權(quán)利要求書： 1.一種基于紅外熱像儀的攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度在位表征方法，其特征在于，具體步驟如下：步驟1：建立攪拌摩擦焊過程有限元仿真模型；

步驟2：從建立的有限元仿真模型中提取攪拌摩擦焊焊接過程中表面特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)峰值溫度和最低溫度的數(shù)據(jù)集；

步驟3：設(shè)計(jì)支持向量回歸機(jī)算法模型；

給定訓(xùn)練數(shù)據(jù)(x1，y1)，…，(xN，yN)構(gòu)成輸入空間；其中，xi，i＝1,…,N，為焊件的表面特征點(diǎn)溫度，是一個(gè)一維輸入量；yi，i＝1,…,N，為核心區(qū)溫度值包括核心區(qū)峰值溫度和最低溫度，是一個(gè)一維目標(biāo)量；SR算法采用非線性變換 把原始輸入空間中的數(shù)據(jù)映射到一個(gè)高維特征空間中，再在這個(gè)高維特征空間中使用ε不敏感損失函數(shù)進(jìn)行線性回歸，從而得到目標(biāo)量與輸入量在原空間內(nèi)的非線性回歸效果即建立焊件表面溫度與核心區(qū)溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系；在高維特征空間中構(gòu)造的最優(yōu)線性函數(shù)為：T

f(x)＝w*φ(x)+b(1)

式中w為權(quán)值向量；b為偏置項(xiàng)；ε不敏感損失函數(shù)的定義為：SR優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

其中C＞0為懲罰系數(shù)，決定了對(duì)誤差大于ε的懲罰程度；為每個(gè)樣本點(diǎn)引入松弛變量ξi，*ξi有：

為求解式(4)，構(gòu)造Lagrange函數(shù)：T

其中，α＝[α1,…,αN]≥0， 為Lagrange乘子；分別對(duì)w，b求偏微分并令它們等于0，可得式(5)的對(duì)偶問題為：其中k(xi,xj)為核函數(shù)，選用RBF核函數(shù)，其具有光滑性好、徑向?qū)ΨQ與參數(shù)簡單優(yōu)點(diǎn)，函數(shù)如下所示：其中σ＞0是可調(diào)的核參數(shù)；

對(duì)式(6)進(jìn)行求解得SR的回歸估計(jì)如下所示：步驟4：設(shè)置支持向量回歸機(jī)算法模型的參數(shù)與核函數(shù)，輸入焊件表面特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)溫度數(shù)據(jù)，區(qū)分訓(xùn)練集和測(cè)試集；

步驟5：以均方根差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)步驟3中的支持向量回歸機(jī)算法模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試；

步驟6：將紅外熱像儀布置在機(jī)床主軸前方，進(jìn)行單軸肩攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，通過紅外熱像儀獲得焊接過程中焊件表面特征點(diǎn)溫度，使用訓(xùn)練好的支持向量回歸機(jī)算法模型，將紅外熱像儀測(cè)得的焊件前進(jìn)側(cè)后退側(cè)特征點(diǎn)溫度作為輸入，實(shí)現(xiàn)焊接過程中核心區(qū)峰值溫度與最低溫度的預(yù)測(cè)。

