一种多成分焊缝稀释率的检测方法及系统

1.本发明涉及焊缝检测技术领域，具体涉及一种多成分焊缝稀释率的检测方法及系统。


背景技术：

2.在焊接中常采用材质成分优于母材成分的材料做焊丝，因此在焊后由于母材的熔化及成分的蒸发等导致焊缝主要合金成分含量下降，因此用稀释率(又称熔合比，本实施例统一用“稀释率”一词)来表征焊缝成分的稀释程度，由于成分蒸发量十分微小可以忽略，因此稀释率被定义为母材成分对焊缝成分的稀释程度。目前针对焊缝稀释率的研究主要集中在两方面：一是从焊缝稀释率的计算方法出发，对比不同方法(面积法、成分法)计算结果间的差异；二是考虑稀释率的影响因素及其对性能的影响，目前有关稀释率的研究主要集中在第二点，下文从上述两方面论述稀释率计算方法的研究现状。
3.两种稀释率计算方法的比较
4.目前，针对稀释率的计算，主要有两种方法，一种是利用横截面的轮廓形貌得出的面积法(下文简称“面积法”)，一种是利用成分含量分析得出的成分分析法(下文简称“成分法”)，其中面积法由于其计算方法简单、快捷，因而是稀释率计算方法中被最广泛采用的一种，如公式(1-3)所示。
5.dg＝a
p
/(a
p
+ar)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-3)
6.式中dg为面积法计算得到的焊缝稀释率，a
p
为焊缝熔深区面积，ar为焊缝余高部分面积，各物理量含义如图1-1所示，这两个区域面积可以通过绘图软件测出，因此可求得焊缝的稀释率。
7.而另一种稀释率计算方法则为成分法，如公式(1-4)所示。式中dc为成分分析法计算得到的焊缝稀释率，其中cw为焊缝中某成分的含量，c
fw
为焊丝中该对应成分的含量，cs为母材中该对应成分的含量，该成分在焊缝、焊丝及母材中的含量均可以通过eds(energydispersivex-rayspectroscopy)测出，从而可求得某成分的稀释率。
[0008][0009]
此外，稀释率还有其它计算方法，如公式(1-5)所示。各物理量含义同上述两式，但实际上该式的本质是由上述式(1-3)、式(1-4)推导而出的，得出该式的前提是假设面积法与成分法得出的稀释率值相同，即dg＝dc，而实际上该两值是否相同并没有必然性。本实施例中单列上述两式的目的是通过两独立的稀释率计算方法获得结果的对比，判定两方法获得的稀释率是否具有一致性。而如果采用公式(1-5)，则其是通过计算方法得出的焊缝中某成分的稀释率c
wc
，实际上该值需要接受测试结果的检验，即其需要和eds测试的结果c
weds
比对以确定两者是否一致。因此从本质上来说，式(1-5)与上述两式并无区别，但由于在本实施例中需要分别对两种方法进行单独论述并对比，因此采用两式单独计算的方式来论述稀释率计算方法的研究现状，最后对其计算结果进行对比。
[0010][0011]
gualco和svoboda等学者[4]在研究热输入对焊缝显微组织的影响中对比了面积法和成分法的稀释率结果，如图1-2a所示，其结果展示了不同热输入下两种方法具有较为一致的结果。然而在其成分法的分析过程中，仅对cr的稀释率进行了分析，而未分析nb成分的稀释率情况，根据文中数据如表1-1所示，将nb成分的稀释率同样利用成分法进行计算后发现，该结果与上述两结果有较大差异，如图1-2b所示。由图及表中数据可以清楚看到，尽管采用成分法对cr成分的稀释率计算后，其结果与面积法相近，但采用成分法对nb成分进行同样的计算后，结果却有较大差距，如，当热输入为0.5kj/mm时，利用面积法得到的稀释率值为30％，而对cr成分利用成分法得到的稀释率为31.93％，两者有较为相近的结果，后者仅比前者多约6.43％，而利用成分法对nb成分计算得到的稀释率为16.09％，其仅为面积法的53.63％，两者有显著差异。
[0012]
表1-1
[0013][0014]
同样的结果也发生在silva的研究中[5]，论文数据显示两种稀释率计算方法的计算结果在参数a/b/c组下的误差均较小，如图1-3a所示，两法最大误差也仅为参数a组下的11.23％。而根据silva论文中提供的其它成分数据发现，面积法计算得到的稀释率与成分法稀释率的差异，随成分的不同而不同，同时其也受工艺参数影响，如图1-3b。
[0015]
banovic等人[8]分别采用面积法及成分法计算了焊缝稀释率，其中对于成分分析法，为了避免由于微观偏析导致的结果偏差，其采样面积高达1500μm2。结果显示，对于不同种类填充金属利用两种方法获得的稀释率具有较好的一致性，如图1-4所示。
[0016]
pickin和williams等人[9]虽然也提到了稀释率的两种计算方法，但在其研究工作中，并未真正涉及两计算方法的比较，仅提及两方法具有较好的一致性，因此采用面积法计算了镀层的稀释率。但由于在这些研究中，其并未在文中提供焊后各成分的含量测定结果，因此无法对其涉及的其它成分数据进行进一步分析处理。
[0017]
表1-2
[0018]
[0019]
但通过以上对稀释率计算方法的总结，仍然可以发现，通过现有的两方法计算而得到的稀释率其结果并不一致，不仅如此，从稀释率定义出发，它是为考察焊缝化学成分含量的变化而设立的概念，尽管焊缝成分的改变是由于母材的熔化并掺入熔合区导致的，但不能简单地通过对焊缝划分各区面积来进行稀释率的计算，因此对稀释率的计算应从化学成分的分析入手。同时，也应认识到对于不同的焊缝成分，其稀释率是不同的，那么如何计算所有主要合金成分的稀释率，以及如何确定该法计算的成分稀释率与面积法稀释率的关系同样需要进一步研究。
[0020]
稀释率对焊缝的显微组织及力学性能究竟有何影响及其影响机理同样吸引着一些研究人员的兴趣，如郑祖山与陈长军等学者[10]发现，随着热输入的增加，熔池中ti成分的稀释率逐渐增加，而cu的稀释率逐渐减小，导致焊缝区中部的平均显微硬度逐渐增加。王永海等学者[11]则发现涂层的稀释率随着焊接电流的增大而增大，堆焊层中含有基体硬度低的ti成分含量增加，因此显微硬度降低。
