一種用紅外熱成像儀測(cè)定焊接熱循環(huán)的新方法

安俊超，荊洪陽(yáng)，徐連勇，周春亮

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、船舶和橋梁等行業(yè)，焊接質(zhì)量主要取決于正確合理的焊接工藝．而焊接工藝的制定往往需要測(cè)量焊接熱循環(huán)曲線及特征參數(shù)．在焊接過程中，熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的過程稱為焊接熱循環(huán)，它是描述焊接過程中熱源對(duì)母材金屬的熱作用．焊接熱循環(huán)曲線包含了焊接接頭溫度變化和冷卻相變等重要的焊接冷卻過程信息，這些信息對(duì)于了解焊接冷卻相變過程、接頭組織、應(yīng)力變形和提高焊接質(zhì)量都具有重要意義[1-5]．焊接熱循環(huán)參數(shù)是分析焊接熱影響區(qū)組織與性能的重要數(shù)據(jù)，也是制定、評(píng)定和優(yōu)化焊接工藝的重要依據(jù)．因此，焊接熱循環(huán)的測(cè)試、計(jì)算和分析具有重要的理論意義和使用價(jià)值[6]．

測(cè)試焊接熱循環(huán)的傳統(tǒng)方法是使用熱電偶和X-Y函數(shù)記錄儀．該方法實(shí)時(shí)性差、精度低，同時(shí)由于機(jī)械慣性的影響，難以獲得具有明顯冷卻相變過程特征的熱循環(huán)曲線．另外，使用根據(jù)焊接傳熱學(xué)推導(dǎo)出來的數(shù)學(xué)模型也可以計(jì)算焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)，但這種計(jì)算過程繁瑣，誤差大，很難獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)．目前，已開發(fā)出單片機(jī)8301構(gòu)成的焊接熱循環(huán)測(cè)試儀，但實(shí)時(shí)性、精度和穩(wěn)定性有待提高. 隨著計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及軟件編程技術(shù)的發(fā)展，焊接熱循環(huán)和變形的測(cè)量方法開始向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，但其適用范圍及精度仍需進(jìn)一步提高[7-9]．為此，筆者采用美國(guó)FLIR紅外熱成像儀ThermaCAMTM-P65測(cè)定焊接過程溫度曲線，紅外熱成像儀具有熱靈敏度高、測(cè)溫準(zhǔn)確、溫度場(chǎng)分布及細(xì)節(jié)形象直觀、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可方便地測(cè)出焊接熱循環(huán)曲線．

1 焊接熱循環(huán)測(cè)定試驗(yàn)

1.1 測(cè)溫設(shè)備

測(cè)定溫度時(shí)采用的是美國(guó) FLIR紅外熱像儀ThermaCAMTM-P65(見圖 1)．該熱像儀能夠生成高分辨率的 14位熱圖像，同時(shí)它可以通過內(nèi)置可見光相機(jī)拍攝可見光圖像．P65具有 0.08,℃的熱靈敏度，可以清晰地捕捉到目標(biāo)物體細(xì)微的溫度變化，通過可選組件，其最高測(cè)量溫度可達(dá) 2,000,℃，使用先進(jìn)的320×240非制冷微熱量型探測(cè)器，其響應(yīng)時(shí)間僅在幾秒內(nèi)．實(shí)時(shí)、清晰的 14位高分辨率紅外圖像總共具有76,000個(gè)像素點(diǎn)．60,Hz的成像速率可以清晰掃描和檢測(cè)快速移動(dòng)的物體．

圖1 紅外熱成像儀ThermaCAMTM-P65Fig.1 Thermal infrared imager ThermaCAMTM-P65

1.2 焊接鋼材發(fā)射率的標(biāo)定

紅外熱成像儀測(cè)溫時(shí)必須輸入被測(cè)物體的發(fā)射率，因無法查到P92鋼的發(fā)射率，故采用試驗(yàn)標(biāo)定的方法獲得準(zhǔn)確的發(fā)射率．發(fā)射率標(biāo)定的具體步驟如下．

(1) 試驗(yàn)試樣的準(zhǔn)備．取一段 P92管材，10,cm×10,cm，在其表面上鉆一小盲孔(3,mm 深)，將熱電偶前端固定在小孔中，保證熱電偶所測(cè)溫度為鋼材表面溫度．

