熱電偶測(cè)溫技術(shù)在埋弧焊溫度場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用

0前言
       焊接作為一種材料連接方法，廣泛地應(yīng)用于船舶、車輛、橋梁、鍋爐等工業(yè)產(chǎn)品，以、及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工上程等領(lǐng)域。焊接時(shí)，被焊金屬在熱源作用下發(fā)生加熱和局部熔化。因此，在被焊金屬中必然存在熱量的傳播和分布問題，通常稱之為焊接熱過程，這個(gè)熱過程使得焊件焊縫局部區(qū)域的金屬要經(jīng)歷加熱熔化和隨后的連續(xù)冷卻過程,形成-個(gè)焊接溫度場(chǎng)。焊接溫度場(chǎng)通常是一個(gè)動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，焊接過程中焊件上各點(diǎn)的溫度每一瞬間都在變化，而且是有規(guī)律的變化。影響焊接溫度場(chǎng)的主要因素包括熱源的性質(zhì)(即焊接方法)、焊接線能量、被焊金屬的熱物理性質(zhì)、焊件的厚度和形狀。而上述這些溫度場(chǎng)影響因素就決定了這一熱循環(huán)過程的主要參數(shù)，如加熱速度wH、加熱的峰值溫度Tm、相變溫度停留時(shí)間th、冷卻速度wc和冷卻時(shí)間tg/s，ttoo，從而影響焊縫及其.熱影響區(qū)金屬的組織轉(zhuǎn)變過程，最終影響焊接接頭性能。
       在焊接溫度場(chǎng)中，離焊縫熔合線越近的點(diǎn)，加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越大，并且所有各點(diǎn)的加熱速度都比冷卻速度要大得多。這表示焊接接頭熱影響區(qū)的金屬都經(jīng)歷了一個(gè)特殊的熱處理過程，產(chǎn)生了相變、晶粒長(zhǎng)大、應(yīng)力和變形等，從而對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)金屬的組織和性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。熱影響區(qū)是一個(gè)具有組織梯度和性能梯度的非均勻性連續(xù)體，與母材相比其塑性和韌性下降顯著，這是由于該區(qū)處在焊縫和母材的過渡部位，不僅具有明顯的物理化學(xué)不均勻性，而且在焊趾和焊根處出現(xiàn)咬邊和裂紋等集合不均勻性造成的應(yīng)力集中，因而焊接熱影響區(qū)是整個(gè)焊接接頭中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。如:某些管線鋼焊后產(chǎn)生熱影響區(qū)軟化或過熱區(qū)的脆化等現(xiàn)象。
       焊接熱循環(huán)曲線固然可以借助焊接熱過程理論公式T=f(x,y,z,t)計(jì)算出來(lái)，但由于計(jì)算時(shí)所采用的假定條件與實(shí)際焊接條件出人較大，計(jì)算所得的理論熱循環(huán)曲線對(duì)比實(shí)際測(cè)得的曲線仍有很大誤差，故在實(shí)際中多用實(shí)測(cè)的方法來(lái)獲得熱循環(huán)曲線。正確地測(cè)量焊縫熱影響區(qū)各個(gè)分區(qū)的熱循環(huán)曲線是進(jìn)行焊接冶金分析、焊接應(yīng)力應(yīng)變、彈塑性動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，也是焊接數(shù)值模擬計(jì)算及焊接熱影響區(qū)金相組織、力學(xué)性能、焊接應(yīng)力應(yīng)變等預(yù)測(cè)的前提。因此，實(shí)際測(cè)量并正確控制焊接熱循環(huán)，對(duì)于控制焊縫及其熱影響區(qū)金屬的組織和性能具有重要意義。
1焊接熱循環(huán)測(cè)量原理及方法
       焊接是在高溫下工作的工藝過程，其熔池溫度在2000-2500℃,熔合區(qū)及過熱區(qū)(粗晶區(qū))溫度在1100~1400℃,重結(jié)晶區(qū)溫度在900~1100℃,不完全重結(jié)晶區(qū)溫度在700-900℃，時(shí)效脆化區(qū)溫度在300~730℃。焊接溫度場(chǎng)通常是一個(gè)動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，具有溫度梯度大、變化速度快的特點(diǎn)。通常將溫度在630℃以上稱為高溫，因此焊接溫度場(chǎng)測(cè)量屬于高溫測(cè)量。
