关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究

关于焊接熔池表面凝固速率测量的方法探究

摘要：随着我国经济的迅速发展，我国的工业取得了巨大的发展与进步。而在工业生产与测量中，进行对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算是必不可少的。目前状况下，国内对于其的测算方法基本上都是数值模拟法。这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。这样一来，其准确性就会大打折扣。我们研究的课题是：焊接熔池表面凝固速率测量的新方法分析。为了完成我们的课题研究，我们组织设计了一项工艺，可以进行低糖钢的激光点焊，可以较为清晰的显示出液态的熔池回缩凝固的整个过程。凭借这一设计，我们开展对于焊接熔池表面温度与凝固速率的测量计算以及相应的分析。对于其表面温度的测量，主要运用的是红外辐射测温法。而对于熔池表面的速率测量，主要是先对信息进行相应的提取与采集，抓住其特征，进行对于凝固速率的推算。然后进一步的进行工艺实验，验证熔池表面凝固速率与直径之间的相应关系。

关键词：焊接熔池表面温度凝固速率红外测温法低碳钢

1、红外线测温法

由于传统的数值模拟法存在一定的弊端，这一方法主要是通过分析测算出相应的值，然而，在实际的情况中，往往出现选择的数学模型与实际的过程不完全符合，有事甚至差距过大。因此，在我们的课题研究中，所采用的方法是红外线测温法。

1.1红外测温原理

运用红外线进行温度的测量，是一种非接触测量方法，也就是说测温的对象不会接触到测温的元件，其主要是通过热辐射来进行对于温度的测量的。

要想正确而有效的使用红外测温仪，就必须先对红外测温仪进行一定程度上的了解。主要了解其工作的原理、相应的技术指标、进行工作时所需要的环境以及条件以及对其的操作以及维修。红外测温仪的构成其实并不复杂，它主要是由几大部分组成的，分别是光学系统、光电探测器、信号放大器以及信号的处理、显示输出。各个部分有着不同的分工，进行着不同的工作。光学系统的主要作用是进行对于相应的红外辐射能量的聚集，而红外测温仪的光学零件以及其放置的位置决定了其视场是否广泛。当光学系统进行了一定程度上的红外能量聚集时，就会发生相应的能量转换，主要是红外能量转换成了电信号。而这一信号，就是好温度值的来源，这一信号经过红外测温仪内部的放大器以及相应的信号处理电路的处理，并进行了算法运算以及校正后，就会转化成相应的温度值。而红外测温仪的使用环境也需要进行考虑，因为温度、污染等都有可能对其正常工作进行一定的干扰，这样就会影响到所测值的精确性。

当物体处于稳定在绝对零度以上的状态时，内部相应的带电粒子发生运动，这样一来，就会向外部发射出能量，而这种能量的发射是以波长各不相同的电磁波形式进行的。波长一共涉及了三个光区，分别是紫外光区、可见光区以及红外光区。然而，其大部分还是处于红外光区内。根据相关的研究表明，物体相应的红外辐射的波长分布与物体表面温度关系密切。根据这一信息，我们只需要对红外线能量进行捕捉测量，就可以准确地测算出物体的表面温度。

1.2对于材料发射率的标定

关于材料的发射率，它与多个因素存在着密切的联系，主要是与物体的表面

状态以及物体的材质有较大程度上的关联。一般情况下，对于相关材料发射率的测定，所采用的方法是黑体炉标定法。具体的操作过程是这样的：首先在板的背面装置热电偶，对于热电偶的放置位置也是有一定的讲究的，它要求与红外测温仪的所测定的区域的中心位置重叠在一起。进行完这一步工作后，接下来就是进行正面的电弧加热，通过所放置的热电偶与红外测温仪同时进行对于板的背面温度的采集，以此来改变红外测温仪所设定的发射率，并使得两者之间所采集的温度达到一致。在这种情况下，因为热电偶所采集的温度与相关材料的发射率是没有关系的，所以当两条曲线趋于一致的时候，所设置的相关材料的发射率也就是材料真实的发射率。

2、熔池凝固速率的相关测量方法

对于熔池凝固速率的测量，我们首先呢需要了解一个情况：当红外测温仪所指定的区域中的液态金属开始发生凝固，但所设定的发射率并没有及时的进行改变，这样一来，红外测温仪所输出的温度将会出现一定程度上的偏差，与实际情况不符。对此情况，我们可以进行对于相应的温度曲线中的相关转变点进行提取与分析，以此来得到相应区域内的金属进行凝固是所需要的时间。

我们先进行一个假设，设红外测温仪在对于温度的测量这一过程中所设定的发射率保持着液态发射率0.40，那么对于红外测温仪的输出温度就是：描述：上述式子中T0表示红外测温仪的输出温度；T表示的是实际温度。

一般情况下，熔池在发生凝固的物理变化时，实际温度T应该是呈现单调递减的趋势。所以当红外测温仪所指定的区域内的相关金属开始凝固的时候，测温仪所输出的温度T0就会产生一定的偏差，甚至会出现上升的趋势。而这是S2的增加速率来进行决定的。而当红外测温仪所指定的区域内的金属完全进行凝固的时候，输出温度T0就会呈现单调下降的趋势。在测量的过程中，我们发现相关材料的熔点周围，我们所测定分析的红外测温曲线图出现了一个相对稳定的区域，而在这之后红外测温曲线都比热电偶测温曲线的位置高。对此，我们进行相关的假设，假设运用热电偶所测定的温度值就是熔池表面的实际温度值，这样一来，红外测温仪所输出的相应温度曲线就会符合上述多推导的结果了。我们对于这一特点进行有效的利用，就可以对红外测温仪所指定的区域内的金属从液态转化为固态所需要的时间进行精确的计算。

3、熔池凝固速率的测量结果

我们首先对相关数值进行整理，当热输入较大的时候，我们所获得的相关的焊点表面熔池的半径是2.85mm；而当热输入较小的时候，焊点表面熔池的半径是2.40mm。然后我们对熔池的最大半径处进行凝固变化时所需要的时间进行定义，定义为0ms，而我们测定的熔池的中心区域的金属发生凝固变化所消耗的时间为623ms，其平均的凝固速率就是4.6mm/s。通过对其的探究分析可以知道，熔池表面各个位置的凝固速率是存在着较大差异的。一般来说，存在着这样的一个规律：以熔池的中心位置为原点，随着逐渐的向外扩散，其凝固速率是由慢变快的。我们对在不同条件下进行热输入时所测定的结果进行比较，发现当熔池的热输入发生一定程度上的降低时，熔池所在中心位置的凝固时间就会缩减。然而在这一过程中，熔池表面的直径大小也在进行一定程度上的缩减，因此从总体上来看，其平均速率是不会发生太大的变化的。4、熔池的中心速率与焊点背面直径的相关关系

一般情况下，在实际的操作中，保护气流量、光斑直径和相应的焊前对其表面进行的处理等因素都会对焊点表面的直径造成一定程度上的影响，这样一来，