(2) 將熱電偶測(cè)溫設(shè)備線路接好，把試樣放入熱處理爐中，將爐門盡量關(guān)嚴(yán)，然后開始升溫，最終升到800,℃．熱成像儀軟件系統(tǒng)中輸入一個(gè)預(yù)估計(jì)發(fā)射率值0.75(普通鋼種的發(fā)射率)．

(3) 溫度穩(wěn)定在 800,℃后將試樣取出，置于常溫耐熱支撐物上，將紅外熱成像儀對(duì)準(zhǔn)試樣，對(duì)比熱成像儀測(cè)得的溫度值與熱電偶測(cè)得的溫度值，根據(jù)差值修改發(fā)射率值，使得最終兩套系統(tǒng)測(cè)得的溫度一致．

(4) 重復(fù)以上步驟3次，所得發(fā)射率即可認(rèn)為是P92鋼的發(fā)射率，本試驗(yàn)測(cè)得的值為0.9．

1.3 焊接測(cè)溫過程

1.3.1 焊接工藝

(1) 試驗(yàn)采用的 P92鋼管的規(guī)格：φ,355,mm×42,mm，鋼管以正火和回火狀態(tài)供貨，其規(guī)范為：正火1,040,/℃(4,h)、空冷，回火760,/℃(11,h)、空冷．

(2) 焊接方法．極氬弧焊(TIG)打底，焊條電弧焊( SMAW)填充、蓋面．

(3) 焊接材料．焊接材料采用規(guī)格為φ2.4,mm 的GTAW 焊絲打底，型號(hào)為 ER90S-B9；規(guī)格φ2.5,mm、φ3.2,mm的 SMAW 焊條焊接及蓋面，焊接材料型號(hào)為 E9015-G．

(4) 焊接工藝參數(shù)．焊接過程中，預(yù)熱溫度和層間溫度嚴(yán)格控制在 150～250,℃范圍內(nèi)，焊接規(guī)范參數(shù)如表1所示．

(5) 焊接熱過程工藝．焊接熱過程溫度曲線如圖2所示．通過熱處理爐進(jìn)行80～100,℃及760～770,℃焊后熱處理的保溫過程．

表1 焊接工藝規(guī)范參數(shù)Tab.1 Welding process specification parameters

圖2 焊接熱過程溫度曲線Fig.2 Temperature curve in welding thermal process

1.3.2 測(cè)溫過程

焊接過程中將所焊鋼管立于工架之上，由2個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的焊工沿環(huán)焊縫逆時(shí)針方向進(jìn)行焊接，每人焊接1/2圓周．在焊接過程中，同時(shí)通過紅外熱成像儀對(duì)焊道坡口中心區(qū)域進(jìn)行焊接過程的實(shí)時(shí)記錄．

測(cè)溫過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整熱成像儀與焊管之間的距離及方位，使熱成像儀視域中心位置與坡口中心位置重合，并盡量減少焊接過程中飛濺及煙塵對(duì)記錄結(jié)果的影響，以記錄更多的所關(guān)注區(qū)域(焊縫及HAZ)的溫度信息．

2 焊接熱過程的溫度數(shù)據(jù)處理

2.1 熱成像儀軟件處理

通過ThermaCAM? Researcher軟件對(duì)熱成像儀記錄下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到焊接過程中視域內(nèi)任意位置像素點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化曲線，也可以得到在任一時(shí)刻圖像中各像素點(diǎn)的溫度分布情況．

如圖3所示，圖中4條曲線表示的是管子外壁上熱影響區(qū)的 4個(gè)像素點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線，4個(gè)點(diǎn)與熔合線垂直距離分別為-0.5、0、0.5、1,mm(定義熔合線偏焊縫一側(cè)為負(fù)，偏母材一側(cè)為正)，對(duì)應(yīng)曲線由高到低．曲線波動(dòng)是由于焊接過程中飛濺的焊渣或產(chǎn)生的煙塵擋住了紅外熱成像儀的拍攝視線，造成熱成像儀記錄的數(shù)據(jù)不再是管子表面溫度，而是溫度較低的飛渣或者煙塵的溫度，從而使焊接熱循環(huán)曲線出現(xiàn)一定的波動(dòng)．