說明書： 基于紅外熱像儀的攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度在位表征方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于攪拌摩擦焊(FrictionStirWelding，F(xiàn)SW)溫度檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種基于紅外熱像儀的攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度在位表征方法，綜合采用熱像儀、有限元仿真模型和支持向量回歸機(jī)算法(SupportactorRegression，SR)對(duì)攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度進(jìn)行表征。背景技術(shù)[0002] 攪拌摩擦焊是一種新型的固相焊接技術(shù)，焊接時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與焊件摩擦產(chǎn)生的熱量使材料軟化，焊材在攪拌頭運(yùn)動(dòng)的作用下發(fā)生塑性流動(dòng)，最終在攪拌頭軸肩和攪拌針的擠壓下形成焊縫。攪拌摩擦焊具有節(jié)能、環(huán)保、焊接接頭力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，常用于鋁鎂合金的焊接。[0003] 攪拌摩擦焊核心區(qū)由位于攪拌頭軸肩下方的焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)所構(gòu)成，其溫度直接影響著焊接接頭的微觀組織，并最終影響到接頭的力學(xué)性能。核心區(qū)溫度場也是焊縫塑性材料流動(dòng)、接頭組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、焊接參數(shù)優(yōu)化、焊接機(jī)理分析等其他相關(guān)研究的基礎(chǔ)。攪拌摩擦焊過程中由于攪拌頭旋轉(zhuǎn)、軸肩遮擋、焊件材料流動(dòng)與劇烈塑性變形等原因使得實(shí)驗(yàn)的方法難以全面描述攪拌摩擦焊過程中的核心區(qū)溫度分布。攪拌摩擦焊溫度場的測(cè)量方法有很多，常用的有熱電偶和紅外熱像儀測(cè)溫。通過在工件中打孔插入熱電偶獲得焊接溫度場的方法局限于試驗(yàn)研究，無法用于實(shí)際生產(chǎn)。在攪拌頭中插入熱電偶用于焊接過程溫度測(cè)量的方法可以用于工業(yè)生產(chǎn)中但其對(duì)攪拌頭的損傷大，影響攪拌頭的使用壽命。紅外熱像儀只能對(duì)焊接過程中焊材的表面溫度進(jìn)行測(cè)量。通過有限元仿真技術(shù)，對(duì)焊接過程進(jìn)行建模，能夠獲得攪拌摩擦焊的核心區(qū)溫度分布，但僅使用仿真難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際焊接過程中核心區(qū)溫度在位表征。發(fā)明內(nèi)容[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明一種基于紅外熱像儀的攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度表征方法，獲得的焊接過程核心區(qū)溫度能夠?yàn)楹附訖C(jī)理研究提供基礎(chǔ)。首先通過建立FSW有限元仿真模型來獲取表面特征點(diǎn)溫度和核心區(qū)峰值溫度與最低溫度的數(shù)據(jù)集；再使用SR算法建立焊件表面溫度與核心區(qū)溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系；最后在FSW過程中使用紅外熱像儀實(shí)時(shí)測(cè)得焊件表面特征點(diǎn)溫度，結(jié)合焊件表面溫度與核心區(qū)溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)核心區(qū)溫度的在位表征。[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：[0006] 一種基于紅外熱像儀的攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度在位表征方法，運(yùn)用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立攪拌摩擦焊過程有限元仿真模型，獲取加工過程中焊件表面特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)峰值溫度最低溫度的數(shù)據(jù)集，使用SR算法對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到了焊接過程中軸肩周圍焊件表面特征點(diǎn)溫度和核心區(qū)峰值溫度最低溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系；進(jìn)行單軸肩攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，使用紅外熱像儀測(cè)得加工過程中焊件表面特征點(diǎn)溫度；將紅外熱像儀實(shí)時(shí)測(cè)量的焊件表面特征點(diǎn)溫度同基于SR算法建立的焊件表面溫度與核心區(qū)溫度關(guān)聯(lián)關(guān)系模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊加工過程中核心區(qū)峰值溫度和最低溫度的預(yù)測(cè)；方法的具體步驟如下：[0007] 步驟1：建立攪拌摩擦焊過程有限元仿真模型；[0008] 步驟2：從建立的有限元仿真模型中提取攪拌摩擦焊焊接過程中表面特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)峰值溫度和最低溫度的數(shù)據(jù)集；[0009] 步驟3：設(shè)計(jì)支持向量回歸機(jī)算法模型；[0010] 給定訓(xùn)練數(shù)據(jù)(x1，y1)，…，(xN，yN)構(gòu)成輸入空間；其中，xi(i＝1,…,N)，為焊件的表面特征點(diǎn)溫度，是一個(gè)一維輸入量；yi(i＝1,…,N)為核心區(qū)溫度值包括核心區(qū)峰值溫度和最低溫度，是一個(gè)一維目標(biāo)量；SR算法采用非線性變換 把原始輸入空間中的數(shù)據(jù)映射到一個(gè)高維特征空間中，再在這個(gè)高維特征空間中使用ε不敏感損失函數(shù)進(jìn)行線性回歸，從而得到目標(biāo)量與輸入量在原空間內(nèi)的非線性回歸效果即建立焊件表面溫度與核心區(qū)溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系；在高維特征空間中構(gòu)造的最優(yōu)線性函數(shù)為：[0011] f(x)＝wT*φ(x)+b(1)[0012] 式中w為權(quán)值向量；b為偏置項(xiàng)；ε不敏感損失函數(shù)的定義為：[0013][0014] SR優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：[0015][0016] 其中C>0為懲罰系數(shù)，決定了對(duì)誤差大于ε的懲罰程度；為每個(gè)樣本點(diǎn)引入松弛變*量ξi，ξi有：

