 數(shù)據(jù)的定量關(guān)系。在本實(shí)施例中，焊接方式為激光搭接焊，鈦合金Ti-6A1_4V置于上層，合金鋼 42CrMo置于下層，所用激光器為德國HAAS公司的HLD1001. 5工業(yè)用Nd-YAG連續(xù)激光器，最 大功率為1000W。接觸測(cè)溫裝置采用k系列熱電偶，測(cè)溫范圍室溫 1000°C，誤差1. 5°C。 非接觸測(cè)溫裝置采用英國LAND公司的System 4型紅外測(cè)溫儀，該儀器的監(jiān)測(cè)波長2. 4 μ m 的電磁波，測(cè)溫范圍為150 550°C。實(shí)驗(yàn)采用工藝參數(shù)為功率1000W，焊接掃描速度Imm/ s，離焦量為-1mm，光斑直徑0. 24mm，測(cè)點(diǎn)位置距掃描軌跡中心4mm處。將該測(cè)點(diǎn)的兩路溫 度信號(hào)通過采集卡上傳到計(jì)算機(jī)。以熱電偶測(cè)得溫度為基準(zhǔn)對(duì)比分析兩路溫度數(shù)據(jù)的，得 到當(dāng)發(fā)射率ε取0.26時(shí)，紅外測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)最符合，如圖3所示。此外，對(duì)兩路 溫度信號(hào)通過最小二乘方法進(jìn)行擬合，得Ta= 0. 9158Ta+3. 4341如圖4所示。如此通過兩路溫度信號(hào)的對(duì)比與擬合，可以得到更為可靠的溫度數(shù) 據(jù)。實(shí)施例2 接觸式測(cè)量裝置設(shè)置于零件內(nèi)部的溫度測(cè)量本實(shí)施例為在激光成形過程中，采用同軸送粉方式，圖5所示為激光成形過程溫 度測(cè)試剖面示意圖。激光光束與粉末31相互作用，逐層掃描，形成壁板。在成形過程中同 時(shí)監(jiān)測(cè)基底33與成形材料32關(guān)鍵位置的溫度變化。采用鎧裝熱電偶34對(duì)基底內(nèi)部溫度 監(jiān)測(cè)。對(duì)于成型材料關(guān)鍵位置的溫度監(jiān)測(cè)，由于成形是粉末的動(dòng)態(tài)添加與冶金過程，無法采 用接觸式測(cè)量方式，因此采用紅外測(cè)溫35對(duì)成形材料上某一固定點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，然后對(duì) 成形材料的發(fā)射率，以及紅外測(cè)溫與接觸測(cè)溫的定量關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校正，方法同實(shí)施例1。 將三路溫度信號(hào)通過采集卡36進(jìn)行采集，讀入計(jì)算機(jī)37進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本實(shí)施例中，成形基體為410鋼，成形粉末為不銹鋼SS410粉末。激光器采用德國 HAAS公司的HLD1001. 5工業(yè)用Nd-YAG連續(xù)激光器，最大功率為1000W。接觸測(cè)溫裝置采用 k系列鎧裝熱電偶，測(cè)溫范圍室溫 1000°C，誤差1. 5°C。非接觸測(cè)溫裝置采用英國LAND 公司紅外測(cè)溫設(shè)備為Cyclops 100型便攜式高溫儀，測(cè)溫范圍550°C 3000°C。實(shí)驗(yàn)采用 工藝參數(shù)為功率500W，離焦量9mm，層高0. 1mm，成形層數(shù)286層，激光掃描速度2. 5mm/s,預(yù)熱掃描循環(huán)次數(shù)30，送粉率0. 72g/min，測(cè)點(diǎn)1位置為基體表面下方5mm處，位于掃描軌 跡的中心，測(cè)點(diǎn)II位置為基體表面下方5mm處，位于掃描軌跡的端點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)III位置為成形 材料上，距離基體表面2mm處，位于掃描軌跡的中心。激光加載結(jié)束后，將k系列熱電偶安裝到測(cè)點(diǎn)III上，對(duì)測(cè)點(diǎn)III進(jìn)行測(cè)溫，由于 在激光結(jié)束加載才開始用熱電偶對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，因此在圖中以灰色虛線加以標(biāo)識(shí)。將激 光結(jié)束加載后測(cè)點(diǎn)III的紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，修正紅外測(cè)溫儀的發(fā) 射率為0. 45，同時(shí)得到紅外測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫的擬合關(guān)系Ta= 1. 1204Ta-14. 3821將紅外測(cè)溫得到的數(shù)據(jù)通過擬合關(guān)系換算為熱電偶數(shù)據(jù)，并將其輸出，如圖6所
