一種高速旋轉(zhuǎn)焊接工件內(nèi)部溫度監(jiān)測技術(shù)

竺啟斌，陳書錦，戚順順，朱文琪

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 揚州分院，江蘇 揚州 225003；2.江蘇科技大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

一種高速旋轉(zhuǎn)焊接工件內(nèi)部溫度監(jiān)測技術(shù)

竺啟斌1，陳書錦2，戚順順2，朱文琪2

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 揚州分院，江蘇 揚州 225003；2.江蘇科技大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

提出了一種高溫高速旋轉(zhuǎn)焊接工件內(nèi)部溫度檢測技術(shù)，為了克服摩擦頭高速旋轉(zhuǎn)時帶來熱電偶信號線的連接問題，整個測溫裝置與焊接工件同步旋轉(zhuǎn)，該裝置包括熱電偶、溫度檢測處理模塊和無線傳輸模塊；為了提高采樣速率，對熱電偶芯片組合采用了鏈式循環(huán)溫度數(shù)據(jù)采集法，在一個循環(huán)周期內(nèi)，各熱電偶芯片依次傳輸數(shù)據(jù)，這種方式能實現(xiàn)高溫高速旋轉(zhuǎn)焊接工件內(nèi)部溫度的檢測，提高了溫度信號的采集速率。實驗證明了這種技術(shù)的有效性。

溫度檢測；攪拌摩擦焊；無線傳輸

0 前言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，溫度檢測技術(shù)也不斷更新，各種測溫方法如熱脹冷縮原理溫度檢測、熱阻效應(yīng)溫度檢測、熱電效應(yīng)溫度檢測[1]、聲學測溫[2]、熱輻射溫度檢測[3]、紅外測溫[4]等技術(shù)不斷涌現(xiàn)；對于溫度信息采集、傳輸、處理水平越來越高，先后出現(xiàn)了模擬溫度儀表、數(shù)字溫度儀表等技術(shù)，當前數(shù)字儀表正朝向高精度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展[5]。

攪拌摩擦焊或慣性摩擦焊接溫度場分布是焊接研究的重要內(nèi)容，對這些焊接溫度場進行研究時，一般采用有限元模擬[6]或紅外輻射測溫或熱電偶有線測溫方式，然而這些方法難以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的工件內(nèi)部不同部位的實際溫度檢測。由于紅外輻射屬于非接觸測量，只能測量工件的表面溫度場，無法測量焊接工件內(nèi)部不同部位的實際溫度；熱電偶測溫方法基于溫差效應(yīng)，可以測量固定工件內(nèi)部溫度，測溫效果較為精確，但摩擦頭是高速旋轉(zhuǎn)的，熱電偶測溫法存在著信號線的連接問題，難以直接應(yīng)用熱電偶方法檢測摩擦頭內(nèi)部溫度。

為此本研究提出一種針對旋轉(zhuǎn)焊件的溫度無線傳輸方案，設(shè)計了以單片機PIC16F877A為核心的溫度檢測、傳輸和處理電路，通過同步旋轉(zhuǎn)的溫度采樣電路獲取溫度信號，經(jīng)過單片機處理后，通過無線信號發(fā)送信號，由外部接收電路接收顯示，最后進行了相關(guān)實驗。

1 測溫裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

溫度檢測裝置設(shè)計成適合攪拌摩擦焊接和慣性摩擦焊接現(xiàn)場安裝的圓環(huán)，如圖1所示。溫度信號處理電路、電池組安裝在圓環(huán)上，圓環(huán)在兩個固定機構(gòu)的作用下，安裝在工件夾持器外圍，工件夾持器具有兩個凹孔；為了保證整個裝置的重心在圓環(huán)的圓心，在圓環(huán)上配置了兩塊平衡塊；當兩個固定機構(gòu)中的舌形卡塊沿著滑槽進入工件夾持器中的凹孔，即可固定檢測裝置；相反，當舌形卡塊退出凹孔后，即可拆卸檢測裝置。

