基于光纖Bragg光柵傳感器的鋁合金堆焊應力測試

鄭卜祥

(西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

基于光纖Bragg光柵傳感器的鋁合金堆焊應力測試

鄭卜祥

(西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

大型結(jié)構(gòu)件的焊接應力應變測試一直是研究的熱點和難點。針對目前大型結(jié)構(gòu)件焊接應力應變在線實時監(jiān)測手段存在不耐高溫和測試精度不高等問題，提出了一種基于光纖Bragg光柵(FBG)傳感器的焊接應力應變在線實時監(jiān)測方法。采用該方法構(gòu)建了基于FBG傳感器的焊接應力應變在線監(jiān)測系統(tǒng)原理，并對LD10鋁合金板材進行了TIG堆焊的溫度和應力應變在線監(jiān)測試驗，得出了中心橫截面和離焊縫中心15mm處縱截面上的溫度和應變以及焊后殘余應變的分布情況。試驗表明，F(xiàn)BG傳感器在焊接應力在線監(jiān)測中具有合理性和實用性，能準確測試焊接時的溫度和應變分布，且測試對象的溫度可達350℃，這為大型結(jié)構(gòu)件焊接應力在線實時監(jiān)測提供了一種先進方法。

鋁合金；應力；測試；焊接；傳感器；光纖Bragg光柵

0 前言

大型結(jié)構(gòu)件的焊接應力應變一直是人們關(guān)注的焦點和研究的難點[1-2]。了解焊接溫度與應力應變的分布情況，有利于及時采取措施控制焊接變形。對于大型結(jié)構(gòu)件的應力應變測試大多采用電阻應變片，其電絕緣的好壞、絕緣電阻的大小、耐高溫的程度、外形結(jié)構(gòu)的尺寸、基底材料與介質(zhì)的侵蝕程度等因素都將影響測量精度，使其越來越不適應現(xiàn)代大型重要工程結(jié)構(gòu)件在線監(jiān)測的需要。

光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代隨著光纖及其通信技術(shù)發(fā)展起來的，是利用光纖對某些特定物理量敏感的特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可直接測量光信號的技術(shù)。它代表了新一代傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢，具有“傳”“感”合一的特點[3]，已成為國內(nèi)外最具有發(fā)展前景的高新技術(shù)之一，其技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場前景廣[4]。光纖光柵傳感器是一種以光波為載體、光纖為媒質(zhì)的點式傳感器[5]，能進行溫度和應變測量，具有抗電磁干擾、動態(tài)響應快、靈敏度和測試精度高、耐久性強、可實現(xiàn)遠距離分布式實時監(jiān)測等優(yōu)點，在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面具有很強的競爭力，并廣泛應用于航空航天、船舶、兵器、電力、橋梁、堤壩、邊坡、隧道、建筑等領(lǐng)域[6-14]。

盡管光纖傳感技術(shù)在線實時監(jiān)測的應用已比較廣泛，且J.C.SUAREZ等人曾利用光纖Bragg光柵(FBG)傳感器對焊接殘余應力進行過測試[15]，但對FBG傳感器進行焊接實時耐高溫測試的應用還未見報道。因此，利用FBG傳感器實時監(jiān)測焊接結(jié)構(gòu)在線瞬時高溫的研究尤為重要。在此提出了一種基于FBG傳感器的焊接結(jié)構(gòu)件多耦合場在線監(jiān)測方法。

1 FBG傳感器的傳感原理與測試

1.1 FBG傳感器的傳感原理

光纖Bragg光柵(FBG)是一種最簡單最普遍的光纖光柵，是一段折射率呈周期性變化的光纖無源器件，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般為常數(shù)，它是通過外界參量對Bragg中心波長的調(diào)制來獲取信息，避免了光纖光柵中各種光強起伏引起的干擾，更有利于利用波分復用技術(shù)構(gòu)成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)大范圍內(nèi)多點實時監(jiān)測，其傳感原理如圖1所示。由寬帶光源發(fā)出的寬入射光波(入射光譜)經(jīng)光纖耦合器導入FBG傳感器中，一部分透射出去，一部分反射回窄光波(反射光譜)到耦合器中由光譜分析儀接收。當光柵受到拉伸、擠壓和熱變形時，影響光柵周期Λ和光纖纖芯有效折射率neff，使光柵的反射Bragg中心波長λB和透射光譜發(fā)生變化，通過檢測其變化，實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應力應變和溫度測量[16-18]。