[0021]
综上可以看出，稀释率用来反映母材成分对焊丝成分的稀释程度，为准确表征合金成分在焊缝中的分布特征，在使用稀释率法计算时发现：(1)现有的面积法与成分法计算结果不一致；(2)因面积法并无焊缝成分含量参与计算过程，因此其存在用来反映成分变化而计算过程却无成分含量参与的缺陷；(3)面积法无法确定计算的稀释率结果对应表征焊缝的何种成分；(4)成分法的计算仅适用于某一种成分，但实际焊缝金属含有多种成分，因此其无法用来同时衡量多成分的焊缝综合稀释率。
[0022]
上文中所涉及得参考文献如下：
[0023]
1.hejripour,f.；valentine,d.t.；aidun,d.k.study of mass transport in cold wire deposition for wire arc additive manufacturing.int.j.heat mass transfer 2018,125,471-484.
[0024]
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[0025]
3.liang,y.；hu,s.；shen,j.；zhang,h.；wang,p.geometrical and microstructural characteristics ofthe tig-cmt hybrid welding in 6061aluminum alloy cladding.j.mater.process.technol.2017,239,18-30.
[0026]
4.gualco,a.；svoboda,h.n.g.；surian,e.s.effect ofheat input on the fe-based nanostructured weld overlay.welding international 2015,29,847-855.
[0027]
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[0028]
6.王宗杰.熔焊方法及设备.2ed.；机械工业出版社:北京,2016.
[0029]
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[0030]
8.banovic,s.w.；dupont,i.n.；marder,a.r.dilution control in gas-tungsten-arc welds involving superaustenitic stainless steels and nickel-based alloys.metall mater trans b 2001,32,1171-1176.
[0031]
9.pickin,c.g.；williams,s.w.；lunt,m.characterisation of the cold metal transfer(cmt)process and its application for low dilution cladding.j.mater.process.technol.2011,211,496-502.
[0032]
10.郑祖山；陈长军；张敏；王顺权.不同热输入对ta2/409复合板焊接接头组织及力学性能的影响.应用激光2018,38,417-424。
[0033]
11.王永海；孙荣禄.焊接电流对钛合金表面等离子堆焊镍基合金涂层质量的影响.热加工工艺2016,45,20-23。


技术实现要素：

[0034]
针对所述缺陷，本发明实施例公开了一种多成分焊缝稀释率的检测方法及系统，本发明提出一种可用于衡量焊缝多个主要目标成分总和稀释率的方法，本方法比面积法更科学，同时使得焊缝稀释率检测具有更加广泛适应性，既适应于单成分稀释率检测，同时也适应于多成分稀释率检测，同时检测结果也将更加准确。
[0035]
本发明实施例第一方面公开了一种多成分焊缝稀释率的检测方法，包括：
[0036]
通过能量色散光谱仪对母材进行元素分析以得到母材中各目标成分的第一含量信息；
[0037]
通过能量色散光谱仪对焊丝进行元素分析以得到焊丝中各目标成分的第二含量信息；
[0038]
启动能量色散光谱仪来获取到经过填充焊丝之后相应焊缝的焊接区域图像；并基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域；
[0039]
通过所述能量色散光谱仪探测得到所述采样区域的能量光谱曲线，对所述能量光谱曲线进行元素分析以得到焊缝处的各目标成分的第三含量信息；
[0040]
根据各目标成分的第一含量信息、第二含量信息及第三含量信息，利用公式(2-6)计算所有目标成分的焊缝的总和稀释率d
wall
，其中，
[0041][0042]
其中，c
sx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；c
fwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；c
wx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；
[0043]
对所述总和稀释率d
wall
进行输出显示。
[0044]
作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域，包括：
[0045]
对所述焊接区域图像进行识别以确定其中焊缝的类型为溢流型焊缝、匹配型焊缝或凹陷型焊缝；
[0046]
根据焊缝的类型确定元素采样模式来划定所述焊接区域图像中的所述焊缝的采样区域。
[0047]
作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域，包括：
[0048]
接收用户在焊接区域图像上划定的曲线信息，所述曲线信息用于标识所述焊缝的