       高溫測(cè)量方法大體.上可分為接觸式和非接觸式兩類。接觸測(cè)量使用傳感器與被測(cè)對(duì)象相接觸的方式，測(cè)量較為正確，實(shí)現(xiàn)容易，使用靈活;缺點(diǎn)是只能測(cè)量點(diǎn)溫，測(cè)溫元件容易在高溫下受損，且會(huì)干擾測(cè)量區(qū)的溫度場(chǎng)。非接觸測(cè)量中測(cè)溫元件不與被測(cè)物接觸，其傳熱慣性小，不會(huì)破壞被測(cè)物的溫度場(chǎng)和造成感溫元件的損耗，若將該方法與圖象處理技術(shù)相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)二維和三維溫度場(chǎng)的快速實(shí)時(shí)測(cè)量，全面、形象地反映焊接溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，因此非接觸式測(cè)溫成為未來(lái)高溫測(cè)量的發(fā)展方向，在焊接溫度場(chǎng)測(cè)量中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。
       在非接觸式測(cè)定法中，近年來(lái)發(fā)展了紅外測(cè)溫及熱成像技術(shù)。這種方法的原理是從弧焊熔池的正面或背面，攝取溫度場(chǎng)的熱像，然后把熱像分解成許多像素，通過電子束掃描實(shí)現(xiàn)光電和電光轉(zhuǎn)換，在顯像管屏幕上獲得灰度等級(jí)不同的點(diǎn)構(gòu)成的圖像，該圖像間接反映了焊接區(qū)的溫度場(chǎng)變化，經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理和換算，便可得出某一瞬間或動(dòng)態(tài)過程的真實(shí)溫度場(chǎng)。這種測(cè)定方法:的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)定裝置不直接接觸被測(cè)物體，不會(huì)攪動(dòng)和破壞被測(cè)物體的溫度和熱平衡，響應(yīng)時(shí)間快，靈敏度高，并且可以連續(xù)測(cè)溫和自動(dòng)記錄。目前在國(guó)內(nèi)已開展了這方面的研究，但由于這種測(cè)定法需要較復(fù)雜的設(shè)備和技術(shù)，所以尚未大量推廣。
       在接觸式測(cè)溫中目前常用是熱電偶測(cè)溫。它是建立在熱電偶兩端由于溫度差而產(chǎn)生熱電勢(shì)的基礎(chǔ)上。測(cè)溫時(shí)把熱電偶的熱結(jié)點(diǎn)焊在被測(cè)點(diǎn)上，熱電偶的另一端接在測(cè)溫儀上，焊接時(shí)由于熱結(jié)點(diǎn)受熱產(chǎn)生熱電勢(shì)，并把這個(gè)電勢(shì)作為測(cè)溫儀的輸人信號(hào)，經(jīng)放大后由測(cè)溫儀自動(dòng)記錄下來(lái)，并利用內(nèi)部固化的熱電勢(shì)溫度換算表進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，即可直接輸出測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)表或熱循環(huán)曲線。由于熱電偶測(cè)溫裝置簡(jiǎn)單，易于操作及維護(hù)，測(cè)量時(shí)不必知道被測(cè)物的熱力學(xué)參數(shù)及輻射性態(tài)，測(cè)溫結(jié)果有較高的精度和重復(fù)性，因而仍是目前焊接研究中主要的測(cè)溫方法。
2埋弧焊熱循環(huán)曲線測(cè)量方法
       國(guó)內(nèi)外對(duì)氬弧焊、氣保焊、激光焊等明弧焊接方法的焊接溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)(如紅外測(cè)溫、紅外熱成像等)進(jìn)行了大量的研究，取得了大量的研究成果，并在生產(chǎn)實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。但是埋弧焊的熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究卻很少見，尤其埋弧焊焊接熱輸人量大，焊接加熱和冷卻對(duì)焊接:熱影響區(qū)組織和性能的影響很大，因此埋弧焊熱影響區(qū)的熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量越來(lái)越受到重視。