圖1 FBG的傳感原理Fig.1 Sensing principle of fiber Bragg grating

1.2 測試試件和工藝

針對航天鋁合金大型結(jié)構(gòu)件焊接現(xiàn)場要求，對其試件進行基于FBG傳感器的焊接結(jié)構(gòu)件多耦合場在線應力監(jiān)測試驗。試件為600 mm×600 mm×6 mm的LD10CS(2A14)高強鋁合金板材，其化學成分如表1所示，主要組成有α(Al)、θ(CuAl2)、S(Al2CuMg)、W(Cu4Mg5Si4Al4)、Mg2Si以及雜質(zhì)相(FeMnSi)Al6、(AlMnSi)等[20-21]。

表1 LD10鋁合金化學成分Tab.1 LD10 aluminium alloyed chemic component%

在試件中心進行TIG堆焊，采用WSE-315B逆變交直流氬弧焊機施焊，焊接工藝參數(shù)為：電流280 A，電壓20 V，頻率50 Hz，焊縫間隙1.5 mm，焊接速度3 mm／s，保護氣體流量15 L／min，熱輸入效率0.6。鋁合金線彈性系數(shù)較大，容易產(chǎn)生焊接熱應變及彈性變形，約束條件為兩端壓緊。焊接時大約在離起焊點350 mm處有短暫的間歇停頓，焊接后正面焊縫寬約16 mm，反面焊縫寬約10mm。試驗采用SA-102膠粘劑A∶B(1∶1)和美國UV膠同時粘貼FBG傳感器后加熱固化，可耐高溫800℃，并在溫度傳感段鋼管上涂上導熱硅脂以便導熱及時充分。

1.3 計算方法

圖2 LD10鋁合金不同溫度下的彈性模量Fig.2 Modulus of elasticity for LD10 aluminium alloy of different temperature

2 基于FBG傳感器的堆焊應力測試原理

焊接應力在線監(jiān)測是指通過先進的監(jiān)測儀器、設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮?gòu)成的系統(tǒng)實時監(jiān)測焊接結(jié)構(gòu)的工藝性、應力應變場、溫度場和變形的整體行為，并分析其應力應變和溫度分布規(guī)律，以便找出合理的焊接順序和工藝參數(shù)進行實時調(diào)整來控制焊接變形，達到高質(zhì)量焊接的目的。試驗采用基于FBG傳感器波長解調(diào)的溫度與應變分布式測量方法，其焊接應力應變在線監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖3所示，主要由TIG焊機、FBG傳感器的堆焊應力測試系統(tǒng)、光纖光柵解調(diào)器或光譜分析儀、監(jiān)控計算機、光纖光纜通信傳輸網(wǎng)絡(luò)等部分構(gòu)成，其中監(jiān)控計算機采用多線程模式的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與處理。

在焊接應力監(jiān)測現(xiàn)場待測量處安裝光纖光柵應力、溫度傳感器，根據(jù)位置和初始中心波長將多個傳感器串接在同一條光纖線纜上，形成監(jiān)測現(xiàn)場的分布式網(wǎng)絡(luò)，每路傳感器串聯(lián)鏈為一個通道。試驗所用光纖光柵解調(diào)器為四通道，每個通道可同時串聯(lián)20個光柵，波長范圍大于等于40 nm，分辨率10 pm，掃描頻率50 Hz；所用FBG傳感器中心波長范圍1280～1322 nm，分辨率小于等于0.1%FS，測試精度小于2%FS，反射率大于90%，反射譜帶寬約0.25 nm。將每路傳感器串聯(lián)鏈通道接入多通道的光纖光柵解調(diào)器中，對其中心波長進行解調(diào)分析，并與初始值比較，計算得出改變傳感器中心波長的外部應變或溫度，然后輸入監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)采集、計算、分析、顯示、存儲和整理。

圖3 基于FBG傳感器的焊接應力應變在線監(jiān)測原理Fig.3 On-line monitoring schematic diagram of Welding stress-strain based on FBG sensors

