焊接物理温度场

《焊接物理》——温度场学生姓名：王啸潇学生学号：13030209专业班级：焊接基地班学院：材料学院2015年秋季学期摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场进行了实时动态模拟研究，提出了基于MATLAB软件为平台的焊接温度场的模拟分析方法。本文介绍了焊接温度场热图像的MATLAB（矩阵实验室）处理方法，包括图像的输入输出、图像特征参数的提取。采用这一分析方法,大大缩短了分析时间,提高了工作效率。关键词:焊接，数值模拟，温度场、MATLAB软件、热图像前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。但焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)，而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。传统的焊接温度场预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大，无前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，客观评价焊接质量。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其在军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经济损失，而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。MATLAB是由MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。它的第一版(DOS)版本1.0)发行于1984年,经过十余年的不断改进,现今已推出了它的Windows95版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能,包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。MATLAB提供了一个人机交互的数学环境,该系统的基本数学结构是矩阵,在生成矩阵对象时,不需要明确的维数说明。与利用C语言或FORTRAN语言作数值计算的程序设计相比，利用MATLAB可以节省大量的编程时间。另外，MATLAB图形系统还提供了用图形方式表达数据的完美技术，成为科技工作者的高效助手。本文介绍了作用在使用MATLAB处理焊接温度场热图中的方法，采用这些方法,极大地简化了分析过程,提高了工作效率。正文一、焊接温度场图像的MATLAB分析方法1.图像输入输出方法MATLAB采用了两个函数，即imread和imwrite，分别用于将图像文件读入MATLAB工作空间，以及将图像数据和调色板数据一起写成一定的外部图像文件。imread和imwrite支持BMP、HDF、JPEG、PCX、TIFF、XWD等图像文件格式。函数imread在读入图像文件数据时,根据图像文件的格式，在MATLAB工作空间中创建3种类型的图像之一，既索引式图像、强度式图像和全真颜色图像。当图像文件是强度型的图像数据，特别是灰度级图像文件时，imread就创建一个类型为unit8的图像数据矩阵。例如:robotb.bmp为460×460的位图文件，使用imread函数后，位图文件便转化为460×460的矩阵X，矩阵X的元素为图表灰度的大小。》X=imread(‘robotb.bmp’)；式中，X为460×460矩阵，robotb.bmp为拍摄的热图像文件。2.焊接温度场热图像特征信息提取在获取热图像的数值矩阵X后，便可以通过对矩阵X的变换得到热图像的特征信息。①焊接温度场热图像的垂直方向温度曲线》X1=X(:,j);式中X1为热图像垂直方向温度曲线,“:”表示所有行,j为提取的某一列。②焊接温度场热图像的水平方向温度曲线》X2=X(i,:);式中,X2为焊接方法温度曲线,“:”表示所有列,i为提取的某一行。③焊接温度场等温线MATLAB提供了contour、contour3等函数来绘制等温线,如果要绘制单条等温线,则要通过表达式(4)的函数将相同温度的位置找出来。》〔i,j〕=find(X=180);式中,(i,j)为热图像中灰度值相同的坐标,将这些点连接起来后,便会形成一个等温圈。3.滤波处理MATLAB系统中,系统采用双精度浮点数来表示一个数据。由于图像的数据量总是很大,为了节约有限的内存空间,MATLAB提供单字节(8位)无符号整数类型数据来记录某些图像数据,这种类型的数据称为unit8。如果要对图像数据进行滤波处理,首先要利用函数double将图像数据转换为双精度浮点数。例如X1曲线进行滤波处理,则要用表达式(1)、(2)、(3)的函数实现。》Y1=double(X1);（1）》b=ones(1,10)/10;（2）》Y2=filter(b,1,Y1);（3）4.焊接温度场热图像显示技术MATLAB系统的强大功能之一是其优秀的图形功能。对于任何作图命令,MATLAB将打开另一个窗口来绘制与输出图形。在焊接温度场热图像输出主要有二维和三维图形输出。二维图形输出包括热图像的温度变化曲线、等温线等,三维图形输出包括三维等高线、三维网格曲面等。二维图形输出主要采用MATLAB函数plot,这是最简单且用得最为广泛的一个线型绘图函数,利用它可以生成线段、曲线、参数方程曲线等函数图形。三维图形绘制与输出的MATLAB函数有生成网格曲面的mesh和meshc以及二维和三维等温线函数contour和contou3。另外,函数meshc除了生成网格图外,还在x-y平面生成曲面的等高线。二、实例分析图1为在MIG焊焊接过程中，从工件背面拍摄的焊接温度场热图像，这是一个8位的位图文件，其灰度大小代表了温度值。采用式(2)的函数变换后可得热图像垂直方向温度曲线图2。图3为热图像横向温度曲线。图4为垂直方向温度曲线经过滤波以后得到的曲线。对图4进行微分后得到的梯度曲线图5,从图5可以看到焊缝处的梯度变化最大,由此能求出焊缝位置。图6为热图像灰度值等于180的等温圈。图7为热图像灰度值不同的等温线曲线族。图8为热图像三维等温线表示，Z方向代表温度大小。图9为热图像三维网格图，垂直方向为温度大小。图10为三维网格图,在x-y平面上生成曲面的等温线图形。参考文献：（1）薛定宇.控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用。北京:清华大学出版社,1997,5。（2）张培强.MATLAB语言-演算纸式的科学工程计算语言.中国科学技术大学出版社,1995,8。（3）高俊斌.MATLAB5.0语言与程序设计.华中理工大学出版社,1998。（4）田锡唐.焊接结构.北京:机械工业出版社，1982（5）增援兴一著.焊接结构分析.北京:机械工业出版社，1983.158---161（6）潘际蜜.展望21世纪焊接科研.中国机械工程，2000,11(1-2),21-25