基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算方法及装置

1.本发明涉及焊接电弧光谱诊断技术领域，具体涉及一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算方法及装置。


背景技术：

2.电弧等离子体电流密度分布,作为电弧光谱诊断的重要研究方向，能够定量表征电弧对阳极能量输运情况，有效评估洛伦兹力对熔池流动方向的影响，有助于加深对电弧物理行为的理解，为改善焊接工艺、提高焊缝质量提供理论依据。有两种途径可以获得电流密度分布。一种是采用电流传感器采集流经阳极的电流，通过对电弧圆截面采用环形分割的处理方法得到电流密度分布。该方法装置结构简单，具有较高的精度和可信度。然而，由于该方法只能测量对称电弧的电流密度分布，限制了其在复杂复合焊接电弧上的应用，使得适用范围较小。另一种是采用联立求解能量守恒方程、电流连续性方程以及欧姆定律等方程的方式求得。然而，由于该方法通过数值模拟的方式获得，无法周详考虑影响电弧温度场的全部因素，导致计算得到的电流密度分布与实测分布有一定差距，精度较差，从而制约了该方法的推广应用。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算方法及装置，以提升计算精度和扩大适用范围。
4.第一方面，一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算方法，所述方法包括：
5.获取电弧温度分布图像，根据所述电弧温度分布图像计算电弧轮廓位置坐标；
6.基于所述电弧轮廓位置坐标构造电弧实体几何模型，并创建偏微分方程，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程；
7.根据电弧等离子体电势分布特征，设定偏微分方程边界条件；
8.对所述电弧实体几何模型进行网格划分，求解所述拉普拉斯偏微分方程,以获得电弧等离子体电势分布；
9.再以插值的方式获取电弧等离子体内部电导率，计算得到电弧等离子体电流密度分布。
10.进一步地，所述获取电弧温度分布图像，根据所述电弧温度分布图像计算电弧轮廓位置坐标，具体为：
11.调用load函数，按照指定文件路径获取电弧温度分布图像；
12.根据所述电弧温度分布图像的特征，获取电弧轴线位置；
13.从所述电弧轴线位置逐行扫描电弧温度分布图像，计算得到电弧轮廓径向位置坐标；
14.采用三次多项式对所述电弧轮廓径向位置坐标进行拟合，获得光滑电弧轮廓；
15.再根据所述电弧温度分布图像，获取电弧轮廓轴向位置坐标。
16.进一步地，所述构造电弧实体几何模型，创建偏微分方程，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程，具体为：
17.构造电弧实体几何模型；
18.将所述构造电弧实体几何模型分解为最小区域；
19.创建偏微分方程，设置偏微分方程系数，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程。
20.进一步地，所述根据电弧等离子体电势分布特征，设定偏微分方程边界条件，具体为：
21.设定电弧上边界条件；
22.设定电弧下边界条件；
23.设定电弧左右边界条件。
24.进一步地，所述设定电弧上边界条件，具体为：
25.计算钨极端部电流密度高斯分布系数；
26.插值获取电弧上边界等离子体电导率；
27.计算电弧上边界的电势分布。
28.进一步地，所述对电弧实体几何模型进行网格划分，求解所述拉普拉斯偏微分方程,以获得电弧等离子体电势分布，具体为：
29.针对电弧实体几何模型，创建二维三角形网格；
30.评价网格单元的形状质量；
31.求解电弧等离子体电势分布拉普拉斯偏微分方程；
32.绘制电弧等离子体电势分布图。
33.进一步地，所述再以插值的方式获取电弧等离子体内部电导率，计算得到电弧等离子体电流密度分布，具体为：
34.插值获取电弧等离子体内部电导率；
35.计算电弧等离子体电场强度分布；
36.计算电弧等离子体电流密度分布。
37.第二方面，一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算装置，包括：
38.采集单元，用于获取电弧温度分布图像；
39.构建单元，用于:
40.根据所述电弧温度分布图像计算电弧轮廓位置坐标；
41.基于所述电弧轮廓位置坐标构造电弧实体几何模型，并创建偏微分方程，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程；
42.处理单元，用于：
43.根据电弧等离子体电势分布特征，设定偏微分方程边界条件；