2 檢測電路模塊的組成

如圖2所示，溫度檢測裝置包括溫度檢測、數(shù)據(jù)處理、信號發(fā)送三大部分，并且與被測工件高速同步旋轉(zhuǎn)，使得檢測裝置上的熱電偶能夠相對固定在攪拌頭上。熱電偶采集攪拌摩擦頭內(nèi)部特征點溫度，熱電偶的輸出信號進入溫度信號處理電路，溫度信號處理電路內(nèi)部經(jīng)熱電偶芯片組合進行處理，由單片機控制電路讀取溫度信息，通過無線發(fā)送模塊在線發(fā)送溫度信號，由外置的無線信號接收裝置接收無線溫度信號。

3 檢測電路

如圖3所示，熱電偶信號處理電路主要由芯片MAX6675、PIC16F877A、CC1100構(gòu)成，MAX6675是美國MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的溫度分辨能力為0.25℃，冷端補償范圍為-20℃～+80℃，工作電壓3.0～5.5 V。該芯片采用SPI接口向微處理器PIC16F877A傳輸熱電偶數(shù)據(jù)，其溫度分辨率為0.25℃，內(nèi)置一個12位A/D轉(zhuǎn)換器，來自熱電偶的熱電勢與引腳連接，信號經(jīng)兩級放大器放大和濾波處理后，成為與芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器相匹配的電平信號。利用MAX667輸出數(shù)據(jù)中的D2進行斷偶檢測時，熱電偶的輸入負極T-必須接地，且應(yīng)盡可能地靠近MAX6675的引腳地（即PIN1）。冷端溫度是由MAX6675本身檢測的，為了提高測量的精確度，電路板的地線盡可能的大。熱電偶信號為微弱信號，要盡可能地采取措施防止噪聲干擾?？稍贛AX6675電源與地線之間接一個0.1 μF的陶瓷電容。

CC1100是一款低于1 GHz高性能射頻收發(fā)器，CC1100可提供對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、接收信號強度指示（RSSI）、空閑信道評估（CCA）、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒（WOR）的廣泛硬件支持，具有387.0～464.0 MHz工作頻段，通過四線SPI接口與PIC16F877A連接，同時提供兩個可設(shè)定功能的通用數(shù)字輸出引腳，其工作電壓1.9～3.6V，待機模式下電流僅為200 nA，大大降低了裝置的供電要求。

焊接現(xiàn)場存在以下問題：熱電偶芯片MAX6675每進行一次溫度采樣都需要一定的處理時間，其轉(zhuǎn)換時間為0.17～0.22 s，以待測物體旋轉(zhuǎn)速度1200r/min為例，當需要測出每個旋轉(zhuǎn)周期的溫度變化情況時，該測溫芯片的響應(yīng)速度較慢，單個芯片無法對采樣點及時采樣；此外如不采用成熟的熱電偶芯片，則相應(yīng)處理電路繁雜，所用電路板質(zhì)量和占用的空間較大，不適合與工件同步高速旋轉(zhuǎn)，且易帶來干擾。因此采用多個熱電偶芯片鏈式工作的方式來提高采樣頻率，以滿足溫度數(shù)據(jù)采集要求。

4 熱電偶芯片工作方式

設(shè)裝置工作時轉(zhuǎn)速1200r/min，要求檢測每個旋轉(zhuǎn)周期溫度變換情況，則對裝置的采樣頻率要求為20 Hz。采用五個MAX6675芯片并接在熱電偶的輸出端，這五個芯片按照鏈式循環(huán)工作，由于單個芯片的轉(zhuǎn)換最大耗時為0.22s，每個芯片從開始讀數(shù)到下一個芯片開始讀數(shù)時間設(shè)定為0.05s；當需要對其中一個熱電偶芯片進行溫度采樣后，立即將其設(shè)置為轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當?shù)竭_第五個采樣循環(huán)時，該熱電偶芯片再次輸出處理好的溫度數(shù)據(jù)后，再次進入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，開啟下一個采樣循環(huán)；按照這樣的鏈式循環(huán)測溫法，依次發(fā)送處理后的溫度數(shù)據(jù)。