焊接熱影響區(qū)是-一個(gè)小范圍的局部區(qū)域，埋弧焊熱影響區(qū)一般只有幾毫米。埋弧焊由于焊縫及其熱影響區(qū)上面覆蓋較厚的焊劑層，焊劑對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)造成直接的遮擋，所以非接觸式紅外測(cè)溫和熱成像測(cè)溫技術(shù)不適用于埋弧焊正面焊縫及其熱影響區(qū)的溫度場(chǎng)測(cè)溫;同時(shí)由于管線鋼母材一般厚度較大，正面焊接時(shí)熔深大約為鋼板厚度的3/5，所以焊道背面的鋼板表面上也不會(huì)出現(xiàn)焊縫熱影響區(qū)的高溫溫度場(chǎng)，所以從焊縫背面鋼板表面對(duì)埋弧焊進(jìn)行紅外測(cè)溫或熱成像測(cè)溫也是不適用的。因此，要正確地測(cè)定埋弧焊熱影響區(qū)熱循環(huán)參數(shù)并不是一件容易的事。
       經(jīng)過上述分析，認(rèn)為熱電偶可以埋人焊劑對(duì)焊件進(jìn)行接觸測(cè)溫，所以其更加適合于埋弧焊溫度場(chǎng)測(cè)量。為了方便起見，我們先采用正面焊縫熱影響區(qū)測(cè)溫方案。首先對(duì)某個(gè)壁厚四絲埋弧焊鋼管的焊縫宏觀金相試樣中的焊縫熔寬及熱影響區(qū)寬度尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求得鋼板表面焊縫熔寬及熱影響區(qū)寬度的平均值，四絲埋弧焊表面熱影響區(qū)(從熔合線到不完全重結(jié)晶區(qū)外邊界)寬度大約在3~4mm,在該熱影響區(qū)寬度范圍內(nèi)畫一條斜線,在這條斜線上均布幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，如圖1所示。

       根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，將該測(cè)溫試板焊接在直縫埋弧焊管熄弧板位置上，在焊接生產(chǎn)線上進(jìn)行了多絲埋弧焊測(cè)溫試驗(yàn)。該試驗(yàn)沒有成功，主要是因?yàn)槁窕『竸┤刍?，熔融的焊劑寬度基本將整個(gè)鋼板表面焊縫熱影響區(qū)覆蓋，造成布置在熱影響區(qū)的熱電偶短路,致使測(cè)溫試驗(yàn)失敗。經(jīng)過分析認(rèn)為采用熱電偶對(duì)埋弧焊熱影響區(qū)進(jìn)行表面測(cè)溫的方案是不可行的。
       經(jīng)過進(jìn)一步的研究和分析，最終選擇了焊縫背面打孔測(cè)溫方案。測(cè)溫方案中熱電偶及測(cè)溫點(diǎn)布置如圖2和圖3所示。

3埋弧焊測(cè)溫試板背面打孔熱電偶測(cè)溫步驟
       下面以壁厚18.4mm的直縫埋弧焊管焊接熱循環(huán)曲線測(cè)量為例，介紹背面打孔熱電偶測(cè)溫的步驟。
(1)對(duì)壁厚18.4mm的直縫埋弧焊管焊縫進(jìn)行取樣，為了減少測(cè)量造成的誤差，要盡可能多地取樣，加工成金相試樣，然后在金相顯微鏡下進(jìn)行分析。圖4為焊接接頭低倍宏觀照片。利用金相尺寸測(cè)量軟件測(cè)量焊接接頭熔深H，最后求得所測(cè)H的平均值為11.4mm。

(2)從同一批壁厚18.4mm鋼板上截取寬度350mm、長(zhǎng)度600mm的鋼板，并將該鋼板加工成如圖2和圖3所示的測(cè)溫試板。根據(jù)第1步測(cè)量的焊縫熔深的平均值，在測(cè)溫試板背面設(shè)計(jì)出一-組等間距等深度差的測(cè)溫孔，使焊接熱影響區(qū)的各個(gè)分區(qū)都有測(cè)溫點(diǎn)。其中6號(hào)孔的孔底深度正好和統(tǒng)計(jì)出來(lái)的平均熔深11.4mm位置重合，5,4,3,2,1號(hào)孔的深度依此比前-個(gè)孔淺0.5mm,考慮到熔深存在一定的波動(dòng)性，焊縫熔深統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中有部分熔深小于11.4mm(如10.7mm,11.2mm)為了盡量測(cè)到焊縫熔合線和粗晶區(qū)的熱循環(huán)曲線，減小熔深波動(dòng)對(duì)熱循環(huán)測(cè)量的影響，在6號(hào)孔后面增加了7號(hào)和8號(hào)孔，7號(hào)孔比6號(hào)孔加深0.5mm,8號(hào)孔比7號(hào)孔加深0.5mm。