44.对所述电弧实体几何模型进行网格划分，求解所述拉普拉斯偏微分方程,以获得电弧等离子体电势分布；
45.再以插值的方式获取电弧等离子体内部电导率，计算得到电弧等离子体电流密度分布。
46.本发明的有益效果为：通过光谱诊断方法获取的电弧温度分布为原始数据，获取
电弧轮廓信息，构造相应的电弧实体几何模型，并创建偏微分方程，基于电弧等离子体电势分布特征和设定的偏微分方程边界条件得出所需的电弧等离子体电流密度分布；使得该方案不仅能够基于电弧轮廓适时调整求解区域，适用电弧种类多、扩大了应用范围，而且还能够灵活加载边界条件，为进一步提高电弧等离子体电流密度分布计算精度奠定可靠基础。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
48.图1为本发明实施例提供的一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算方法的流程图；
49.图2为本发明实施例提供的一种电弧温度分布图；
50.图3为本发明实施例提供的一种电弧轮廓位置图；
51.图4为本发明实施例提供的一种电弧上边界电势分布图；
52.图5为本发明实施例提供的一种电弧实体几何模型网格划分结果图；
53.图6为本发明实施例提供的一种网格单元形状质量评价结果图；
54.图7为本发明实施例提供的一种电弧等离子体电势分布图；
55.图8为本发明实施例提供的一种电弧等离子体电流密度分布图；
56.图9为本发明实施例提供的一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算装置的结构示意图。
具体实施方式
57.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
58.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
59.如图1所示，一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算方法，所述方法包括：
60.s1：获取电弧温度分布图像，根据所述电弧温度分布图像计算电弧轮廓位置坐标；在本实施例中，所述电弧温度分布图像通过光谱仪获取；
61.s2：基于所述电弧轮廓位置坐标构造电弧实体几何模型，并创建偏微分方程，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程；
62.s3：根据电弧等离子体电势分布特征，设定偏微分方程边界条件；
63.s4：对所述电弧实体几何模型进行网格划分，求解所述拉普拉斯偏微分方程,以获得电弧等离子体电势分布；
64.s5：再以插值的方式获取电弧等离子体内部电导率，计算得到电弧等离子体电流密度分布。
65.进一步地，在步骤s1中，获取电弧温度分布图像，根据所述电弧温度分布图像计算
电弧轮廓位置坐标，具体包括：
66.s11：调用load函数，按照指定文件路径获取电弧温度分布图像；
67.s12：根据所述电弧温度分布图像的特征，获取电弧轴线位置；需要说明的是，所述电弧温度分布图像的特征，即为其呈现钟罩形的形态；对应的，电弧等离子体电势分布特征也呈钟罩形分布；
68.s13：从所述电弧轴线位置逐行扫描电弧温度分布图像，计算得到电弧轮廓径向位置坐标；
69.s14：采用三次多项式对所述电弧轮廓径向位置坐标进行拟合，获得光滑电弧轮廓；
70.s15：再根据所述电弧温度分布图像，获取电弧轮廓轴向位置坐标。
71.具体地，通过光谱诊断方法获取电弧温度分布图像，并存储于指定的文件路径中，调用load函数读取指定路径中的电弧温度分布图像，如图2所示。由于电弧温度分布呈现钟罩形，电弧轴线两侧数据对称，取电弧轴线右侧的数据为电弧轮廓计算区域。
72.通过逐行扫描所述电弧轮廓计算区域，记录第一次出现零数据的位置坐标，再根据像素点尺寸，以电弧轴线位置为横坐标原点，计算得到电弧轮廓径向位置坐标。
73.最后调用polyfit函数计算三次多项式拟合系数，获得光滑电弧轮廓的径向位置坐标。逐行扫描所述电弧轮廓计算区域，根据像素点尺寸，以电弧末端为纵坐标原点，计算得到电弧轮廓轴向位置坐标。电弧轮廓位置，如图3所示。
74.进一步地，在步骤s2中，基于所述电弧轮廓位置坐标构造电弧实体几何模型，并创建偏微分方程，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程，具体包括：
75.s21：构造电弧实体几何模型；
76.s22：将所述构造电弧实体几何模型分解为最小区域；
77.s23：创建偏微分方程，设置偏微分方程系数，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程。
78.具体地，先基于所述电弧轮廓位置坐标并使用多边形构造电弧实体几何模型，使得构造电弧实体几何模型与实际的电弧轮廓相适应；
