基于無線測(cè)溫的真空熔鑄爐高溫合金液相溫場(chǎng)檢測(cè)

盛堅(jiān)，梁明超，賀威，周藝，吳疆

(1.國防科技工業(yè)4311 二級(jí)計(jì)量站，湖南株洲412002;2.中航工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

在航空動(dòng)力制件熱加工領(lǐng)域，溫度(場(chǎng))檢測(cè)是保證制件質(zhì)量的重要措施之一，而在檢測(cè)點(diǎn)分散、環(huán)境封閉等特定場(chǎng)合下，常規(guī)的測(cè)溫方式難以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。無線測(cè)溫技術(shù)為解決高溫合金航空制件定向結(jié)晶過程中液相溫場(chǎng)跟蹤測(cè)量提供了新的方法。

1 航空高溫合金材料制件精密鑄造過程中的溫度測(cè)量

高溫合金精密鑄造是航空動(dòng)力核心制件加工的關(guān)鍵步驟，加工設(shè)備主要有感應(yīng)式真空熔鑄爐等，目前溫度參數(shù)為1000 ～1600℃。

精密鑄造工藝特點(diǎn)是溫度升降快，溫度測(cè)量與控制困難。航空制件定向結(jié)晶過程中液相溫場(chǎng)的不均勻，導(dǎo)致其在凝固、結(jié)晶、成型過程中質(zhì)量不穩(wěn)定。為了提高航空制件的精鑄質(zhì)量，更準(zhǔn)確地控制加熱時(shí)間和工藝溫度參數(shù)，需對(duì)精鑄過程的液相溫場(chǎng)或多點(diǎn)液相溫度進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。

常規(guī)的檢測(cè)為爐內(nèi)的傳感器與爐外數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用有線連接方式，即在待測(cè)真空爐上開孔，傳感器連接線通過開孔處引出并與爐外數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)直接通信。真空設(shè)備工作時(shí)應(yīng)盡量避免開孔，因?yàn)殚_孔后即使進(jìn)行密封處理也或多或少會(huì)降低其真空度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

采用非接觸式高溫計(jì)測(cè)量，會(huì)受到熔體表面發(fā)射率的影響，測(cè)量的也只是熔體的表面溫度。加之航空材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高負(fù)荷等特點(diǎn)，溫度參數(shù)控制嚴(yán)格(如某制件精鑄定向結(jié)晶工藝溫度要求為(1540±3)℃)，測(cè)量的準(zhǔn)確度很難保證。

隨著數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的更新，無線測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段，其傳輸速度快，可靠性高，和有線測(cè)溫不相上下。

2 基于無線測(cè)溫的真空熔鑄爐高溫合金液相溫場(chǎng)檢測(cè)方法

2.1 常規(guī)檢測(cè)方法的缺陷及本方法的提出

溫場(chǎng)檢測(cè)是多個(gè)測(cè)量點(diǎn)所包含的某空間范圍溫度平均值的測(cè)量。高溫合金液相溫度測(cè)量方法的研究在國內(nèi)外一直在進(jìn)行，如金屬冶煉中采用的浸入式熱電偶、快速熱電偶等。但其主要是針對(duì)非真空環(huán)境下單點(diǎn)溫度的測(cè)量。真空環(huán)境下局部快速加溫的高溫合金液相溫場(chǎng)的檢測(cè)是制件熔化—澆注—冷卻過程中多點(diǎn)溫度的同步跟蹤測(cè)量。材料的相變轉(zhuǎn)化過程快，又無法加裝攪拌裝置，點(diǎn)溫測(cè)量不能準(zhǔn)確地反映制件內(nèi)部溫度平均值的變化。

本方法是利用無線測(cè)溫技術(shù)研究的成果，制作一組專用溫度傳感器，采用接觸受熱并通過無線信號(hào)傳輸來測(cè)量精密鑄造過程中高溫合金液體多個(gè)熱點(diǎn)的溫度。同時(shí)，研制配套的數(shù)據(jù)采集器和專用檢測(cè)工裝及定位定點(diǎn)裝置。

無線測(cè)溫系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器、無線通訊、自動(dòng)控制、數(shù)字識(shí)別等技術(shù)，加之抗干擾設(shè)計(jì)，可對(duì)特殊環(huán)境條件下的溫度實(shí)現(xiàn)智能化在線檢測(cè)。

