安俊超，荆洪阳，徐连勇，周春亮

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2. 天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072)

焊接技术广泛应用于石油化工、电力、船舶和桥梁等行业，焊接质量主要取决于正确合理的焊接工艺．而焊接工艺的制定往往需要测量焊接热循环曲线及特征参数．在焊接过程中，热源沿焊件移动时，焊件上某点温度随时间变化的过程称为焊接热循环，它是描述焊接过程中热源对母材金属的热作用．焊接热循环曲线包含了焊接接头温度变化和冷却相变等重要的焊接冷却过程信息，这些信息对于了解焊接冷却相变过程、接头组织、应力变形和提高焊接质量都具有重要意义[1-5]．焊接热循环参数是分析焊接热影响区组织与性能的重要数据，也是制定、评定和优化焊接工艺的重要依据．因此，焊接热循环的测试、计算和分析具有重要的理论意义和使用价值[6]．

测试焊接热循环的传统方法是使用热电偶和X-Y函数记录仪．该方法实时性差、精度低，同时由于机械惯性的影响，难以获得具有明显冷却相变过程特征的热循环曲线．另外，使用根据焊接传热学推导出来的数学模型也可以计算焊接热循环的主要参数，但这种计算过程繁琐，误差大，很难获得准确数据．目前，已开发出单片机8301构成的焊接热循环测试仪，但实时性、精度和稳定性有待提高. 随着计算机和传感技术、数据处理技术以及软件编程技术的发展，焊接热循环和变形的测量方法开始向着自动化、智能化的方向发展，但其适用范围及精度仍需进一步提高[7-9]．为此，笔者采用美国FLIR红外热成像仪ThermaCAMTM-P65测定焊接过程温度曲线，红外热成像仪具有热灵敏度高、测温准确、温度场分布及细节形象直观、实时性强等优点，可方便地测出焊接热循环曲线．

1 焊接热循环测定试验

1.1 测温设备

测定温度时采用的是美国 FLIR红外热像仪ThermaCAMTM-P65(见图 1)．该热像仪能够生成高分辨率的 14位热图像，同时它可以通过内置可见光相机拍摄可见光图像．P65具有 0.08,℃的热灵敏度，可以清晰地捕捉到目标物体细微的温度变化，通过可选组件，其最高测量温度可达 2,000,℃，使用先进的320×240非制冷微热量型探测器，其响应时间仅在几秒内．实时、清晰的 14位高分辨率红外图像总共具有76,000个像素点．60,Hz的成像速率可以清晰扫描和检测快速移动的物体．

图1 红外热成像仪ThermaCAMTM-P65Fig.1 Thermal infrared imager ThermaCAMTM-P65

1.2 焊接钢材发射率的标定

红外热成像仪测温时必须输入被测物体的发射率，因无法查到P92钢的发射率，故采用试验标定的方法获得准确的发射率．发射率标定的具体步骤如下．

(1) 试验试样的准备．取一段 P92管材，10,cm×10,cm，在其表面上钻一小盲孔(3,mm 深)，将热电偶前端固定在小孔中，保证热电偶所测温度为钢材表面温度．

(2) 将热电偶测温设备线路接好，把试样放入热处理炉中，将炉门尽量关严，然后开始升温，最终升到800,℃．热成像仪软件系统中输入一个预估计发射率值0.75(普通钢种的发射率)．

(3) 温度稳定在 800,℃后将试样取出，置于常温耐热支撑物上，将红外热成像仪对准试样，对比热成像仪测得的温度值与热电偶测得的温度值，根据差值修改发射率值，使得最终两套系统测得的温度一致．

(4) 重复以上步骤3次，所得发射率即可认为是P92钢的发射率，本试验测得的值为0.9．

1.3 焊接测温过程

1.3.1 焊接工艺

(1) 试验采用的 P92钢管的规格：φ,355,mm×42,mm，钢管以正火和回火状态供货，其规范为：正火1,040,/℃(4,h)、空冷，回火760,/℃(11,h)、空冷．

(2) 焊接方法．极氩弧焊(TIG)打底，焊条电弧焊( SMAW)填充、盖面．

(3) 焊接材料．焊接材料采用规格为φ2.4,mm 的GTAW 焊丝打底，型号为 ER90S-B9；规格φ2.5,mm、φ3.2,mm的 SMAW 焊条焊接及盖面，焊接材料型号为 E9015-G．