79.再根据几何模型规则确定数据排列规则；其中，所述排列规则为：1，边界类型-多边形；2，端点数目；3，各端点的横坐标；4，各端点的纵坐标；
80.将倒序电弧右轮廓径向位置坐标、倒序电弧上轮廓径向位置坐标、正序电弧左轮廓径向位置坐标、倒序电弧右轮廓轴向位置坐标、倒序电弧上轮廓轴向位置坐标以及正序电弧左轮廓轴向位置坐标依次储存于电弧实体几何模型中。
81.设置空间-名称配对矩阵以及模型公式，通过调用decsg函数将所述构造电弧实体几何模型分解为最小区域。调用createpde函数以及geometryfromedges函数，创建偏微分方程并设定电弧实体几何模型区域为计算求解区域。
82.所述偏微分方程具体为：
[0083][0084]
式中，u为电势，r为径向位置，z为轴向位置，t为时间，m、d、c、a以及f为方程系数。调用specifycoefficients函数，设置偏微分方程组系数，构造用于求解二维电弧电势分布
的拉普拉斯方程，其中方程系数m设定为0，d设定为0，c设定为1，a设定为0，f设定为0。
[0085]
进一步地，在步骤s3中，根据电弧等离子体电势分布特征，设定偏微分方程边界条件，具体包括：
[0086]
s31：设定电弧上边界条件，并满足电势服从高斯分布规律；
[0087]
s32：设定电弧下边界条件，并满足电势等于零；
[0088]
s33：设定电弧左右边界条件，并满足电势梯度等于零。
[0089]
具体地，调用applyboundarycondition函数设定电弧上边界条件，边界类型为诺依曼边界条件(neumann):
[0090][0091]
式中，n为外向单位法向向量，c、q以及g为常数。其中c设定为1，q设定为0，g为电弧上边界电势，根据所处径向位置取值。由于焊接时工件电势相等并且与电源负极连接，因此，下边界电势设定为0，边界类型为狄里克雷边界条件(dirichlet)：
[0092]
hu(r,z)＝r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0093]
式中，h和r为常数。其中h设定为1，r设定为0。由于电弧左右边界与外界绝缘，设定电弧左右边界电势的偏导为零，边界类型为诺依曼边界条件(neumann)，其中c设定为1，q设定为0，g设定为0。
[0094]
进一步的，步骤s31所述的设定电弧上边界条件，具体为：
[0095]
s311：计算钨极端部电流密度高斯分布系数；
[0096]
s312：插值获取电弧上边界等离子体电导率；
[0097]
s313：计算电弧上边界的电势分布。
[0098]
具体地，由于钨极端部温度分布决定钨极电子发射能力，因此钨极端部电流密度满足如下高斯分布：
[0099]
j(r)＝j
max exp(-b
·
r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0100]
式中，b为高斯分布系数，r为径向位置，j
max
为钨极端部最大电流密度，计算公式为：
[0101][0102]
式中，i为焊接电流，re为钨极端部烁亮部分尺寸。钨极端部电流密度分布与焊接电流满足如下公式：
[0103][0104]
式中，re为电弧上边界尺寸。调用int函数对钨极端部电流密度分布进行积分，计算得到钨极端部电流密度高斯分布系数。由于电导率是温度的函数，调用interp1函数进行三次样条插值，获取电弧上边界不同径向位置等离子体的电导率。计算钨极端部电流密度分布与所在位置等离子体电导率的比值，得到电弧上边界的电势分布，如图4所示。
[0105]
进一步地，在步骤s4中，对电弧实体几何模型进行网格划分，求解拉普拉斯偏微分方程,获得电弧等离子体电势分布，具体包括：
[0106]
s41：针对电弧实体几何模型，创建二维三角形网格；
[0107]
s42：评价网格单元的形状质量；
[0108]
s43：求解电弧等离子体电势分布拉普拉斯偏微分方程；
[0109]
s44：绘制电弧等离子体电势分布图。
[0110]
具体地，调用generatemesh函数对电弧实体几何模型进行网格划分，为了平衡电弧等离子体电势分布计算精度以及程序运行速度，在本实施例中设置目标最大网格边长为0.05，目标最小网格边长为0.005，网格生长速率为1.5。电弧实体几何模型共4254个网格单元，8951个网格节点，网格划分结果如图5所示。调用meshquality函数对生成的全部网格单元形状质量进行评价，形状质量系数介于0-1之间，越接近1表示网格质量越好，形状质量系数小于0.3表示网格质量存在问题，影响计算结果准确性。网格单元形状质量评价结果如图6所示，形状质量系数介于0.84-1之间，网格划分质量良好。调用solvepde函数求解电弧电势分布拉普拉斯偏微分方程。调用contour函数绘制电弧等离子体电势分布图，如图7所示。
