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固定式红外热像仪在激光焊接领域的应用

项目单位:上海交通大学激光制造实验室
仪器:Impac IVS6400 and IVN3200
应用背景:
"激光制造中心"作为中国与德国政府间重大科技合作项目,2004年在两国总理见证下于柏林签约,2005年10月底在上海交通大学闵行校区落成,2006年2月底完成设备安装调试正式投入运行。激光制造中心建立受到国家科技部、上海市科委高度重视;自2005年先后批准立项的科研项目有:“船舶大功率激光建造技术”(国家科技部)“造船工业大功率激光制造技术及应用研究”(上海市科委);超高强钢高功率激光焊接技术研究(国家科技部);国产船用材料高功率激光焊接适应性研究(上海市科委);于2006年激光制造中心被批准为“上海市激光制造与材料改性”重点实验室。针对船舶建造结构不均匀接头缝隙,接头装配易产生Z向错边的条件下以及尽可能减小焊后变形小为目标,进行船用钢板的激光制造工艺适应性和冶金适应性的系统研究与评价。实现激光焊接技术在船舶制造中的产业化,提高激光焊接技术在船厂生产实践中应用的稳定性,深入研究激光焊接过程的反应机理和现象,吸收和掌握国际上先进的激光焊接技术和测控技术,实现船用复杂结构的激光焊接技术和测控技术的国有自主化。
主要研究方向:
1.大功率激光与材料作用机理研究.大功率激光的高能量密度可使材料瞬间熔化乃至气化,其冶金反应理论将有其自身特征与体系。大功率能束密度深熔过程,使材料本身夹质与气体产生二次聚集与逸出过程,特别对厚板焊缝Z向有明显的清洁作用,其内在机理有待深入研究与分析。
2.大厚度高强度结构的激光焊接技术研究。以大型舰船、高技术军船、大型钢结构、电站设备、煤液化装置、桥梁、港口机械、机车、化工设备等为主要应用对象,研究厚板高强结构钢的激光焊工艺性和焊接接头性能。
3.船用型材的激光焊接技术研究。采用三明治板、T型和I型结构等型材可使船体结构的强度提升和重量减轻;而三明治板、T型和I型结构等型材采用传统电弧焊难以实现。研究三明治板、T型和I型结构等型材激光焊接工艺可靠性,以期推动激光焊接技术在造船工业中应用。



主要试验设备:
交大激光焊接系统主要包括CO2激光发生器和门架型五轴运动激光焊炬及控制装置:商用级大功率15KWCO2激光发生器;;Laser-MIG混合焊设备;三维同步焊缝跟踪传感;对接接头和T形接头的装焊工艺设备;激光制造中心同时配置3KWiLS-YC-30CYAG 激光器;5 Kg 六轴ABB焊接机器人系统、CNC三维数控工作台; 10KW60KV电子束焊机;GTAW焊机、GMAW焊机、等离子焊机、电阻点焊缝焊机等先进焊接设备。
技术需求:
使用激光焊接可以**的控制焊接过程以及施加的能量,对此,必须有合理的监控设备来监控这个过程和温度。所以,需要能够实时连续监控整个焊接过程的红外热像仪。同时,由于激光焊接的温度很高,所以采用的红外热像仪必须能够测量很高的温度,还要求温度范围广。由于焊接的升温过程和整个焊接过程都比较快,所以要采用帧频较高的高速红外热像仪。对于镜头,还需要提供保护装置,既能透过相应波段的红外辐射,也能阻挡焊接飞溅物对红外热像仪镜头的损伤,还可以消除焊弧的干扰和影响。
另外,由于激光焊接的特殊环境,所以人必须能远离焊接现场,那么所选取的红外热像仪必须能够远程操作。
鉴于此:我们推荐了高速红外热像仪IVS6400(640×480像素,60Hz帧频,800-3000以及IVN3200(640×480像素,5HZ,2000-1600).它们都通过千兆以太网卡和电脑直接相连,实时拍摄采集数据,配备的软件具有强大的在线监测和离线处理功能。以及配备了红外镜头保护玻璃,分别是ZnSe(IVS6400保护镜头,能过0.86-1.06um红外光)和CaF2(IVN3200保护镜头,能透过8-14um红外光)材料。
配置示例:




交大现场调试图
红外热像仪参数:
IVS6400红外热像仪主要用于测量金属表面温度,采用非制冷全辐射探测器,测量范围为600℃-3000℃。测量精度高为读数的0.5%,帧频60Hz可以进行实时动态监控,640x480像素的图像保证图像质量及准确度,并通过1000M的以太网进行数据传输。IVS6400配有带空气吹扫和冷却系统的屏蔽罩,可以在较高的使用温度下使用。
IVN3200,固定式HS-Vision系列热像仪已专门设计用于自动定位温度在-40°C1600°C热异常(热点或冷点)。如范例所示,针对不同材料或不同的温度范围内的侦查,红外热成像仪工作在特定的光谱范围。根据上海交大需求,选择的是200-1600℃,8-14um

相关软件:
IMPAC 系统开发软件基于标准的软件元素,它可定制化以适应特定的要求。.基础软件RTVBasicRT包含这些特性:在线可视化及看见在线状态和记入日志的处理。为了更详尽的分析任务,IMPAC提供了软件RTVAnalyser RT及进程优化控制软件 RTV ControlRT.此外,量测系统可被轻易的被整合入您自己的系统,比如为控制和监控产品制程。此外,在脱机模式下,还可分析图象温度数据及序列,为了达到此目的,IMPAC提供了软件RTV Analyser and RTV Control.。
难点:
如何消除焊弧的干扰和影响。因为焊弧覆盖了从紫外到红外很长的一个电磁波段,采用的保护镜头可以滤掉绝大部分。
另外,由于交大焊接时熔池很小,所以当初应该配备可变焦镜头或者近焦镜头。





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