在布點測量時，每個通道中各個FBG傳感器中心波長各不相同，其間隔要滿足實際測量需要。LD10鋁合金常溫屈服強度為380MPa，彈性模量71 GPa，對應的應變約為5 352με，而焊接時應力必須屈服，即使在離焊縫中心15 mm處，應力也會很大，對應的FBG中心波長變化約為5000pm。為保證測試時相鄰中心波長不相互交叉而產(chǎn)生干涉，且滿足通道數(shù)要求以減少成本，布點時應綜合考慮FBG中心波長范圍和間隔的要求，同一通道中盡量選擇反射率一致的FBG，可避免次峰和伴模對光纖光柵解調(diào)器的干擾。試驗中光柵波長范圍限制相隔4000～8000pm，為防止因溫度過高引起焊接過程中部分光柵出現(xiàn)斷裂而引起串行，其波長大小在測點上也應按大小順序排列，由波長小的一頭接入解調(diào)器中。同時，盡量將每個測點的溫度和應變傳感器安裝在相近的位置，使其附近溫度相同或相近，還能讓位置相似的應力傳感器共用一個溫度補償傳感器進行溫度補償。

3 測試結(jié)果和分析

3.1 實時應力分布

按上述原理對堆焊試件中心橫截面和離焊縫中心15 mm處縱截面上各測點的溫度和應變進行在線實時監(jiān)測，得出各測點FBG波長的變化情況，考慮溫度補償技術(shù)后計算得出溫度和應變變化分布，如圖4、圖5所示。

圖4 中心橫截面溫度與應變變化分布Fig.4 Distributed diagram of temperature and strain at centre cross section

圖5 離焊縫中心15 mm處縱截面上溫度與應變變化分布Fig.5 Distributed diagram of temperature and strain at 15 mm away from weld centre-line

由圖4可知，中心橫截面上溫度和應變的分布規(guī)律性較好，也正常反映了實際焊接情況。各點溫度和應變均在同一時間段內(nèi)達到最大值，且各點應變滯后于溫度，離焊縫中心越遠處，滯后時間越長；離焊縫中心越近，溫度越高，兩個方向的應變越大，且先達到最大值；在遠離焊縫中心約175 mm以上處，溫度和應變變化平緩，其值較小且相差不大，約50℃和48 MPa。由于試驗中途有瞬時停頓，使圖4中變化趨勢均明顯表現(xiàn)出兩個峰值，溫度和應變都是兩次增加和減小，且在離焊縫中心距離較遠處多個峰值不明顯。由圖4a可知，中心橫截面上離焊縫中心15 mm、25 mm、35 mm、50 mm、105 mm、175 mm、245mm處的溫度分別最大可達275℃、210℃、168℃、130℃、78℃、55℃、49℃，說明在離焊縫中心175 mm以上處溫度升高不多，鋁板邊緣散熱較快。由圖4b可知，在中心橫截面上離焊縫中心15 mm、25 mm、35 mm、50 mm處平行于焊縫方向的縱向應變最大為5090με、3300με、3400με、2 618με，其對應溫度下的彈性模量分別為57 GPa、60.5 GPa、64 GPa、67.3 GPa(見圖2)，計算得出其對應的最大在線焊接應力分別為290MPa、199.65MPa、217.6MPa、176.19MPa；在35 mm處比25 mm處應變略偏大，可能是焊前加熱固化美國UV膠時引起的變形誤差。由圖4c可知，在中心橫截面上離焊縫中心35 mm、105 mm、175 mm、245 mm處垂直于焊縫方向的橫向應變最大分別為3540με、1 175με、750με、638με，其對應溫度下的彈性模量分別為57 GPa、70.28 GPa、70.56 GPa、70.64 GPa，可得其對應的最大在線焊接應力為201.78 MPa、82.58 MPa、52.92 MPa、45 MPa。說明離焊縫中心越遠處，在線焊接應力較小且相差不大。