圖3 焊接過程中熱影響區(qū)焊接熱循環(huán)曲線Fig.3 Thermal cycling curves of heat-affected zone during welding process

圖 4所示為垂直于焊縫方向一段路徑上各點(diǎn)在焊接熱源經(jīng)過瞬間的溫度曲線．路徑最下端的點(diǎn)取熔合線上的點(diǎn)，路徑放大如圖5所示．

圖4中橫坐標(biāo)代表路徑各點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)代表溫度．該曲線也具有普遍代表性．圖 5是焊道在焊接過程中，當(dāng)熱源達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，在熱源中心經(jīng)過的位置上，取出與熱源移動(dòng)方向垂直的線上的點(diǎn)的瞬時(shí)溫度和相對(duì)距離坐標(biāo)值，所得相對(duì)距離與溫度的曲線，其溫度變化趨勢(shì)與圖4一致．

圖4 垂直焊縫方向上路徑的溫度曲線Fig.4 Temperature curve of the path perpendicular to welded seam

圖5 路徑放大圖Fig.5 High magnification image of the path

2.2 用OriginPro繪制處理后的焊接熱循環(huán)曲線

將紅外熱成像儀中與熔合線距離為0,mm點(diǎn)(見圖3)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)提出來，熱成像儀在每個(gè)像素點(diǎn)每秒鐘可記錄6個(gè)溫度數(shù)據(jù)，去除異常的溫度數(shù)據(jù)(突降的數(shù)據(jù))，將得到的溫度與時(shí)間數(shù)據(jù)用Origin繪制，得到的焊接熱循環(huán)曲線見圖6，其峰值溫度為1,839.9,K．

圖6 熔合線焊接熱循環(huán)曲線Fig.6 Thermal cycling curve of fusion line

3 ANSYS模擬焊接熱循環(huán)曲線

按照測(cè)溫過程中所用P92管實(shí)際尺寸規(guī)格，考慮其對(duì)稱性，ANSYS建模時(shí)取其一半建立幾何模型．焊接過程本身是一個(gè)加熱非常不均勻的過程，在焊縫處溫度梯度變化很大，劃分網(wǎng)格時(shí)一般在焊縫及其附近的部分采用密集的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，能量傳遞緩慢，溫度分布梯度變化相對(duì)較小，這時(shí)可以采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格．ANSYS所建模型如圖7所示．

圖7 焊管整體網(wǎng)格Fig.7 Mesh of welding pipe

焊接熱源移動(dòng)過程中，取熔合線上如圖 8所示點(diǎn)，在后處理過程中將熱源移過該點(diǎn)時(shí)所計(jì)算的數(shù)據(jù)提取出來，在Origin中與紅外熱成像儀數(shù)據(jù)得到的焊接熱循環(huán)曲線做對(duì)比，如圖9所示．

圖 9中 L1線是 ANSYS計(jì)算得出的熱循環(huán)曲線，L2為紅外熱成像儀記錄的熔合線處的熱循環(huán)曲線．通過比較可知，2條熱循環(huán)曲線幾乎同時(shí)到達(dá)溫度峰值，且溫度峰值基本一致，升溫和降溫的趨勢(shì)也趨于一致，模擬得到的熱循環(huán)曲線同紅外熱成像儀測(cè)得的熱循環(huán)曲線吻合良好．

圖8 網(wǎng)格中取熔合線上點(diǎn)的位置Fig.8 Point location on fusion line in mesh

圖9 ANSYS模擬與測(cè)得的熱循環(huán)曲線Fig.9 ANSYS simulated and the measured thermal cycling curves

4 結(jié) 論

(1) 紅外熱成像儀測(cè)定焊接熱循環(huán)曲線與傳統(tǒng)方法相比，測(cè)定過程更為方便、測(cè)溫精度更高、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)．

(2) 通過紅外熱成像儀可測(cè)出視域內(nèi)焊縫及熱影響區(qū)任意位置的熱循環(huán)曲線．

(3) ANSYS模擬計(jì)算的熔合線處焊接熱循環(huán)曲線與熱成像儀所測(cè)得的熔合線點(diǎn)焊接熱循環(huán)曲線吻合良好．

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