一种测量焊缝熔化体积的方法与流程

本发明涉及一种测量焊缝熔化体积的方法，特别涉及用于测量激光热丝对接焊中焊缝熔化体积的方法。

背景技术：

随着科技的发展，激光焊接的应用越来越广泛。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接后焊缝成形质量一直是评价激光焊接好坏的一个重要指标。而焊缝体积是影响焊缝成形质量的一个重要参数，所以测量焊缝熔化后的体积是研究焊缝成形质量的一个关键技术。

现有的测量方法有两种：手工测量和图像法。

手工测量的原理为：测量人员用测量工具一般为焊缝卡尺，测量出焊缝的熔宽，余高和熔高，再通过计算得到焊缝熔化后的体积。这种测量方法效率低，而且在测量过程中主要是根据测量人员的个人经验来测量，由于测量人员的技能素质和个人经验的不同，对测量结果有很大的影响。所有以这种方法存在着巨大的缺陷，已经不能满足测量的要求。

图像法的原理为：采用机器视觉技术拍摄焊缝截的形状，再用图像处理技术来处理、分析得到的图像。通过计算最后得到焊缝的体积。这种方法效率高，自动化程度高，且人为因素对其影响较低现如今应用广泛。但该方法因焊缝成形轮廓界面复杂，只能估算出焊缝熔化体积，算出的结果存在着一定的误差，所以这种方法也存在着一定的缺陷。

随着技术的发展，人们对焊接后的焊接质量要求越来越高，焊缝熔化体积对焊接质量有很大的影响。所以有必要寻找一种新的测量焊缝熔化体积的方法，使测量的结果更为准确，可靠。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种测量焊缝熔化体积的方法，使焊缝熔化体积更容易测量，测量的结果更为准确。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，提供一种测量焊缝熔化体积的方法，该方法用于测量对接焊中焊缝熔化体积V，计算公式为：

式中：

k为焊缝成形系数；

δ为焊接间隙，即焊接时两块焊接板焊接部位间隙的宽度；

ω、ω_w分别为示踪元素在焊缝熔合区、焊丝中的质量百分含量；示踪元素选择只存在于焊丝中、而不存在于焊接母材中的一种元素；需要说明的是，焊缝熔化体积V实际就是指焊缝的熔合区的体积；

ρ、ρ_w分别为焊缝熔合区、焊丝的密度；

d为焊缝两侧焊接板的板厚，焊缝处两块焊接板的厚度是相同的；

v_ω为焊接时的速度；

t为焊接所用的时间。

优选地，示踪元素选择只存在于焊丝中、而不存在于焊接母材中的一种元素，且该元素在焊丝中质量百分含量最高。

优选地，焊缝成形系数k为单道焊缝横截面上焊缝宽度B与焊缝两侧焊接板的板厚d的比值。

优选地，采用能谱分析，分别测量焊缝熔合区、焊丝中示踪元素的质量百分含量。

优选地，该方法用于测量激光热丝对接焊中的焊缝熔化体积V。

优选地，所述焊接是匀速的。

优选地，ρ、ρ_w相差不大，可以作近似处理，故焊缝熔化体积V的计算公式简化为：

以下对本发明的技术方案作进一步说明：

选定只存在于焊丝中、而不存在于焊接母材中的一种元素作为示踪元素，其中，焊丝中某一示踪元素的总质量m_w，等于焊缝中该示踪元素的总质量m，即：m_w＝m。

焊丝中某一示踪元素的总质量m_w，可以表示为：

m_w＝V_w·ω_w·ρ_w

式中：m_w为填充焊丝中示踪元素的总质量，ωw为示踪元素在焊丝中的质量百分含量，ρ_w为焊丝的密度，V_w为焊丝熔化体积。

焊缝中示踪元素的总质量m，可以表示为：m＝V·ω·ρ

式中：ω为示踪元素在焊缝熔合区的质量百分含量，ρ为焊缝熔合区的密度，V为焊缝熔化体积。

其中，焊丝熔化体积V_w又可以表示为：

式中：D为焊丝直径，t为焊接过程持续的时间，v_f为送丝速度。

同时，根据现有的研究表明v_f可以如下式表示：

结合上述几个表达式，即可得到

由于ρ、ρ_w相差不大，可以作近似处理，故焊缝熔化体积V的计算公式简化为：

通过能谱分析，分别测量出焊丝和焊缝熔化体积中某一示踪元素的含量ω_w和ω即可计算出焊缝熔化体积V。

另外，依据工艺设定的焊接速度和实验测量焊缝成形截面积可以确定焊缝成形率，即单位时间的焊缝熔化体积。即根据焊接时的速度v_ω，焊接时间t和实验测量的焊缝的截面积S，也可以求出焊缝熔化体积V＝S·v_ω·t，结合上述焊缝熔化体积V的表达式，也可以得到焊缝的截面积S的表达式为：

同样地，可以简化为以下表达式：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明只需用能谱分析，分别测量出焊丝和焊缝熔化体积中某一示踪元素的含量。就可以通过公式计算出焊缝熔化体积。方法简单，效率高，测量结果的准确性高，且受人为因素影响小。

附图说明

图1表示实施例1测得的焊缝截面积与焊接间隙之间的关系。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

这里以双面镀锌车用高强钢DP800为研究对象，进一步说明本发明的原理。试件尺寸为60mm×35mm×1.2mm，DP800及焊丝的化学成分如表1所示。试验前打磨试件边缘，保证焊接间隙均匀，并利用丙酮清洗对接部位。采用前送丝方式，送丝角度为45°，光丝距为零。热丝电源正极通过送丝头与焊丝接触，负极与试件接触，保持焊接中焊丝预热回路连通。焊接时，采用同轴氩气(Ar)保护，流量为15L/min，焊接速度为20mm/s，离焦量为+8mm，焊丝直径为1mm，焊丝预热长度为17mm。

表1 DP800与焊丝的化学成分

选定母材中没有而焊丝中含量较高的镍(Ni)元素作为示踪元素。采用能谱分析(EDS)方法，沿焊缝的宽度方向和深度方向分别取点测量示踪元素镍(Ni)的含量，发现该元素在焊缝中分布均匀。因此，将实验测量的不同焊接间隙的焊接条件下焊缝中镍(Ni)元素的平均含量和已知的焊丝中镍元素含量代入下式中：

可计算得到焊缝截面积S与焊接间隙δ的关系，如图1所示，具有良好的线性关系。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。