采样区域。
[0049]
作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，公式(2-6)的计算过程具体包括：
[0050]
在公式(2-3)的基础上引入权重系数α来衡量不同目标成分在焊缝的总和稀释率中所占比例的不同；其中，
[0051][0052]
权重系数α定义为焊前某一目标成分在焊丝及母材中的含量与所有目标成分的含量和之比，即公式(2-4)：
[0053][0054]
其中，
[0055]csx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；
[0056]cfwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；
[0057]cwx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；
[0058]
因此，公式(2-3)经过公式(2-4)权重处理后，得到任意单个目标成分对整个焊缝的稀释率d
wx
，如公式(2-5)：
[0059][0060]
因此，所有目标成分的稀释率即为所有分别经过权重处理后的单个目标成分的稀释率之和，即焊缝的总和稀释率d
wall
，如公式(2-6)。
[0061]
作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述采样区域包括焊缝的有效熔深区，具体是指去除焊缝的上表面余高及背面余高之外的区域；为避免偏析等因素对采样结果影响，所述采样区域应均匀分布于焊缝区，同时所述采样区域的面积不小于10000μm2。
[0062]
作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，目标成分为两个以上的合金成分。
[0063]
作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，目标成分为mg、si；根据公式(2-6)，mg、s i两成分的焊缝的总和稀释率为：
[0064][0065]
其中，
[0066]csmg
为目标成分mg在母材中的含量，c
ssi
为目标成分si在母材中的含量；
[0067]cfwmg
为目标成分mg在焊丝中的含量，c
fwsi
为目标成分si在焊丝中的含量；
[0068]cwmg
为目标成分mg在焊缝中的含量，c
wsi
为目标成分si在焊缝中的含量。
[0069]
本发明实施例第二方面公开一种多成分焊缝稀释率的检测系统，包括：
[0070]
第一含量信息获取模块，用于通过能量色散光谱仪对母材进行元素分析以得到母材中各目标成分的第一含量信息；
[0071]
第二含量信息获取模块，用于通过能量色散光谱仪对焊丝进行元素分析以得到焊丝中各目标成分的第二含量信息；
[0072]
采样区域划定模块，用于启动能量色散光谱仪来获取到经过填充焊丝之后相应焊缝的焊接区域图像；并基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域；
[0073]
第三含量信息获取模块，用于通过所述能量色散光谱仪探测得到所述采样区域的能量光谱曲线，对所述能量光谱曲线进行元素分析以得到焊缝处的各目标成分的第三含量信息；
[0074]
计算模块，用于根据各目标成分的第一含量信息、第二含量信息及第三含量信息，利用公式(2-6)计算所有目标成分的焊缝的总和稀释率d
wall
，其中，
[0075][0076]
其中，c
sx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；c
fwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；c
wx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；
[0077]
输出模块，用于对所述总和稀释率d
wall
进行输出显示。
[0078]
本发明实施例第三方面公开一种电子设备，包括：存储有可执行程序代码的存储器；与所述存储器耦合的处理器；所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，用于执行本发明实施例第一方面公开的多成分焊缝稀释率的检测方法。
[0079]
本发明实施例第四方面公开一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行本发明实施例第一方面公开的多成分焊缝稀释率的检测方法。
[0080]
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
[0081]
本发明实施例中多成分焊缝稀释率的检测方法，通过在母材和焊丝成分关联法的公式(2-3)的基础上引入权重系数α来衡量不同目标成分在焊缝的总和稀释率中所占比例的不同，而总和稀释率不仅受单成分稀释率影响，其更与不同成分对总和稀释率影响的权重系数紧密相关，而权重系数则取决于目标成分的含量，目标成分含量越高则其对总和稀释率的影响越大，反之亦然。因此，本发明提出一种可用于衡量焊缝多个主要目标成分总和稀释率的方法，本方法相比于面积法更科学，同时相对于成分法使得焊缝稀释率检测具有更加广泛适应性，既适应于单成分稀释率检测，也适应于多成分稀释率检测，同时检测结果也将更加准确。
附图说明
[0082]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附
图。
[0083]
图1-1面积法计算稀释率示意图；
[0084]
图1-2a、图1-2b为两方法计算稀释率结果比较图；
[0085]
图1-3a、图1-3b为两方法计算稀释率结果比较图；
[0086]
图1-4两方法计算稀释率结果比较；
[0087]
图2-1典型焊缝的元素采集区示意图；
[0088]