[0017][0018] 為求解式(4)，構(gòu)造Lagrange函數(shù)：[0019][0020] 其中，α＝[α1,…,αN]T≥0， 為Lagrange乘子；分別對(duì)w，b求偏微分并令它們等于0，可得式(5)的對(duì)偶問題為：

[0021][0022] 其中k(xi,xj)為核函數(shù)，選用RBF核函數(shù)，其具有光滑性好、徑向?qū)ΨQ與參數(shù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，函數(shù)如下所示：[0023][0024] 其中σ＞0是可調(diào)的核參數(shù)；[0025] 對(duì)式(6)進(jìn)行求解可得SR的回歸估計(jì)如下所示：[0026][0027] 步驟4：設(shè)置支持向量回歸機(jī)算法模型的參數(shù)與核函數(shù)，輸入焊件表面特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)溫度數(shù)據(jù)，區(qū)分訓(xùn)練集和測(cè)試集；[0028] 步驟5：以均方根差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)步驟3中的支持向量回歸機(jī)算法模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試；[0029] 步驟6：將紅外熱像儀布置在機(jī)床主軸前方，進(jìn)行單軸肩攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，通過紅外熱像儀獲得焊接過程中焊件表面特征點(diǎn)溫度，使用訓(xùn)練好的支持向量回歸機(jī)算法模型，將紅外熱像儀測(cè)得的焊件前進(jìn)側(cè)后退側(cè)特征點(diǎn)溫度作為輸入，實(shí)現(xiàn)焊接過程中核心區(qū)峰值溫度與最低溫度的預(yù)測(cè)。[0030] 本發(fā)明的有益效果：通過實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合的方法對(duì)攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度場進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立了基于支持向量回歸機(jī)的攪拌摩擦焊過程中焊件表面溫度與核心區(qū)溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊加工過程中核心區(qū)溫度的預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說明了這種方法的有效性，獲得的核心區(qū)溫度有助于研究核心區(qū)溫度對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律。附圖說明[0031] 圖1是裝配完成的三維仿真模型；[0032] 圖2是隨溫度變化的2219鋁合金材料參數(shù)；[0033] 圖3是網(wǎng)格劃分完成后的仿真模型；[0034] 圖4是核心區(qū)峰值溫度提取示意圖；[0035] 圖5是前進(jìn)側(cè)特征點(diǎn)示意圖；[0036] 圖6是核心區(qū)最低溫度提取示意圖；[0037] 圖7是后退側(cè)特征點(diǎn)示意圖；[0038] 圖8是使用支持向量回歸機(jī)算法預(yù)測(cè)的核心區(qū)峰值溫度與最低溫度示意圖。具體實(shí)施方式[0039] 下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。[0040] 本實(shí)施例中以2219鋁合金為焊接材料，2219鋁合金有著良好的高溫力學(xué)性能、焊接性能、抗應(yīng)力腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中。[0041] 從仿真模型中提取表面溫度與核心區(qū)溫度數(shù)據(jù)集并使用SR算法建立二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系，再結(jié)合基于熱像儀測(cè)得的FSW焊件表面溫度，實(shí)現(xiàn)了FSW核心區(qū)溫度在位表征，具體步驟如下：[0042] (1)建立FSW過程有限元仿真模型。[0043] 幾何模型：使用SolidWorks建立焊件與攪拌頭模型并導(dǎo)入DEFORM軟件中進(jìn)行裝配。攪拌頭參數(shù)如下表所示，焊件材料為2219鋁合金，尺寸為100mm×150mm×18mm。