In-situ deformation monitoring during laser welding using single time-gated camera stereo-DIC
本研究提出了一种单时门相机立体DIC方法，该方法能有效抑制强烈的等离子体辐射和热辐射，从而实现钛合金（Ti6Al4V）激光焊接过程中全场、原位变形监测，克服了传统蓝光DIC系统的过曝限制，并提供了关于变形演化和边界约束效应的关键数据。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
钛是一种工程师钟爱的金属，因其强度高且重量轻，成为制造飞机、潜艇和航天器的首选材料。然而，将钛件连接在一起是一项精细的工作。当金属被加热到极高温度以熔化并融合时，它会发生膨胀，并在冷却时收缩。这种循环会产生被称为残余应力的隐形内部力量。如果这些力量得不到理解和控制，可能会导致最终部件变形，或在其使用寿命后期因压力而产生裂纹。为了解决这个问题，科学家需要在焊接过程中实时观察金属的运动，精确捕捉它是如何拉伸和收缩的。问题在于，焊接过程本身极其明亮。用于熔化金属的激光会产生一层超高温的气体和等离子体云，并发出强光，淹没任何试图拍照的摄像机。这就像是在有人拿着高功率手电筒直射你的眼睛时试图读书一样；书页上的细节完全消失了。
北京航空航天大学和中国科学院的研究人员开发出了一种能够看穿这种刺眼眩光的新方法。他们创建了一个系统，该系统使用一种能够以极短的时间（微秒级）进行拍摄的特殊摄像机，其速度足以忽略焊接等离子体持续不断的耀眼光线。他们并没有尝试用物理屏蔽物来遮挡光线（因为这会遮住他们想要研究的区域），而是利用了时间差的技巧。他们用一束蓝色的激光照射金属，这束激光仅闪烁150纳秒——这是一个短到几乎是瞬时的时长。摄像机的快门被同步设定为在那个完全相同的短暂瞬间开启。由于耀眼的等离子体光是连续的，而激光闪烁又是如此短暂，摄像机只会捕捉到金属表面蓝色激光的清晰反射，而压倒性的等离子体眩光则变得有效地不可见。这使得他们能够看到涂在金属上的散斑图案，并高精度地追踪其运动，即使焊接附近的温度超过2,000摄氏度。
为了测试这种方法，团队将两块钛合金板（一种在航空航天领域广泛使用的Ti6Al4V材料）焊接在一起。他们设置了两种不同的实验方式：一种是金属板由夹具牢牢固定，另一种是金属板在冷却过程中可以自由移动。利用这个新的单相机系统，他们在激光沿焊缝移动的过程中记录了数千张图像。在直接对比中，使用蓝光的标准摄像机系统立即失败了，图像在焊接开始的一瞬间就变得完全发白且毫无用处。相比之下，新系统在整个过程中都产生了清晰、锐利的图像，从激光接触金属的那一刻起，直到随后的漫长冷却期结束。研究人员能够绘制出金属的全表面图谱，观察它在受热时如何膨胀以及在冷却时如何收缩。
结果展示了金属行为的清晰过程。随着激光的移动，激光正前方的区域因热量而膨胀，而其后方的区域则开始收缩。研究人员观察到，金属沿着焊接方向拉伸，同时也从两侧向内收缩。当金属被夹具固定时，侧向运动受到限制，从而导致整体变形较小。当金属可以自由移动时，它的收缩更为显著，导致更大的最终变形。这证实了固定金属的位置会改变应力积累和沉降的方式。这项研究证明，这种时间门控摄像技术可以成功捕捉激光焊接过程中完整的变形历史，而由于强光的存在，这在以前是不可能完成的任务。通过提供关于钛在加工过程中如何移动和变形的清晰数据，该方法为验证计算机模型和改进关键部件的制造提供了一种可靠途径，确保下一代飞机和深海船舶的安全与耐用。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。