焊接溫度場

由于焊接溫度場的溫度范圍比較大而ICCD動態(tài)范圍比較小，因此焊接溫度場實(shí)時檢測存在很大困難。這里對焊縫及熱影響區(qū)分成三個區(qū)域：高溫區(qū)、中溫區(qū)、低溫區(qū)，相應(yīng)傳感器中ICCD的曝光時間分別為0.1ms，0．5ms，2ms。經(jīng)過分區(qū)檢測處理連接后可以得到整個溫度場分布，系統(tǒng)檢測時間在0.5s之內(nèi)，檢測溫度范圍為800℃-1400℃ ，對于單個溫度區(qū)的檢測時間小于0.15s，完全滿足焊接溫度場實(shí)時檢測及控制要求。

采用TIG焊接方法的實(shí)時檢測焊接溫度場分布，焊接條件是：焊件為低碳鋼60mm×50mm×2mm。保護(hù)氣體為氬氣，流量是0.5m3/h，焊接電壓12V，焊接電流60A，焊接速度5mm/s，電極為鎢極。從焊接溫度場可以獲得很多信息如任意等溫線的分布、焊接方向溫度分布、焊接橫截面溫度分布，因此能夠得到焊接熔化區(qū)大小、焊接熱影響區(qū)太小、焊縫及熱影響區(qū)任意一點(diǎn)的熱循環(huán)。

在穩(wěn)定的焊接規(guī)范下，焊接溫度場認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)溫度場，在焊接方向任意一條直線上的溫度分布可以認(rèn)為是該直線上任意一點(diǎn)所經(jīng)歷的溫度變化，也就是該點(diǎn)的熱循環(huán)過程 。

等溫線寬度的控制對于焊接質(zhì)量控制具有重要的意義，如對于焊接背面接近熔點(diǎn)溫度(對于低碳鋼如1350℃)的等溫線寬度進(jìn)行控制，實(shí)際上就是完成了完全熔透的背面焊縫寬度控制，同樣也可以對熱影響區(qū)某區(qū)域大小進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織控制。控制系統(tǒng)的輸入量選擇焊接電流，輸出量為焊接溫度場。根據(jù)對象的特性對PID參數(shù)進(jìn)行初值估計。閉環(huán)控制之后進(jìn)行在線優(yōu)化。

溫度場等溫線寬度的閉環(huán)控制實(shí)際上也是給定焊接背面離焊縫中心一定距離點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)最高溫度閉環(huán)控制．這樣對焊接溫度場等溫線寬度的閉環(huán)控制的同時實(shí)際上完成了焊接熱循環(huán)最高溫度參數(shù)的閉環(huán)控制 。

焊接溫度場實(shí)時檢測一直未能解決，這主要是溫度場檢測本身就十分困難，它存在對檢測距離、目標(biāo)材料發(fā)射率等依賴性比較大的問題，而焊接過程中熱過程的瞬時性、局部性、熱源運(yùn)動及熔池液體金屬激烈運(yùn)動等使得焊接溫度場檢測更加困難。目前焊接過程的研究已從宏觀過程控制深入到焊接微觀質(zhì)量控制中，同焊接宏觀質(zhì)量控制一樣，微觀質(zhì)量控制的主要困難是獲得表征這些微觀質(zhì)量的傳感技術(shù)。焊接溫度場的分布，決定了焊接的熱循環(huán)，在材料成分一定的情況下也決定了焊接微觀組織皮其變化，決定了焊縫及其熱影響區(qū)的宏觀性能，因此焊接溫度場能夠比較全面和深入反映焊接質(zhì)量，它的實(shí)時檢測及熱循環(huán)參數(shù)的提取對實(shí)現(xiàn)焊接微觀質(zhì)量控制具有重要的意義 。

影響溫度場的因素很多，如熱源的性質(zhì)和功率、被焊金屬的熱物理性質(zhì)（導(dǎo)熱系數(shù)等）、焊接工藝參數(shù)（焊接速度、板厚、接頭形式、坡口、預(yù)熱、間隙）等。例如，與薄板相比，厚板由于散熱快而使熱影響區(qū)的寬度要小得多。

首先介紹了圖像比色法焊接溫度場實(shí)時檢測系統(tǒng)構(gòu)成及檢測原理，研究了從溫度場中提取焊接熱循環(huán)參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了焊縫背面等溫線寬度的閉環(huán)控制并取得了良好的控制效果，這種閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)際上同時解決了熱循環(huán)參數(shù)閉環(huán)控制和焊接熔透閉環(huán)控制的問題。