图2-2a、图2-2b、图2-2c、图2-2d、图2-2e为母材、焊丝及各焊缝主要元素含量的eds能谱分析图；
[0089]
图2-3典型焊缝各部分面积示意图；
[0090]
图2-4两稀释率计算方法的结果比较图；
[0091]
图2-5a、图2-5b稀释率值随热输入变化及其与拉伸强度的比较图；
[0092]
图2-6不同阶段稀释率的变化速率图；
[0093]
图2-7mg、si含量随热输入的变化比较图；
[0094]
图3是本发明实施例公开的多成分焊缝稀释率的检测方法的流程示意图；
[0095]
图4是本发明实施例提供的多成分焊缝稀释率的检测系统的结构示意图；
[0096]
图5是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0097]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0098]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，示例性地，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0099]
稀释率用来反映母材成分对焊丝成分的稀释程度，如研发背景部分所述，为准确表征合金成分在焊缝中的分布特征，在使用稀释率法计算时发现：(1)现有的面积法与成分法计算结果不一致，(2)因面积法并无焊缝成分含量参与计算过程，因此其存在用来反映成分变化而计算过程却无成分含量参与的缺陷；(3)面积法无法确定计算的稀释率结果对应表征焊缝的何种成分，(4)成分法的计算仅适用于某一种成分，但实际焊缝金属含有多种成分，因此其无法用来同时衡量多成分的焊缝综合稀释率。
[0100]
成分测定及不同稀释率计算方法如下：
[0101]
1、成分测定
[0102]
需要注意的是由于稀释率表示焊缝成分被稀释的程度，因此这里焊缝成分含量指该成分在焊缝有效熔深区的含量，焊缝上表面余高及背面余高区域内相应的成分含量均不应被采集并计算在内。针对焊缝横截面的三种典型形态，采用能谱仪eds对其采样分析时，采样区域分别如图2-1所示。此外为避免焊缝中的显微组织偏析等对结果造成的误差，采样
区域的面积均不小于10000μm2。
[0103]
对于6061铝合金及er4047焊丝而言，其主要的合金成分为mg和si，因此本实施例中，将此二成分作为目标成分用来研究稀释率的计算方法。其中图图2-2a、图2-2b、图2-2c、图2-2d、图2-2e所示为采用eds分析获得的母材、焊丝及各典型焊缝熔深区主要成分的含量，图中可以清楚看到对于母材而言，其mg、si成分含量分别为0.91wt.％和0.62wt.％，而焊丝中si成分含量高达11.1wt.％，mg成分含量仅为0.05wt.％。使用的焊丝富含si成分而含mg成分较少，母材中两成分的含量恰好相反，因此两成分在母材和焊丝中显著的含量差异有助于我们探究gmaw焊中的稀释现象，及通过这些成分的差异追踪熔池内的流体流动情况。
[0104]
2、不同稀释率计算方法结果分析与比较
[0105]
由于使用的简便性，公式(2-2)为当前在计算稀释率时广泛采用的面积法，公式(2-3)为当前在计算稀释率时采用的另一种包含母材和焊丝成分含量在内的计算方法，两式中各物理量含义如图2-3所示。
[0106]
表2-4所示为不同热输入条件下利用eds获得的焊缝熔深区mg、si两成分的含量。图2-4所示为根据mg、si两成分的含量，利用面积法和成分法计算获得的结果比较，其中d
geo
为利用最常用的面积计算法获得的稀释率，d
cmg
与d
csi
为利用焊丝和母材成分关联法获得的mg、si两成分的稀释率。既有的两种方法其共同点是获得的稀释率结果均在0～1之间波动，这是由于既有的两种方法从数学上而言，其的取值范围即为0～1。如对于公式(2-2)，a
p
≤(a
p
+ar)对焊接而言，其或者存在上余高，或者存在下余高，因此a
p
总是小于(a
p
+ar)，即使通过某种技术实现了没有上下余高的焊缝，a
p
也不会超过(a
p
+ar)之和，因此通过该式计算得到的稀释率最大值不超过1，同时即使对于cmt小热输入焊接工艺而言，其同样有母材的熔化，因此其a
p
也始终大于0，因此该法得到的稀释率最小值也大于0。因此通过面积法计算得到的稀释率，由公式的取值范围，结合焊接领域的实际分析，其波动区间为0-1。
[0107]
da＝a
p
/(a
p
+ar)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-2)
[0108][0109]
对于稀释率的计算采用母材和焊丝成分关联法的公式(2-3)而言，焊缝成分的成分含量必然介于母材与焊丝之间，以任一成分x为例，即焊缝成分x的含量c
wx
或者符合c
fwx
≤c
wx
≤c
sx
或者符合c
sx
≤c
wx
≤c
fwx
，而不论其含量间的关系符合前者或者后者，对于而言，其结果始终不大于1且不小于0，因为(c
wx-c
fwx
)与(c
sx-c
fwx
)始终同正负，这决定了其始终不小于0，且前者的绝对值不超过后者，因此由公式的取值范围而言，其值将在0～1之间波动。
[0110]
表2-4
[0111][0112]
而正是由于上述两式的取值范围均为0～1，因此两公式均保证了稀释率计算法中焊缝成分被稀释的含义。但由图2-4可以看出既有的两方法计算结果有较大差异，如对于热输入为177j/mm的焊缝而言，利用面积法计算得到的稀释率为66.01％，而利用成分关联法获得的mg、si两成分的稀释率分别为44.72％，83.03％，即使面积法所得稀释率可被看做mg、si两成分的稀释率，其差异仍分别高达47.61％及20.51％，如表2-5所示。而由于面积法的计算不包含具体焊缝成分的参与，同时其与成分法计算的mg、si二成分的稀释率结果差异显著，因此本实施例采用成分法来表征焊缝稀释率。但需要注意的是即使均使用成分法计算稀释率，当焊缝成分不同时，其成分的稀释率结果也不同，如mg成分的稀释率为44.72％，而si成分的稀释率却高达83.03％，mg成分的稀释率仅为si成分的53.86％，仅为一半，因此其差异同样显著。