7J\ ο可見，通過將接觸式與非接觸式測(cè)溫方法結(jié)合起來，既可以相互驗(yàn)證，保證數(shù)據(jù)的 可靠性，又可以獲得比較完整的零部件溫度分布數(shù)據(jù)。本發(fā)明中所公開的方法，不僅僅適用與激光加工領(lǐng)域，在任何溫度檢測(cè)領(lǐng)域均適用。
權(quán)利要求
一種激光制造過程零部件溫度的測(cè)量方法，其特征為，將接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫方式相結(jié)合，采用非接觸式測(cè)溫方法對(duì)目標(biāo)面、線及點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采用接觸式測(cè)量元件對(duì)非接觸式測(cè)量范圍中某一位置進(jìn)行測(cè)量，將同一測(cè)點(diǎn)的接觸式與非接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，修正非接觸式測(cè)量相關(guān)參數(shù)與定量關(guān)系，從而對(duì)非接觸式測(cè)量的面、線及點(diǎn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。此外，采用接觸式測(cè)溫方法測(cè)量非接觸式難以測(cè)量的測(cè)點(diǎn)溫度，與非接觸式測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)構(gòu)成完整的零部件溫度分布信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述測(cè)量方法，其特征為，同時(shí)使用接觸式與非接觸式兩種測(cè)溫 方式，所述非接觸式測(cè)溫方法測(cè)取目標(biāo)面、線、點(diǎn)的溫度分布及變化，所述接觸式測(cè)溫方法 測(cè)取其中某一點(diǎn)的溫度變化，所述非接觸式測(cè)溫區(qū)域包含接觸式測(cè)溫的測(cè)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述測(cè)量方法，其特征為，所述接觸式測(cè)溫方式為熱電偶、熱電阻 測(cè)溫方式；所述非接觸式測(cè)溫方式為紅外測(cè)溫、紅外熱像儀測(cè)溫方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述測(cè)量方法，其特征為，測(cè)溫過程中，所述接觸式測(cè)溫元件可以 布置在所述非接觸式難以測(cè)量的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述測(cè)量方法，其特征為，所述接觸式測(cè)溫元件可以布置在零件 內(nèi)部。
全文摘要
一種激光制造過程零部件溫度的測(cè)量方法，其特征為，將接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫方式相結(jié)合，采用非接觸式測(cè)溫方法對(duì)目標(biāo)面、線、點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采用接觸式測(cè)量元件對(duì)非接觸式測(cè)量范圍中某一位置進(jìn)行測(cè)量，將同一測(cè)點(diǎn)的接觸式與非接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，修正非接觸式測(cè)量相關(guān)參數(shù)與定量關(guān)系，從而對(duì)非接觸式測(cè)量的面、線、點(diǎn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。該方法將接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫相結(jié)合，并將兩種測(cè)量方式獲取的數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，增加了數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)能夠獲取較為完整的溫度分布信息。
文檔編號(hào)G01K7/16GK101975622SQ20101027664
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者何秀麗, 寧偉健, 虞鋼, 趙樹森, 鄭彩云 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所