[0111]
进一步地，步骤s5中，插值获取电弧等离子体内部电导率，计算得到电弧等离子体电流密度分布，具体包括：
[0112]
s51：插值获取电弧等离子体内部电导率；
[0113]
s52：计算电弧等离子体电场强度分布；
[0114]
s53：计算电弧等离子体电流密度分布。
[0115]
具体地，调用interp1函数进行三次样条插值，获取电弧等离子体内部电导率。根据电势与电场强度的关系：
[0116][0117][0118]
式中，er为径向方向的电场强度，ez为轴向方向的电场强度，u为电势(通过前述得到的电弧等离子体电势分布获得)，r为径向位置，z为轴向位置。调用gradient函数求解电弧等离子体电场强度分布。根据电场强度与电流密度的关系，计算电弧等离子体电流密度分布：
[0119][0120]
式中，σ为电导率，j(r,z)为电流密度。经计算，电弧等离子体电流密度分布图，如图8所示。
[0121]
本发明通过光谱诊断方法获取的电弧温度分布为原始数据，以得到电弧轮廓信息，然后构造相应的电弧实体几何模型，并创建偏微分方程，且基于电弧等离子体电势分布特征和设定的偏微分方程边界条件得出所需的电弧等离子体电流密度分布；使得该方案不仅能够基于电弧轮廓适时调整求解区域，适用电弧种类多、扩大了应用范围，而且还能够灵活加载边界条件，为进一步提高电弧等离子体电流密度分布计算精度奠定可靠基础。
[0122]
基于相同的发明构思，参照图9，本发明实施例还提供一种基于电弧轮廓信息的等离子体电流密度计算装置，包括：
[0123]
采集单元，用于获取电弧温度分布图像；本实施例通过光谱仪获取。
[0124]
构建单元，用于:
[0125]
根据所述电弧温度分布图像计算电弧轮廓位置坐标；
[0126]
基于所述电弧轮廓位置坐标构造电弧实体几何模型，并创建偏微分方程，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程；
[0127]
处理单元，用于：
[0128]
根据电弧等离子体电势分布特征，设定偏微分方程边界条件；
[0129]
对所述电弧实体几何模型进行网格划分，求解所述拉普拉斯偏微分方程,以获得电弧等离子体电势分布；
[0130]
再以插值的方式获取电弧等离子体内部电导率，计算得到电弧等离子体电流密度分布。
[0131]
进一步地，实施时，根据所述电弧温度分布图像计算电弧轮廓位置坐标，具体为：
[0132]
调用load函数，按照指定文件路径获取电弧温度分布图像；
[0133]
根据所述电弧温度分布图像的特征，获取电弧轴线位置；
[0134]
从所述电弧轴线位置逐行扫描电弧温度分布图像，计算得到电弧轮廓径向位置坐标；
[0135]
采用三次多项式对所述电弧轮廓径向位置坐标进行拟合，获得光滑电弧轮廓；
[0136]
再根据所述电弧温度分布图像，获取电弧轮廓轴向位置坐标。
[0137]
进一步地，所述基于所述电弧轮廓位置坐标构造电弧实体几何模型，创建偏微分方程，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程，具体为：
[0138]
构造电弧实体几何模型；
[0139]
将所述构造电弧实体几何模型分解为最小区域；
[0140]
创建偏微分方程，设置偏微分方程系数，构造用于求解二维电弧电势分布的拉普拉斯方程。
[0141]
进一步地，所述根据电弧等离子体电势分布特征，设定偏微分方程边界条件，具体为：
[0142]
设定电弧上边界条件；
[0143]
设定电弧下边界条件；
[0144]
设定电弧左右边界条件。
[0145]
进一步地，所述设定电弧上边界条件，具体为：
[0146]
计算钨极端部电流密度高斯分布系数；
[0147]
插值获取电弧上边界等离子体电导率；
[0148]
计算电弧上边界的电势分布。
[0149]
进一步地，所述对电弧实体几何模型进行网格划分，求解所述拉普拉斯偏微分方程,以获得电弧等离子体电势分布，具体为：
[0150]
针对电弧实体几何模型，创建二维三角形网格；
[0151]
评价网格单元的形状质量；
[0152]
求解电弧等离子体电势分布拉普拉斯偏微分方程；
[0153]
绘制电弧等离子体电势分布图。
[0154]
进一步地，所述再以插值的方式获取电弧等离子体内部电导率，计算得到电弧等离子体电流密度分布，具体为：
[0155]
插值获取电弧等离子体内部电导率；
[0156]
计算电弧等离子体电场强度分布；
[0157]
计算电弧等离子体电流密度分布。
[0158]
需要说明的是，关于该装置更为具体的工作流程，请参考前述方法实施例部分，在此不再赘述。
[0159]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。