當對裝置的采樣頻率要求為10Hz，由于單個芯片轉(zhuǎn)換速度最大耗時為0.22s，因此在程序中設(shè)置每個芯片從開始讀數(shù)到下一個芯片開始讀數(shù)時間設(shè)定為0.5s即可，讀數(shù)循環(huán)仍然按照如圖4所示流程進行。

5 實驗

測溫裝置的實體如圖5所示。

該裝置可以避開有線連接的困難，成功實現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)焊件內(nèi)部溫度的檢測且使用方便，測溫裝置經(jīng)過長期改進和校正測試，可精確到0.1℃，既能針對指定部位進行溫度探測，還將大幅縮短控制系統(tǒng)整合周期，與紅外輻射法測定攪拌摩擦頭溫度方法比較，測溫更全面、成本更低。

攪拌摩擦頭內(nèi)部特征點實測溫度曲線如圖6所示，曲線1、曲線2、曲線3分別是被測點離摩擦頭距離由近至遠處的溫度變化情況，由圖可見，離摩擦接觸面越近，溫度越高。

6 結(jié)論

（1）采用熱電偶傳感器芯片MAX6675成功地檢測了高速旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊件的內(nèi)部溫度，且電路簡單、可靠性高。

（2）MAX6675芯片的鏈式工作結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速率，改善了對焊件溫度進行分析的條件。

（3）采用無線數(shù)字傳輸方式，克服了攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)帶來接線困難的缺點，改善了測溫裝置的環(huán)境適應(yīng)性。

（4）使用溫度無線檢測技術(shù)后，將有助于對攪拌摩擦焊或摩擦焊等旋轉(zhuǎn)焊件的內(nèi)部溫度檢測和分析，有利于進一步分析溫度場對焊接質(zhì)量的影響。

[1] 傘桂勝.熱電偶測溫中的誤差校正方法[J].有色礦冶，2006，22（6）：53-54.

[2] 宋志強，樊 旭.聲學法鍋爐溫度場檢測技術(shù)及應(yīng)用[J].鍋爐技術(shù)，2005，36（1）：20-23.

[3]張建文，雷 達.天然氣輸氣管道泄露事故熱輻射危害風險分析[J].安全與環(huán)境學報，2011，11（1）：24-27.

[4]郜莎莎，朱志前，時希文，等.600MW超臨界機組SA335-P91鋼免根透焊接工藝控制[J].電焊機，2010，40（8）:67-70.

[5] 陳至坤，李 蓓.溫度檢測技術(shù)及相關(guān)儀器的發(fā)展現(xiàn)狀[J].河北理工大學學報（自然科學版），2011，33（4）：68-70.

[6] 陳書翔，葉結(jié)和.不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭溫度場模擬[J].電焊機，2008，38（7）：61-63.

An internal temperature detection technology of high rotary speed welding workpiece

ZHU Qi-bin1，CHEN Shu-jin2，QI Shun-shun2，ZHU Wen-qi2
（1.Yangzhou Branch of the Jiangsu Province of Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Yangzhou 225003，China；2.Collegeof MaterialsScienceandEngineering，Jiangsu UniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang 212003，China）

This paper presents an internal temperature detection technology of high speed rotary welding workpiece.Due to the high rotary speed of friction stir tool，it is difficult to connect the thermocouple signal line to control board.In order to overcome this shortcoming，the temperature measurement device rotate synchronously with the welding workpiece，the device comprises thermocouples，temperature detection module and the wireless transmission module.In order to increase the sampling rate，the temperature data was collected by using the thermocouple combination chip.In a cycle，thermocouple chip turns to work like chain.this method can realize the internal temperature detection of high rotary speed welding workpiece，improves the temperature signal acquisition rate.Experiments show the effectiveness of this technique.

temperature detection；friction stir welding；wireless transmission

TG431

：A

：1001-2303（2014）02-0052-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.11

2013-01-19；

2013-11-18

竺啟斌（1965—），男，江蘇揚州人，高級工程師，工學碩士，主要從事焊接檢驗與檢測工作。