[科普中国]-焊接温度场

简介

焊接温度场实时检测一直未能解决，这主要是温度场检测本身就十分困难，它存在对检测距离、目标材料发射率等依赖性比较大的问题，而焊接过程中热过程的瞬时性、局部性、热源运动及熔池液体金属激烈运动等使得焊接温度场检测更加困难。目前焊接过程的研究已从宏观过程控制深入到焊接微观质量控制中，同焊接宏观质量控制一样，微观质量控制的主要困难是获得表征这些微观质量的传感技术。焊接温度场的分布，决定了焊接的热循环，在材料成分一定的情况下也决定了焊接微观组织皮其变化，决定了焊缝及其热影响区的宏观性能，因此焊接温度场能够比较全面和深入反映焊接质量，它的实时检测及热循环参数的提取对实现焊接微观质量控制具有重要的意义1。

影响温度场的因素很多，如热源的性质和功率、被焊金属的热物理性质（导热系数等）、焊接工艺参数（焊接速度、板厚、接头形式、坡口、预热、间隙）等。例如，与薄板相比，厚板由于散热快而使热影响区的宽度要小得多。

首先介绍了图像比色法焊接温度场实时检测系统构成及检测原理，研究了从温度场中提取焊接热循环参数的方法，实现了焊缝背面等温线宽度的闭环控制并取得了良好的控制效果，这种闭环控制系统实际上同时解决了热循环参数闭环控制和焊接熔透闭环控制的问题。

焊接温度场检测系统构成及基本原理图像比色法温度场检测系统，主要由双色传感器、计算机双色热图像处理系统组成。其中关键是双色传感器，它由光学成像器件、双色调制盘、ICCD探测器等构成。系统检测过程是：物体辐射经过光学成像器件并由双色调制盘高速旋转调制在ICCD上交替形成双色热图像，使用计算机图像处理系统滤波等处理，之后进行双色灰度比值得到目标物体温度场分布。

目标物体辐射源经过包括双色调制盘在内的光学成像系统在ICCD光敏面上，然后经过ICCD光电转换成电荷量。

ICCD的响应特性和物体的温度，对于设计定型的检测系统，双色热图像灰度比色值分布与温度场分布有一一对应的关系，因此可以利用ICED双色热图像进行比色处理来实时检测温度场分布2。

焊接温度场实时检测及热循环参数提取由于焊接温度场的温度范围比较大而ICCD动态范围比较小，因此焊接温度场实时检测存在很大困难。这里对焊缝及热影响区分成三个区域：高温区、中温区、低温区，相应传感器中ICCD的曝光时间分别为0.1ms，0．5ms，2ms。经过分区检测处理连接后可以得到整个温度场分布，系统检测时间在0.5s之内，检测温度范围为800℃-1400℃ ，对于单个温度区的检测时间小于0.15s，完全满足焊接温度场实时检测及控制要求。

采用TIG焊接方法的实时检测焊接温度场分布，焊接条件是：焊件为低碳钢60mm×50mm×2mm。保护气体为氩气，流量是0.5m³/h，焊接电压12V，焊接电流60A，焊接速度5mm/s，电极为钨极。从焊接温度场可以获得很多信息如任意等温线的分布、焊接方向温度分布、焊接横截面温度分布，因此能够得到焊接熔化区大小、焊接热影响区太小、焊缝及热影响区任意一点的热循环。

在稳定的焊接规范下，焊接温度场认为是准静态温度场，在焊接方向任意一条直线上的温度分布可以认为是该直线上任意一点所经历的温度变化，也就是该点的热循环过程3。

焊接温度场等温线宽度的闭环控制系统等温线宽度的控制对于焊接质量控制具有重要的意义，如对于焊接背面接近熔点温度(对于低碳钢如1350℃)的等温线宽度进行控制，实际上就是完成了完全熔透的背面焊缝宽度控制，同样也可以对热影响区某区域大小进行控制，从而实现焊缝及热影响区的微观组织控制。控制系统的输入量选择焊接电流，输出量为焊接温度场。根据对象的特性对PID参数进行初值估计。闭环控制之后进行在线优化。

温度场等温线宽度的闭环控制实际上也是给定焊接背面离焊缝中心一定距离点的热循环参数最高温度闭环控制．这样对焊接温度场等温线宽度的闭环控制的同时实际上完成了焊接热循环最高温度参数的闭环控制1。

闭环控制系统性能试验焊接是非常复杂的过程，为了获得良好的焊接质量，控制系统应具有抗各种干扰能力。干扰的形式包括焊件厚度的变化、焊接速度的变化、对接缝隙的变化、焊接材料的改变等。这里主要将就抑制三种干扰：焊件厚度变化、焊接速度变化、对接缝隙变化进行试验研究。

焊件厚度变化焊件厚度的变化，对于恒速焊接来说将导致焊缝宽度的变化：厚度大的地方焊缝宽度较小，而厚度小的地方焊缝宽度较大。为了获得背面均匀的焊缝宽度，对焊接电流进行控制。

对接焊控制试验对接焊是常用的坡口焊接形式。影响对接焊因素有焊件厚度、对接缝隙，在恒定的焊接电流情况下。将得到背面不同宽度的焊缝。开始端无缝隙。结束端有0.6mm的间隙，尽管对接焊件的缝隙变化，但背面焊缝宽度还是比较均匀，达到了控制的目的1。

总结通过焊接温度场分区处理，可以获得整个温度场分布，检测时间在0.5s之内．温度范围为800℃-1400℃ ，单个区域检测时间小于0.15s，满足焊接温度场实时检测及控制要求。从实时检测的温度场中可以获得焊接区域任意一点的热循环参数，为焊接微观质量控制提供了基础。对等温线宽度控制也就是热循环参数最高温度控制可以达到对焊接背面焊缝宽度的控制，即完全熔透控制。控制系统具有良好的响应性能和抗干扰性能，可以在焊件厚度、焊接速度、工件缝隙等变化时仍可获得全熔透比较均匀的背面焊缝宽度1。