(4) 焊接工艺参数．焊接过程中，预热温度和层间温度严格控制在 150～250,℃范围内，焊接规范参数如表1所示．

(5) 焊接热过程工艺．焊接热过程温度曲线如图2所示．通过热处理炉进行80～100,℃及760～770,℃焊后热处理的保温过程．

表1 焊接工艺规范参数Tab.1 Welding process specification parameters

图2 焊接热过程温度曲线Fig.2 Temperature curve in welding thermal process

1.3.2 测温过程

焊接过程中将所焊钢管立于工架之上，由2个有经验的焊工沿环焊缝逆时针方向进行焊接，每人焊接1/2圆周．在焊接过程中，同时通过红外热成像仪对焊道坡口中心区域进行焊接过程的实时记录．

测温过程中，应根据现场情况调整热成像仪与焊管之间的距离及方位，使热成像仪视域中心位置与坡口中心位置重合，并尽量减少焊接过程中飞溅及烟尘对记录结果的影响，以记录更多的所关注区域(焊缝及HAZ)的温度信息．

2 焊接热过程的温度数据处理

2.1 热成像仪软件处理

通过ThermaCAM™ Researcher软件对热成像仪记录下的温度数据进行分析，可得到焊接过程中视域内任意位置像素点随时间的温度变化曲线，也可以得到在任一时刻图像中各像素点的温度分布情况．

如图3所示，图中4条曲线表示的是管子外壁上热影响区的 4个像素点随时间变化的温度曲线，4个点与熔合线垂直距离分别为-0.5、0、0.5、1,mm(定义熔合线偏焊缝一侧为负，偏母材一侧为正)，对应曲线由高到低．曲线波动是由于焊接过程中飞溅的焊渣或产生的烟尘挡住了红外热成像仪的拍摄视线，造成热成像仪记录的数据不再是管子表面温度，而是温度较低的飞渣或者烟尘的温度，从而使焊接热循环曲线出现一定的波动．

图3 焊接过程中热影响区焊接热循环曲线Fig.3 Thermal cycling curves of heat-affected zone during welding process

图 4所示为垂直于焊缝方向一段路径上各点在焊接热源经过瞬间的温度曲线．路径最下端的点取熔合线上的点，路径放大如图5所示．

图4中横坐标代表路径各点的相对坐标，纵坐标代表温度．该曲线也具有普遍代表性．图 5是焊道在焊接过程中，当热源达到准稳态时，在热源中心经过的位置上，取出与热源移动方向垂直的线上的点的瞬时温度和相对距离坐标值，所得相对距离与温度的曲线，其温度变化趋势与图4一致．

图4 垂直焊缝方向上路径的温度曲线Fig.4 Temperature curve of the path perpendicular to welded seam

图5 路径放大图Fig.5 High magnification image of the path

2.2 用OriginPro绘制处理后的焊接热循环曲线

将红外热成像仪中与熔合线距离为0,mm点(见图3)的温度场数据提出来，热成像仪在每个像素点每秒钟可记录6个温度数据，去除异常的温度数据(突降的数据)，将得到的温度与时间数据用Origin绘制，得到的焊接热循环曲线见图6，其峰值温度为1,839.9,K．

图6 熔合线焊接热循环曲线Fig.6 Thermal cycling curve of fusion line

3 ANSYS模拟焊接热循环曲线

按照测温过程中所用P92管实际尺寸规格，考虑其对称性，ANSYS建模时取其一半建立几何模型．焊接过程本身是一个加热非常不均匀的过程，在焊缝处温度梯度变化很大，划分网格时一般在焊缝及其附近的部分采用密集的网格，在远离焊缝的区域，能量传递缓慢，温度分布梯度变化相对较小，这时可以采用相对稀疏的单元网格．ANSYS所建模型如图7所示．

图7 焊管整体网格Fig.7 Mesh of welding pipe

焊接热源移动过程中，取熔合线上如图 8所示点，在后处理过程中将热源移过该点时所计算的数据提取出来，在Origin中与红外热成像仪数据得到的焊接热循环曲线做对比，如图9所示．

图 9中 L1线是 ANSYS计算得出的热循环曲线，L2为红外热成像仪记录的熔合线处的热循环曲线．通过比较可知，2条热循环曲线几乎同时到达温度峰值，且温度峰值基本一致，升温和降温的趋势也趋于一致，模拟得到的热循环曲线同红外热成像仪测得的热循环曲线吻合良好．

图8 网格中取熔合线上点的位置Fig.8 Point location on fusion line in mesh

图9 ANSYS模拟与测得的热循环曲线Fig.9 ANSYS simulated and the measured thermal cycling curves

4 结 论

(1) 红外热成像仪测定焊接热循环曲线与传统方法相比，测定过程更为方便、测温精度更高、实时性更强．

(2) 通过红外热成像仪可测出视域内焊缝及热影响区任意位置的热循环曲线．

(3) ANSYS模拟计算的熔合线处焊接热循环曲线与热成像仪所测得的熔合线点焊接热循环曲线吻合良好．

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