(3)用儲(chǔ)能焊機(jī)把鉑銠-鉑熱電偶結(jié)球后點(diǎn)焊到加工好的測(cè)溫試板測(cè)溫孔的底平面上;采用釬焊將熱電偶與熱電偶補(bǔ)償線連接起米。
(4)將焊接好的多路熱電偶補(bǔ)償線另一端與多路測(cè)溫儀輸人端連接，構(gòu)成一個(gè)多路熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)。
(5)把焊好熱電偶的測(cè)溫試板焊接到待測(cè)溫焊管的熄弧板位置，并確保測(cè)溫試板的焊縫中心
和鋼管焊縫中心完全對(duì)正。
(6)用正常生產(chǎn)的焊接工藝規(guī)范進(jìn)行焊管及測(cè)溫試板的焊接，待焊縫溫度降低到室溫附近時(shí)，關(guān)閉測(cè)溫儀停止測(cè)溫并將整塊測(cè)溫試板從焊管上切下。
(7)多路測(cè)溫儀自動(dòng)記錄整個(gè)焊接過程熱循環(huán)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理軟件生成多路熱循環(huán)曲線。
(8)從測(cè)溫試板上取下熱電偶絲，用鋸床沿試板背面該組測(cè)溫孔的中軸線進(jìn)行切割，并將各測(cè)溫孔截而加工成金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下對(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行觀察，確定各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)在焊縫及熱影響區(qū)所處的位置，與各點(diǎn)熱循環(huán)曲線分別對(duì)應(yīng)后，即可獲得焊縫熱影響區(qū)不同位置處的熱循環(huán)曲線。
       表1為18.4mm厚鋼板多絲埋弧焊測(cè)溫試板各測(cè)溫點(diǎn)的熱循環(huán)峰值溫度。由表1可知，隨著熱電偶測(cè)溫點(diǎn)與焊縫距離的減小，其最高溫度值逐漸增大，直到接近焊縫金屬熔合區(qū)的溫度。表2為某測(cè)溫點(diǎn)的時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)，由表2可以看出，隨著焊接熱源的移動(dòng)，熱電偶測(cè)溫點(diǎn)處的升溫速度很快，但是降溫速度較慢。從測(cè)溫儀輸出的時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)表或熱循環(huán)曲線中可以計(jì)算出加熱速度W、加熱的峰值溫度T、相變溫度停留時(shí)間小、冷卻速度w。和冷卻時(shí)間les,1uo等焊接熱循環(huán)參數(shù)。圖5為18.4mm厚鋼板多絲埋弧焊各測(cè)溫點(diǎn)熱循環(huán)曲線。



4結(jié)論
(1)熱電偶測(cè)溫法解決了埋弧焊熱循環(huán)參數(shù)的測(cè)量難題，可以測(cè)得埋弧焊或其他焊接方法的焊縫熱影響區(qū)各分區(qū)熱循環(huán)參數(shù)，可以為焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合焊接CCT曲線圖可以進(jìn)行焊縫及熱影響區(qū)金相組織的計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)。
(2)該測(cè)溫系統(tǒng)輕巧便捷，便于移動(dòng)，可以實(shí)時(shí)記錄焊接溫度場(chǎng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)溫結(jié)果以excel表格(時(shí)間-溫度)或者時(shí)間-溫度熱循環(huán)曲線圖的形式輸出，便于得到各項(xiàng)焊接熱循環(huán)參數(shù)。
(3)通過該方法進(jìn)行的熱循環(huán)曲線測(cè)量，可以為焊接工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化、焊縫及熱影響區(qū)組織性能的改善提供重要的依據(jù)，對(duì)于提高埋弧焊管焊縫質(zhì)量具有非常重要的意義。