[0113]
表2-5
[0114][0115][0116]
实施例一
[0117]
请参阅图3，图3是本发明实施例公开的多成分焊缝稀释率的检测方法的流程示意图。其中，本发明实施例所描述的方法的执行主体为由软件或/和硬件组成的执行主体，该执行主体可以通过有线或/和无线方式接收相关信息，并可以发送一定的指令。当然，其还可以具有一定的处理功能和存储功能。该执行主体可以控制多个设备，例如远程的物理服务器或云服务器以及相关软件，也可以是对某处安置的设备进行相关操作的本地主机或服务器以及相关软件等。在一些场景中，还可以控制多个存储设备，存储设备可以与设备放置于同一地方或不同地方。
[0118]
如前所述，尽管使用成分法计算的单元素稀释率结果虽然能够准确表征对应成分的变化情况，但该二者无论取何种成分的稀释率均无法综合反映焊缝主要合金成分的总和稀释率。因此本实施例在上文采用的成分法计算稀释率的基础上，进一步提出含多合金成分焊缝的总和稀释率计算方法。如图3所示，该多成分焊缝稀释率的检测方法包括以下步骤：
[0119]
s101、通过能量色散光谱仪对母材进行元素分析以得到母材中各目标成分的第一含量信息；
[0120]
s102、通过能量色散光谱仪对焊丝进行元素分析以得到焊丝中各目标成分的第二含量信息；
[0121]
s103、启动能量色散光谱仪来获取到经过填充焊丝之后相应焊缝的焊接区域图像；并基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域；
[0122]
s104、通过所述能量色散光谱仪探测得到所述采样区域的能量光谱曲线，对所述能量光谱曲线进行元素分析以得到焊缝处的各目标成分的第三含量信息；
[0123]
s105、根据各目标成分的第一含量信息、第二含量信息及第三含量信息，利用公式(2-6)计算所有目标成分的焊缝的总和稀释率d
wall
，其中，
[0124][0125]
其中，c
sx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；c
fwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；c
wx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；
[0126]
s106、对所述总和稀释率d
wall
进行输出显示。
[0127]
作为一种可选的实施方式，所述基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域，包括：
[0128]
对所述焊接区域图像进行识别以确定其中焊缝的类型为溢流型焊缝、匹配型焊缝或凹陷型焊缝；
[0129]
根据焊缝的类型确定元素采样模式来划定所述焊接区域图像中的所述焊缝的采样区域。
[0130]
作为一种可选的实施方式，所述基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域，包括：
[0131]
接收用户在焊接区域图像上划定的曲线信息，所述曲线信息用于标识所述焊缝的采样区域。
[0132]
作为一种可选的实施方式，公式(2-6)的计算过程具体包括：
[0133]
当焊缝含有多个对焊缝的显微组织及力学性能有显著影响的合金时，为考量焊多成分的焊缝的总和稀释率，在公式(2-3)的基础上引入权重系数α来衡量不同目标成分在焊缝的总和稀释率中所占比例的不同；其中，
[0134][0135]
权重系数α定义为焊前某一目标成分在焊丝及母材中的含量与所有目标成分的含量和之比，即公式(2-4)：
[0136][0137]
其中，
[0138]csx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；
[0139]cfwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；
[0140]cwx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；
[0141]
因此，公式(2-3)经过公式(2-4)权重处理后，得到任意单个目标成分对整个焊缝的稀释率d
wx
，如公式(2-5)：
[0142][0143]
因此，所有目标成分的稀释率即为所有分别经过权重处理后的单个目标成分的稀释率之和，即焊缝的总和稀释率d
wall
，如公式(2-6)。
[0144]
而当仅考察某一成分的稀释率时，上述表达式为：
[0145][0146]
化简后，其表达式为
[0147][0148]
对比该式(2-8)与公式(2-3)，可以发现该公式与单元素稀释率的成分法计算公式完全相同，这是因为对于以某一元素作为焊缝总和稀释率的案例而言，此时其权重系数为1，因此可以发现该总和稀释率公式统一适用于单成分稀释率的计算。这说明用于计算焊缝总和稀释率的公式具有广泛适用性，即其不仅能够用于多目标元素的总和稀释率计算，同时也能够用于单元素稀释率的计算，其通用形式如公式(2-8)所示。
[0149]
对于本实施例而言，焊缝的主要合金成分为mg、si两元素，根据公式(2-6)，本实施例中mg、si两成分的焊缝的总和稀释率为：
[0150][0151]
其中，
[0152]csmg
为目标成分mg在母材中的含量，c
ssi
为目标成分si在母材中的含量；
[0153]cfwmg
为目标成分mg在焊丝中的含量，c
fwsi
为目标成分si在焊丝中的含量；
[0154]cwmg
为目标成分mg在焊缝中的含量，c
wsi
为目标成分si在焊缝中的含量。
[0155]