DEFORM中裝配完成后的三維仿真模型如圖1所示。[0044] 表1攪拌頭參數(shù)[0045][0046] 材料參數(shù)：[0047] 2219鋁合金化學(xué)成分如表2所示，使用JmatPro軟件計(jì)算隨溫度變化的材料參數(shù)，隨溫度變化的材料參數(shù)如圖2所示。[0048] 表22219鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)[0049][0050] 使用J?C本構(gòu)模型描述材料流動(dòng)應(yīng)力隨溫度與應(yīng)變速率的變化。公式如下所示：[0051][0052][0053] 式中，ε是等效塑性應(yīng)變， 為相對(duì)塑性應(yīng)變率， 其中，為實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率，為參考應(yīng)變率，Troom為室內(nèi)溫度，Tmelt為材料熔點(diǎn)。2219鋁合金J?C本構(gòu)方程各參數(shù)如表3所示。[0054] 表32219鋁合金Johnson?Cook特性參數(shù)[0055][0056] 攪拌頭材料為H13工具鋼，材料本構(gòu)方程使用DEFORM軟件自帶材料庫中的數(shù)據(jù)，其他材料參數(shù)如表4所示：[0057] 表4H13工具鋼材料參數(shù)[0058][0059][0060] 邊界條件：[0061] 邊界條件分為機(jī)械邊界條件與熱邊界條件。機(jī)械邊界條件設(shè)置中，限制焊件底面Z方向的移動(dòng)自由度，限制焊件側(cè)面X與Y方向的移動(dòng)自由度避免焊件在仿真過程中產(chǎn)生位移。將攪拌頭、焊件與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為0.02N/(mm·s·℃)，焊件底面與墊板的傳熱系數(shù)設(shè)置為5N/(mm·s·℃)。[0062] 摩擦模型：[0063] 隨著焊接過程進(jìn)行，焊件與攪拌頭接觸區(qū)域溫度升高，強(qiáng)度較低的焊件材料表面被部分剪切。摩擦作用下，部分焊件材料會(huì)粘著在攪拌頭表面。為了更準(zhǔn)確的描述焊接過程中攪拌頭與焊件接觸區(qū)域之間的狀態(tài)，所建立的摩擦模型使用隨溫度變化的剪切摩擦模型。公式如下所示：[0064] τ＝mk(10)[0065] 式中，m為剪切摩擦系數(shù)，k是材料的剪切強(qiáng)度。隨溫度變化的摩擦系數(shù)如表5所示。[0066] 表5不同溫度時(shí)2219鋁合金與攪拌頭之間的摩擦系數(shù)[0067][0068] 網(wǎng)格劃分：[0069] 網(wǎng)格類型與尺寸的選擇是有限元分析精度非常重要的一個(gè)影響因素，模型需要進(jìn)行攪拌頭與焊件的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的數(shù)量會(huì)影響仿真計(jì)算時(shí)間，對(duì)焊件與攪拌頭接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其他區(qū)域使用較粗網(wǎng)格降低仿真時(shí)間。網(wǎng)格劃分完成的仿真模型如圖3所示。[0070] 基于所建立的仿真模型進(jìn)行了攪拌頭轉(zhuǎn)速為500r/min、焊接速度為75mm/min、下壓速度為15mm/min，攪拌頭傾角2.5°，下壓量為0.2mm的仿真，獲得了這組焊接工藝參數(shù)下溫度場。[0071] (2)從建立的FSW過程的仿真模型中提取焊件表面溫度與核心區(qū)溫度的數(shù)據(jù)集。[0072] FSW核心區(qū)峰值溫度分布于軸肩下方如圖4所示的位置，基于上述步驟建立的FSW有限元仿真模型，從中提取的焊件表面前進(jìn)側(cè)特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)峰值溫度數(shù)據(jù)集如表6所示，其中前進(jìn)側(cè)特征點(diǎn)的位置如圖5所示。FSW核心區(qū)最低溫度分布于焊板底面如圖6所示的位置，從FSW模型中提取焊件后退側(cè)特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)最低溫度數(shù)據(jù)集如表6所示，其中后退側(cè)特征點(diǎn)的位置如圖7所示。[0073] 表6表面溫度與核心區(qū)溫度數(shù)據(jù)(℃)[0074][0075][0076] (3)進(jìn)行FSW實(shí)驗(yàn)，使用熱電偶與紅外熱像儀分別測(cè)得核心區(qū)溫度與焊件表面溫度。