由圖5可知，離焊縫中心15 mm處縱截面上溫度和應變的分布不是很明顯，這是因為離焊縫中心距離太近，溫度較大，引起光柵波長突變較大，數(shù)據(jù)容易失真和串行。但總體呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，說明光纖光柵能在較高溫度下進行焊接應力應變測試，溫度可達350℃。在從起焊點到收弧點間的焊接過程中，隨測點離起焊點縱向距離的增加，溫度和應變依次增加，且存在明顯的時間依次滯后。因試驗中途有瞬時停頓，圖5中也明顯表現(xiàn)出兩個峰值，且在離停頓點較遠處多個峰值不明顯，甚至僅有一個峰值。同時，在離焊縫中心15mm處縱截面上溫度的最大值相差不大，最大溫度約275℃～340℃，而應變的最大值約3 800～5 800με，對應的焊接應力約216.6～311.5 MPa，且在離起焊點較近處，溫度和應變的最大值相對較小；在離收弧點較近處，溫度和應變的最大值相對較大。而圖5中離收弧點50 mm處的溫度和應變卻很小，可能是在收弧點較近處，因前面?zhèn)鬟f的累積溫升突變較大，使光柵波長突變較大而出現(xiàn)了溫度和應變數(shù)據(jù)失真的干涉現(xiàn)象，該點數(shù)據(jù)應視為無效。

3.2 殘余應力分布

在焊后24 h利用FBG傳感器對試件進行殘余應變測試，比較焊接前后的波長變化，由應變靈敏系數(shù)1pm／με得出相對于焊前的殘余應變分布如圖6所示，由室溫下LD10鋁合金彈性模量71 GPa即可知其殘余應力分布。由圖6可知，中心橫截面上兩個方向的殘余應力均表現(xiàn)為離焊縫中心越近，應力越大，且為拉應力，離焊縫中心越遠，表現(xiàn)為壓應力。離焊縫中心15 mm處縱截面上平行于焊縫方向的殘余應力表現(xiàn)為中間受拉、兩頭受壓，且離焊縫中心橫截面越近，拉應力越大，離板材邊緣越近，壓應力越大。

4 結(jié)論

在此提出了一種基于FBG傳感器的焊接結(jié)構(gòu)件多耦合場在線監(jiān)測方法，在單根光纖上布置多個不同參數(shù)和測點的測量光柵形成分布式網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)復雜環(huán)境下一線多點多參數(shù)分布式測量。該方法采用FBG傳感器對航天常用LD10鋁合金TIG堆焊結(jié)構(gòu)件進行了實時應力應變測試，實現(xiàn)了較高溫度下焊接熱影響區(qū)應力的實時監(jiān)測，測試對象的溫度可達350℃。試驗分析了焊接溫度和應力應變以及焊后殘余應變的分布規(guī)律，結(jié)果表明：FBG傳感器在焊接應力在線監(jiān)測中具有可行性、合理性和實用性，能準確測試焊接溫度和應變分布，這為大型結(jié)構(gòu)件焊接應力在線實時監(jiān)測提供了一種先進方法，具有廣泛的應用前景。

圖6 殘余應變分布Fig.6 Distributed diagram of residual strains

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Test on deposit welding stresses of aluminium alloy based on fiber bragg grating sensors

ZHENG Bu-xiang
(School of Mechanical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

Test on welding stress-strain of large structural components is always research hotspot and difficulty for many scholars.Aiming at the real-time monitoring methods of welding stress-strain in the large structural components exist in high-temperature and precision insufficient problems presently，a real-time monitoring method of welding stress-strain based on fiber Bragg grating(FBG) sensors was proposed.According to this method，an on-line monitoring system principle of welding stress-strain based on FBG sensors is constructed，and the real-time monitoring experiment of TIG deposit welding temperature and stress-strain was achieved on the aluminium alloy LD10 plates.The vertical section at 15 mm away from weld centre-line and the centre cross section of the distribution of real-time welding temperature and strain as well as residual strain after welding were obtained in the welding stress monitoring experiment.The results of experiment reveal that the FBG sensors is reasonable and practical in the welding stress on-line monitoring，which can accurately on-line measure the distribution of welding real-time temperature and strain，and the temperature can measure up to 350℃.It provides an advanced method for on-line monitoring of welding stresses in the large structural components.

aluminium alloy；stress；measurement；welding；sensor；fiber Bragg grating(FBG)

TG404

A

1001-2303(2011)10-0056-06

2010-11-30；

2011-6-10

鄭卜祥(1980—)，男，湖北荊州人，工程師，博士，主要從事機械設(shè)計制造、焊接結(jié)構(gòu)分析、激光高速掃描、激光微納加工、和光電子微納制造等方面的研究工作。