圖像比色法溫度場檢測系統(tǒng)，主要由雙色傳感器、計算機(jī)雙色熱圖像處理系統(tǒng)組成。其中關(guān)鍵是雙色傳感器，它由光學(xué)成像器件、雙色調(diào)制盤、ICCD探測器等構(gòu)成。系統(tǒng)檢測過程是：物體輻射經(jīng)過光學(xué)成像器件并由雙色調(diào)制盤高速旋轉(zhuǎn)調(diào)制在ICCD上交替形成雙色熱圖像，使用計算機(jī)圖像處理系統(tǒng)濾波等處理，之后進(jìn)行雙色灰度比值得到目標(biāo)物體溫度場分布。

目標(biāo)物體輻射源經(jīng)過包括雙色調(diào)制盤在內(nèi)的光學(xué)成像系統(tǒng)在ICCD光敏面上，然后經(jīng)過ICCD光電轉(zhuǎn)換成電荷量。

ICCD的響應(yīng)特性和物體的溫度，對于設(shè)計定型的檢測系統(tǒng)，雙色熱圖像灰度比色值分布與溫度場分布有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此可以利用ICED雙色熱圖像進(jìn)行比色處理來實(shí)時檢測溫度場分布 。

焊接是非常復(fù)雜的過程，為了獲得良好的焊接質(zhì)量，控制系統(tǒng)應(yīng)具有抗各種干擾能力。干擾的形式包括焊件厚度的變化、焊接速度的變化、對接縫隙的變化、焊接材料的改變等。這里主要將就抑制三種干擾：焊件厚度變化、焊接速度變化、對接縫隙變化進(jìn)行試驗研究。

焊接溫度場焊件厚度變化

焊件厚度的變化，對于恒速焊接來說將導(dǎo)致焊縫寬度的變化：厚度大的地方焊縫寬度較小，而厚度小的地方焊縫寬度較大。為了獲得背面均勻的焊縫寬度，對焊接電流進(jìn)行控制。

焊接溫度場對接焊控制試驗

對接焊是常用的坡口焊接形式。影響對接焊因素有焊件厚度、對接縫隙，在恒定的焊接電流情況下。將得到背面不同寬度的焊縫。開始端無縫隙。結(jié)束端有0.6mm的間隙，盡管對接焊件的縫隙變化，但背面焊縫寬度還是比較均勻，達(dá)到了控制的目的 。

通過焊接溫度場分區(qū)處理，可以獲得整個溫度場分布，檢測時間在0.5s之內(nèi)．溫度范圍為800℃-1400℃ ，單個區(qū)域檢測時間小于0.15s，滿足焊接溫度場實(shí)時檢測及控制要求。從實(shí)時檢測的溫度場中可以獲得焊接區(qū)域任意一點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)，為焊接微觀質(zhì)量控制提供了基礎(chǔ)。對等溫線寬度控制也就是熱循環(huán)參數(shù)最高溫度控制可以達(dá)到對焊接背面焊縫寬度的控制，即完全熔透控制?？刂葡到y(tǒng)具有良好的響應(yīng)性能和抗干擾性能，可以在焊件厚度、焊接速度、工件縫隙等變化時仍可獲得全熔透比較均勻的背面焊縫寬度 。2100433B

溫度場是指在各個時刻物體內(nèi)各點(diǎn)溫度分布的總稱。由傅立葉定律知，物體的溫度分布是坐標(biāo)和時間的函數(shù)：

式中

穩(wěn)態(tài)溫度場是在穩(wěn)態(tài)條件下物體各點(diǎn)的溫度分布不隨時間的改變而變化的溫度場，即設(shè)備或裝置穩(wěn)定運(yùn)行過程中，溫度僅為空間坐標(biāo)的函數(shù)，不隨時間而變。

采用數(shù)值分析方法對揚(yáng)聲器穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行分析，可得到單頻信號以及白噪聲激勵下?lián)P聲器各部件及周圍空氣的穩(wěn)態(tài)溫度場分布。將仿真結(jié)果與采用 Klippel R&D 系統(tǒng) PWT 模塊及多通道測溫儀的測量結(jié)果相比較，表明數(shù)值分析結(jié)果與測量結(jié)果基本一致。同時討論溫升所導(dǎo)致的揚(yáng)聲器輸出功率壓縮現(xiàn)象。 2100433B

穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場和穩(wěn)態(tài)溫度場的區(qū)別：

穩(wěn)態(tài)就是溫度場內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度不隨時間變化而變化。從數(shù)學(xué)角度上講，就是溫度對時間的偏導(dǎo)數(shù)為0。瞬態(tài)則是指對某一時刻的溫度場，用數(shù)學(xué)描述為溫度對時間的函數(shù)。其實(shí)與穩(wěn)態(tài)相對應(yīng)的應(yīng)該為非穩(wěn)態(tài)，不過有時候把瞬態(tài)和非穩(wěn)態(tài)不是嚴(yán)格區(qū)分的使用。