[0077] 使用熱電偶獲取FSW加工過程中核心區(qū)的峰值溫度與最低溫度以檢驗(yàn)本方法的表征精度。選用K型熱電偶作為測(cè)溫元件，溫度變送器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行非線性校正，PCI?1747U數(shù)據(jù)采集卡采集溫度信號(hào)，并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中；熱電偶布置在距上表面1.5mm，距焊縫中心115mm和距下表面1.5mm，距焊縫中心119mm的特征點(diǎn)，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)對(duì)稱排布。[0078] 實(shí)驗(yàn)中使用尺寸為300mm×120mm×18mm的2219鋁合金焊板，在焊板的側(cè)面打孔以便埋入熱電偶，將熱像儀布置在焊件的正前方，同主軸的夾角30°，進(jìn)行單軸肩攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，設(shè)置攪拌頭轉(zhuǎn)速為500r/min、焊接速度為75mm/min、下壓速度為15mm/min，攪拌頭傾角2.5°，實(shí)驗(yàn)中由工作臺(tái)移動(dòng)完成進(jìn)給，機(jī)床主軸與熱像儀的相對(duì)位置保持不變，獲取FSW過程中焊件表面特征點(diǎn)溫度如下表所示：[0079] 表7前進(jìn)側(cè)特征點(diǎn)溫度(℃)[0080][0081] 表8后退側(cè)特征點(diǎn)溫度(℃)[0082][0083] (4)建立表面溫度與核心區(qū)溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，并結(jié)合熱像儀測(cè)得的表面溫度實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊過程中核心區(qū)溫度在位表征。[0084] SR算法如下所示：[0085] 依據(jù)表6中給出焊件表面前進(jìn)側(cè)特征點(diǎn)溫度與核心區(qū)峰值溫度，以表面前進(jìn)側(cè)特征點(diǎn)溫度為輸入量，核心區(qū)峰值溫度為目標(biāo)量，使用SR算法建立二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合使用熱像儀測(cè)得的FSW焊件表面前進(jìn)側(cè)特征點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)核心區(qū)峰值溫度的預(yù)測(cè)，同理使用SR算法建立后退側(cè)特征點(diǎn)與核心區(qū)最低溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合使用熱像儀測(cè)得的FSW焊件后退側(cè)特征點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)核心區(qū)峰值溫度的預(yù)測(cè)。使用這種方法獲得的核心區(qū)峰值溫度與最低溫度表征結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中使用熱電偶測(cè)得的核心區(qū)峰值溫度與最低溫度同基于SR算法預(yù)測(cè)的溫度結(jié)果如表9所示，這種方法的核心區(qū)預(yù)測(cè)精度如表10所示。[0086] 表9核心區(qū)溫度預(yù)測(cè)值(℃)[0087][0088] 表10焊件核心區(qū)峰值溫度與最低溫度預(yù)測(cè)精度[0089][0090] 針對(duì)2219鋁合金的FSW，首先使用DEFORM建立了FSW的有限元仿真模型并從其中提取出表面溫度與核心區(qū)峰值溫度與最低溫度的數(shù)據(jù)集，然后使用SR算法建立起表面溫度與核心區(qū)峰值溫度與最低溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最后進(jìn)行了單軸肩攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，結(jié)合紅外熱像儀測(cè)得的焊件表面溫度實(shí)現(xiàn)了FSW核心區(qū)峰值溫度與最低溫度的預(yù)測(cè)，與熱電偶測(cè)得的溫度結(jié)果對(duì)比，這種方法的誤差小于5％，精度較高，可以證明這種基于紅外熱像儀的攪拌摩擦焊核心區(qū)溫度在位表征方法的有效性。