[发明专利]Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及温度监测方法，具体涉及Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法。

背景技术

钛合金具有较高的比刚度、优异的抗腐蚀性能，同时具有密度小，耐热性、韧性和焊接性好等特点，在航空航天、车辆工程、石油化工等各个领域应用广泛，其焊接技术和工艺决定了焊缝成形质量和工件性能。

目前使用的钛合金中有50％为双相Ti-6Al-4V钛合金。常规电弧热作用下母材熔化过程热输入较大，这将造成母材金属β晶粒显著长大，受其影响，凝固组织延展性差，严重影响了飞行器中钛合金结构件的塑性，降低了其疲劳寿命，可能对航空航天飞行器的安全、稳定运行造成致命破坏；与之相比，钛合金细晶粒凝固组织屈服强度、延展性及抗裂纹扩展能力均有较大提升，因此，有效控制晶粒尺寸及显微组织形貌对提高Ti-6Al-4V钛合金焊缝组织性能至关重要。

由上可知，电弧焊接的热过程对Ti-6Al-4V钛合金晶粒生长、显微形貌、组织性能存在直接影响，因此，实现电弧焊接温度场的实时监测，可有效预测焊缝显微组织，保证钛合金典型结构件使用寿命，并对可能的失效进行预警。

金属发射率(即金属辐射率)是指金属的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，是温度实时监测过程中的重要参数，一般地，采样发射率与被测物体发射率一致时，采样值最准确，反之则形成较大误差。

传感技术作为自动化焊接的重要组成，是焊接过程实时监测的重要手段，可直观反映电磁场、温度场、力场、流场特点，为深入理解电弧焊接动态过程中，复杂多物理场耦合及相互作用提供了有效途径。不同于其他焊接传感器受焊接回路的影响，借助于红外热像仪视觉传感技术，可实现焊接过程精确可视化。

在焊接过程的加热和冷却过程中，热量传输伴随着整个过程的始终，以弧焊工艺为例，电弧为熔池表面提供热源，在热的作用下熔池形成、温度分布发生变化，进而对接头的微观组织和力学性能产生影响，因此焊缝区域的温度场及其动态过程的监测尤为重要。

传统的热电偶测温方法准备过程复杂，且无法实现实时监测。非接触测温的方法应用范围逐步扩大，清华大学利用双色热图像传感器获取焊缝背面不同波段的热辐射图像，依据相应的图像处理后的灰度比值与温度之间的关系得到焊接温度场的分布；美国Ohio州立大学的FarsonD搭建了光学高温测定的非接触式温度红外测量系统，对测量误差进行了系统讨论，Auburn大学的ChinAB也在此方面开展了相关的工作。但上述工作的主要作用在于证实某个理论的正确性或方法的可行性，并未开展熔池表面实时温度监测。

发明内容

本发明的目的在于提供Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法，通过合理设计技术方案，尽可能避免干扰因素，从而实现恶劣条件下(电弧焊接)，Ti-6Al-4V钛合金平板熔池温度场实时监测，并相应提出结果标定、校正方案，确保监测数据的准确性。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

Ti-6Al-4V钛合金电弧焊接熔池表面温度场监测方法，其包括：

1)、监测点的设置：Ti-6Al-4V钛合金经电弧加热熔化后形成熔池，设该熔池的直径为W，焊枪喷嘴下端距所述母材金属表面距离为L，喷嘴直径为D，钨极探出长度为l，监测点距所述熔池中心O的轴线直线距离为d，监测点距所述母材金属表面垂直高度为h，所述熔池的位置信息由3个位置基准点O、A、B确定，其坐标分别为O(0,0)，A(-W/2,0)，B(W/2,0)表示，所述监测点的位置基准点为S点，其坐标为S(d,h)，在监测点S点采用红外热像仪进行监测所述熔池的温度，其中，所述d、h的大小范围为50mm<d<350mm，80mm<h<120mm；

2)、焊枪、钨极干扰源排除：设所述焊枪喷嘴的位置基准点为E点，其坐标为E(D/2,L)，所述钨极的位置基点为C点，其坐标为C(0,L-l)，调节所述L、D、l、W、d、h的大小，使其符合l≤LD/(D+W)和L≥h(D+W)/(2d+W)。

如上所述的监测方法，优选地，该监测方法还包括对Ti-6Al-4V钛合金电弧加热前的反光处理，具体包括：

(1)将所述Ti-6Al-4V钛合金的规格缩小至100mm×50mm×5mm；

(2)对所述Ti-6Al-4V钛合金的不熔化区域进行遮光覆盖，仅预留12～15mm宽的焊道区域。

如上所述的监测方法，优选地，所述遮光覆盖是指在所述不熔化区域涂隔热漆，在所述隔热漆上用黑色绝缘胶带覆盖。