电子束真空室中的原位图像相关性

RWTH亚琛大学焊接技术和连接技术研究所（ISF）在合作研究中心1120“熔化精度”的子项目中调查了各种合金元素对残余应力分布的影响。为了能够研究组件的伸长率，通过原位图像相关性来观察表面膨胀。

图1 | 电子束焊接室（EB室）中图像相关性的结构。真空室内安装了一个大气室。-图片：RWTH亚琛大学焊接技术和连接技术研究所（ISF）

在这个项目中，压力应力是专门由冶金影响产生的，使用所谓的低转换温度（LTT）效应。这是通过局部体积膨胀完成的，通过在降低温度下延迟的马氏体相位转换来启动。重点是通过相位转换的过程控制来进行残余应力补偿，以在光束焊接过程中进行有针对性的热应变控制。为了能够观察过程中引起的组件膨胀，使用原位图像相关测量方法观察表面伸长率。

结构

所述的测试系列是在Steigerwald Strahltechnik的系统上进行的，最大加速度电压为150kV。结构钢S235JR（尺寸100x50x5mm）用ESAB的1mm实心线G25 20（EN ISO 14343-A：G25 20/AWS ER310）焊接成一层。这允许操纵接缝中的化学成分，并利用LTT效应。图像相关性是与Dantec Dynamics的Q-400系统进行的。由于该过程，电子束焊接过程在真空室中进行。在这个腔室中，既有焊接样品，也有照亮过程所需的照明（图1）。

图像捕获问题

要执行图像相关性，两台相机必须能够观察该过程。然而，这给在电子束室中使用光学测量方法带来了挑战。为了能够进行记录，必须考虑四个方面：a）相机的冷却，b）过程气体的污染，c）X射线辐射和d）光束焊接过程的自身照明。由于要检查的焊接过程是在真空室中进行的，因此相机的冷却很困难。由于真空，无法通过压缩空气进行对流冷却。此外，相机镜头/滤镜可能会通过工艺气体污染。此外，电子在样品表面的感染会产生X射线，这可能导致在较长的焊接过程中测量技术存在缺陷。最后，在焊接过程中产生强烈的自照明（工艺灯）。这防止了焊缝接近程度的吸收。

图片2 | 结构钢S355电子束焊接过程中的光谱记录-图片：Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG

为了能够使用相机进行过程记录并同时冷却，在真空室中设计并安装了一个大气室。大气室用压缩空气冲洗，以冷却测量技术。这个过程是通过腔室墙上的玻璃窗观察到的。这里的挑战是确保大气室的密封性，以便它能够承受真空室的负压。ISF开发的Optishield用于防止光学关键元素的污染。少量保护气体的供应确保了焊接过程的完美视频记录，因为保护气体的体积膨胀在玻璃窗前形成了一种保护铃。这使污垢远离焊接过程，即使用的气体量非常小，以至于EB室中的真空不会破裂。腔室内壁内衬有铅，至少可以保护相机的基本主体免受X射线的伤害。

防止自己的灯光

为了防止焊接过程的自照明，使用了强照明和带通滤波器的组合。为此，首先进行了焊接过程的光谱图像，以测量高于波长的发光强度（计数）（图2）。这表明最低的光强度存在于200到500纳米的波长范围内。因此，必须选择带有适当带通滤波器的照明，以便焊接过程的明亮辉光不会干扰。此外，照明必须具有高亮度，发光点必须足够大，才能均匀地照亮100x50mm样品的很大一部分。

图片3 | 图像相关相机的原始视频录制（l.：白光和450nm带通滤波器；r.：蓝光和470nm带通滤波器）-图像：Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG

由于在真空室中使用，照明不要过热也很重要。猎鹰照明的蓝色LED灯满足了所有这些标准。选择了FHSP系列的470nm聚光灯。为了确保大面积和均匀的光点，使用了两个相同的照明单元。相应的带通滤波器连接到相机镜头上，以过滤除470nm以外的所有波长范围。

结论

最后，对两次焊接测试进行了比较；将白色照明和450纳米带通滤波器的镜头与描述的照明选择进行了比较。当用白色照明记录过程时，可以看到强烈的过程照明（图3 l.）。在这里，不可能观察焊接过程以及焊接过程相关区域（热影响区），因为白光的发光强度不足以抑制过程照明。另一方面，通过使用蓝点照明，过程照明被470nm带通滤波器混合和过滤掉，该滤波器允许记录焊缝和热影响区（图3 r.）。可以证明，这种类型的记录可以进行电子束焊接过程的原位图像，并分析由于LTT效应造成的近表面伸长率。