由式(2-9)，计算得mg、si两元素的总和稀释率如表2-6所示，仍以热输入为177j/mm的焊缝为例，其总和稀释率为80.13％，而对比单元素稀释率，由表2-6可知mg、si两元素的稀释率分别为44.72％、83.03％，尽管mg元素的稀释率值仅为44.72％，但总和稀释率值仍高达80.13％，该值明显更接近si元素的稀释率值83.03％，这是因为尽管mg元素的稀释率值较低，但该值仅表征焊接前后mg成分含量的变化程度；而对于总和稀释率而言，其不仅考察焊接前后成分含量的变化程度，同时还综合衡量各元素对于总和稀释率的权重影响。而对于本实施例的实验而言，mg、si两元素的权重α
mg
和α
si
依据公式(2-4)分别为7.57％和92.43％，因此尽管mg元素的稀释率值较低，但由于其权重系数仅为7.57％，因此其对焊缝总和稀释率的影响微弱；同时，由于si元素的权重系数高达92.43％，显著影响焊缝的总和稀释率，因此mg、si两元素经加权后，焊缝的总和稀释率值为80.13％，明显与si成分的稀释率值更接近。这说明，总和稀释率不仅受单元素稀释率影响，其更与不同元素对总和稀释率
影响的权重系数紧密相关，而权重系数则取决于目标成分的含量，成分含量越高则其对总和稀释率的影响越大，反之亦然。
[0156]
表2-6
[0157][0158][0159]
验证例：
[0160]
热输入对稀释率影响：
[0161]
图2-5a所示为不同热输入时两种稀释率方法的计算结果比较，图中同样包含了本实施例新提出的总和稀释率的计算结果。其中蓝色实线为采用成分法计算的mg、si两元素的稀释率值，虚线为利用面积法和本实施例提出的总和稀释率法的计算结果对比。首先由图可以看出，无论面积法还是成分法，也无论计算的是单成分稀释率还是总和稀释率，所有的计算结果，其变化趋势是相同的，即均随着热输入的增加而增加。这是因为对于面积法而言，随着热输入的增大焊缝余高面积逐渐减小，而熔深面积逐渐增大，因此利用面积法获得的稀释率值逐渐增大。同时也正是由于熔化的母材增多，mg、si两元素的稀释程度增大，从而利用成分法获得的mg、si两元素的稀释率值也逐渐增加，因此尽管因采用的计算方法不同而导致获得的稀释率值的取值范围不同，但其变化趋势大致相同，同时可以看到尽管si元素的稀释率随着热输入增大有轻微波动，但由于其权重系数小，从而经权重处理后，其对总和稀释率的影响较小，因此d
wall
始终接近权重系数为92.43的si元素的稀释率值。而对比面积法与总和稀释率法的稀释率结果同样可以发现，在研究的热输入参数范围内，成分法求得的总和稀释率值总是高于面积法。但两者之差随着热输入增大而逐渐减小，如图2-5a中的红线所示。同时图2-5b所示为面积法稀释率与拉伸强度关系，由图可看出，随着稀释率值的增大，拉伸强度先增大后减小，这是因为随着面积法稀释率的增大，焊缝内裂纹缺陷等增多，从而使得接头强度下降。
[0162]
表2-7
[0163][0164][0165]
稀释率随热输入变化的另一相同点是，稀释率均在热输入增加的初期有剧烈变化(表2-7)，如当热输入由122j/mm增大至177j/mm时，利用面积法得到的稀释率值由25.30％
陡增至66.01％，增幅达160.91％；而利用成分法获得的mg、si两元素的稀释率分别由22.76％、49.87％升至44.72％、83.03％，增幅分别为96.49％、66.49％；利用本实施例新方法获得总和稀释率值的增幅为67.56％。而当热输入超过177j/mm后，则稀释率进入稳定阶段，此时面积法得到的稀释率波动相较于177j/mm时仅为9.94％，成分法得到的mg、si两元素稀释率波动幅度分别为3.64％、-2.63％，利用本实施例新方法获得的总和稀释率值的增幅为-2.36％，以热输入为177j/mm为界，可以看出在热输入小于177j/mm的前期，不论采用何种计算法，其稀释率波动幅度的绝对值都超过50％，最大值甚至高达160.91％(面积法)。而在热输入大于177j/mm的后期，其稀释率波动幅度的绝对值中最大值未超过10％。稀释率变化速率随热输入增加的变化曲线如图2-6所示。
[0166]
稀释率随热输入变化呈先快而后稳定的原因是当热输入较小时，由于熔池较小，熔化的焊丝量相对于熔池的容纳体积而言是过量的，因此当熔滴冲击至熔池，并在熔池中与熔化的母材相混合后，由于母材的熔化量较少，而焊丝的熔化量过多，因此焊缝熔合区的成分更接近于焊丝成分，如图2-7所示mg、si两元素含量在热输入为122j/mm时均与焊丝成分更接近。而随着热输入增加，母材熔化增多，在热输入增加初期，由于熔池容纳体积的增长速度快于焊丝容纳体积，因此焊缝成分由接近焊丝快速过渡到向母材成分靠拢，然而随着焊缝进入匹配阶段，由于熔池底壁尚未彻底熔透，熔滴冲击驱动的流体流动作用基本保持不变，因此mg、si两元素含量也最终维持基本稳定。
[0167]
实施例二
[0168]
请参阅图4，图4是本发明实施例公开的多成分焊缝稀释率的检测系统的结构示意图。如图4所示，一种多成分焊缝稀释率的检测系统，包括：
[0169]
第一含量信息获取模块41，用于通过能量色散光谱仪对母材进行元素分析以得到母材中各目标成分的第一含量信息；
[0170]
第二含量信息获取模块42，用于通过能量色散光谱仪对焊丝进行元素分析以得到焊丝中各目标成分的第二含量信息；
[0171]
采样区域划定模块43，用于启动能量色散光谱仪来获取到经过填充焊丝之后相应焊缝的焊接区域图像；并基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域；
[0172]
第三含量信息获取模块44，用于通过所述能量色散光谱仪探测得到所述采样区域的能量光谱曲线，对所述能量光谱曲线进行元素分析以得到焊缝处的各目标成分的第三含量信息；
[0173]
计算模块45，用于根据各目标成分的第一含量信息、第二含量信息及第三含量信息，利用公式(2-6)计算所有目标成分的焊缝的总和稀释率d
wall
，其中，
[0174][0175]
其中，c
sx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；c
fwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；c
wx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；
[0176]
输出模块46，用于对所述总和稀释率d
wall
进行输出显示。
[0177]
本发明实施例中多成分焊缝稀释率的检测系统通过在母材和焊丝成分关联法的公式(2-3)的基础上引入权重系数α来衡量不同目标成分在焊缝的总和稀释率中所占比例
的不同，而总和稀释率不仅受单成分稀释率影响，其更与不同成分对总和稀释率影响的权重系数紧密相关，而权重系数则取决于目标成分的含量，目标成分含量越高则其对总和稀释率的影响越大，反之亦然。因此，本发明提出一种可用于衡量焊缝多个主要目标成分总和稀释率的系统，从而使得焊缝稀释率检测具有更加广泛适应性，既适应于单成分稀释率检测，同时也适应于多成分稀释率检测，同时检测结果也将更加准确。
[0178]
实施例三
[0179]
请参阅图5，图5是本发明实施例公开的一种电子设备的结构示意图。电子设备可以是计算机以及服务器等，当然，在一定情况下，还可以是手机、平板电脑以及监控终端等智能设备，以及具有处理功能的图像采集装置。如图8所示，该电子设备可以包括：
[0180]
存储有可执行程序代码的存储器510；
[0181]
与存储器510耦合的处理器520；
[0182]
其中，处理器520调用存储器510中存储的可执行程序代码，执行实施例一中的多成分焊缝稀释率的检测方法中的部分或全部步骤。
[0183]
本发明实施例公开一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，其中，该计算机程序使得计算机执行实施例一中的多成分焊缝稀释率的检测方法中的部分或全部步骤。
[0184]
本发明实施例还公开一种计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行实施例一中的多成分焊缝稀释率的检测方法中的部分或全部步骤。
[0185]
本发明实施例还公开一种应用发布平台，其中，应用发布平台用于发布计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行实施例一中的多成分焊缝稀释率的检测方法中的部分或全部步骤。
[0186]
在本发明的各种实施例中，应理解，所述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0187]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物单元，即可位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0188]
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。所述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0189]
所述集成的单元若以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可获取的存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或者部分，可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干请求用以使得一台计算机设备(可以为个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本发明的各个实施例所述方法的部分或全部步骤。
[0190]
在本发明所提供的实施例中，应理解，“与a对应的b”表示b与a相关联，根据a可以确定b。但还应理解，根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其他信息确定b。
[0191]
本领域普通技术人员可以理解所述实施例的各种方法中的部分或全部步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存储器(randomaccessmemory，ram)、可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom)、一次可编程只读存储器(one-timeprogrammableread-onlymemory，otprom)、电子抹除式可复写只读存储器(electrically-erasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)、只读光盘(compactdiscread-onlymemory，cd-rom)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
[0192]
以上对本发明实施例公开的多成分焊缝稀释率的检测方法、装置、电子设备及存储介质进行了详细介绍，本实施例中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种多成分焊缝稀释率的检测方法，其特征在于，包括：通过能量色散光谱仪对母材进行元素分析以得到母材中各目标成分的第一含量信息；通过能量色散光谱仪对焊丝进行元素分析以得到焊丝中各目标成分的第二含量信息；启动能量色散光谱仪来获取到经过填充焊丝之后相应焊缝的焊接区域图像；并基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域；通过所述能量色散光谱仪探测得到所述采样区域的能量光谱曲线，对所述能量光谱曲线进行元素分析以得到焊缝处的各目标成分的第三含量信息；根据各目标成分的第一含量信息、第二含量信息及第三含量信息，利用公式(2-6)计算所有目标成分的焊缝的总和稀释率d
wall
，其中，其中，c
sx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；c
fwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；c
wx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；对所述总和稀释率d
wall
进行输出显示。2.如权利要求1所述的多成分焊缝稀释率的检测方法，其特征在于，所述基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域，包括：对所述焊接区域图像进行识别以确定其中焊缝的类型为溢流型焊缝、匹配型焊缝或凹陷型焊缝；根据焊缝的类型确定元素采样模式来划定所述焊接区域图像中的所述焊缝的采样区域。3.如权利要求1所述的多成分焊缝稀释率的检测方法，其特征在于，所述基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域，包括：接收用户在焊接区域图像上划定的曲线信息，所述曲线信息用于标识所述焊缝的采样区域。4.如权利要求1所述的多成分焊缝稀释率的检测方法，其特征在于，公式(2-6)的计算过程具体包括：在公式(2-3)的基础上引入权重系数α来衡量不同目标成分在焊缝的总和稀释率中所占比例的不同；其中，权重系数α定义为焊前某一目标成分在焊丝及母材中的含量与所有目标成分的含量和之比，即公式(2-4)：其中，c
sx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；
c
fwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；c
wx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；因此，公式(2-3)经过公式(2-4)权重处理后，得到任意单个目标成分对整个焊缝的稀释率d
wx
，如公式(2-5)：因此，所有目标成分的稀释率即为所有分别经过权重处理后的单个目标成分的稀释率之和，即焊缝的总和稀释率d
wall
，如公式(2-6)。5.如权利要求4所述的多成分焊缝稀释率的检测方法，其特征在于，所述采样区域包括焊缝的有效熔深区，具体是指去除焊缝的上表面余高及背面余高之外的区域；为避免偏析等因素对采样结果影响，所述采样区域应均匀分布于焊缝区，同时面积不小于10000μm2。6.如权利要求4所述的多成分焊缝稀释率的检测方法，其特征在于，目标成分为两个以上的合金成分。7.如权利要求6所述的多成分焊缝稀释率的检测方法，其特征在于，目标成分为mg、si；根据公式(2-6)，mg、si两成分的焊缝的总和稀释率为：其中，c
smg
为目标成分mg在母材中的含量，c
ssi
为目标成分si在母材中的含量；c
fwmg
为目标成分mg在焊丝中的含量，c
fwsi
为目标成分si在焊丝中的含量；c
wmg
为目标成分mg在焊缝中的含量，c
wsi
为目标成分si在焊缝中的含量。8.一种多成分焊缝稀释率的检测系统，其特征在于，包括：第一含量信息获取模块，用于通过能量色散光谱仪对母材进行元素分析以得到母材中各目标成分的第一含量信息；第二含量信息获取模块，用于通过能量色散光谱仪对焊丝进行元素分析以得到焊丝中各目标成分的第二含量信息；采样区域划定模块，用于启动能量色散光谱仪来获取到经过填充焊丝之后相应焊缝的焊接区域图像；并基于所述焊接区域图像划定所述焊缝的采样区域；第三含量信息获取模块，用于通过所述能量色散光谱仪探测得到所述采样区域的能量光谱曲线，对所述能量光谱曲线进行元素分析以得到焊缝处的各目标成分的第三含量信息；计算模块，用于根据各目标成分的第一含量信息、第二含量信息及第三含量信息，利用公式(2-6)计算所有目标成分的焊缝的总和稀释率d
wall
，其中，
其中，c
sx
为某一目标成分x在母材中的含量，c
sa
、
…
、c
sn
依次为其它目标成分a、
…
、n在母材中的含量；c
fwx
为某一目标成分x在焊丝中的含量，c
fwa
、
…
、c
fwn
依次为其它目标成分a、
…
、n在焊丝中的含量；c
wx
为某一目标成分x在焊缝中的含量；输出模块，用于对所述总和稀释率d
wall
进行输出显示。9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储有可执行程序代码的存储器；与所述存储器耦合的处理器；所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，用于执行权利要求1至7任一项所述的多成分焊缝稀释率的检测方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行权利要求1至7任一项所述的多成分焊缝稀释率的检测方法。

技术总结
本发明实施例公开一种多成分焊缝稀释率的检测方法及系统，包括通过能量色散光谱仪对母材进行元素分析以得到第一含量信息；通过能量色散光谱仪对焊丝进行元素分析以得到第二含量信息；获取焊缝的焊接区域图像，划定焊缝的采样区域，通过能量色散光谱仪进行元素分析以得到第三含量信息；根据各目标成分的第一含量信息、第二含量信息及第三含量信息计算所有目标成分的总和稀释率；对总和稀释率进行输出显示。本发明提出一种可用于衡量焊缝多个主要目标成分总和稀释率的方法，本方法相比于面积法更科学，同时相对于成分法使得焊缝稀释率检测具有更加广泛适应性，既适应于单成分稀释率检测，也适应于多成分稀释率检测，同时检测结果也将更加准确。果也将更加准确。果也将更加准确。


技术研发人员：张占辉
受保护的技术使用者：广州番禺职业技术学院
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/9/25