2.2 實(shí)施

2.2.1 檢測(cè)傳感器的制作及預(yù)埋敷設(shè)

傳感器選用φ0.5 mm 的S 型鎧裝熱電偶并置于抗熱沖擊高溫保護(hù)管中。測(cè)量端采用球形焊接，焊球直徑控制在偶絲直徑的2 ～2.5 倍。取長徑比為15，即偶絲露出長度為7.5 mm，以減小系統(tǒng)測(cè)溫誤差。

另外，航空制件精密鑄造常采用模型澆注，制摸時(shí)在模殼上預(yù)留安置傳感器的石英孔道，傳感器在澆鑄前預(yù)先布置于孔道中，其測(cè)量端置于被測(cè)量點(diǎn)(或接近)位置，澆注及冷卻過程的測(cè)溫點(diǎn)依工件形體對(duì)稱均布或按技術(shù)要求布置。

2.2.2 無線測(cè)溫系統(tǒng)及檢測(cè)方法

研究中選取了DATAPAQ 多通道溫度跟蹤系統(tǒng)作為溫場(chǎng)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，該系統(tǒng)是針對(duì)熱電偶信號(hào)開發(fā)的無線溫度測(cè)量處理裝置，裝置由數(shù)據(jù)采集發(fā)送和接收處理兩部分組成:采集發(fā)送部分還包括信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;數(shù)據(jù)接收處理則是主要以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、處理及顯示。其系統(tǒng)總體框圖如圖1。

圖1 無線溫度數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)總體框圖

測(cè)試前，先將傳感器置于專用夾具上的安置孔(或套管)內(nèi)并固定好，布置數(shù)量視工藝情況確定。無特定工藝要求時(shí)，根據(jù)熔鑄爐坩堝的容積或加料重量確定，加料重量為25 ～50 kg 時(shí)以3 支為宜。傳感器需均勻分布在測(cè)試區(qū)域內(nèi)并按熔鑄爐坩堝裝載量設(shè)置一定高度差，其中一支分布在坩堝中心位置。更多測(cè)量點(diǎn)分布時(shí)，布點(diǎn)位置應(yīng)能表示溫場(chǎng)測(cè)試區(qū)域立體幾何量的關(guān)鍵參數(shù)。預(yù)埋敷設(shè)則根據(jù)預(yù)留安置傳感器的孔道固定傳感器。

通過連接頭將傳感器組與無線測(cè)溫的發(fā)射裝置對(duì)應(yīng)連接并放置于高溫保護(hù)箱內(nèi)，關(guān)閉爐門。將無線接收裝置連接到數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)，打開專用軟件，確認(rèn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能良好。

數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)采用DSP 技術(shù)，包括AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、接口等。通過RS232 方式與嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，主機(jī)內(nèi)集多路信號(hào)變換、多路數(shù)字掃描開關(guān)、PC 及數(shù)據(jù)采集卡一體，內(nèi)置高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻比較器，采集的數(shù)據(jù)直接保存在計(jì)算機(jī)的硬盤中并進(jìn)行每秒一個(gè)循環(huán)的溫度數(shù)據(jù)采集處理。

檢測(cè)時(shí)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集測(cè)試數(shù)據(jù)，嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示并記錄。

2.2.3 檢測(cè)定位定點(diǎn)裝置

包括保證傳感器按溫場(chǎng)檢測(cè)布置要求的固定支架，可控三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

2.2.4 檢測(cè)用數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分的安置

感應(yīng)式真空熔鑄爐屬局部加熱設(shè)備，加熱區(qū)包裹在坩堝附近。加熱區(qū)與爐壁之間有足夠的空間放置數(shù)據(jù)采集發(fā)送器。由于是真空環(huán)境，該區(qū)域的熱傳導(dǎo)基本靠輻射方式進(jìn)行，通過測(cè)試:在坩堝內(nèi)高溫合金熔融液體溫度為1400 ～1600℃時(shí)，靠近爐壁附近的溫度在一小時(shí)內(nèi)為200 ～300℃。選擇將數(shù)據(jù)采集發(fā)送器置于TB4905 型隔熱箱內(nèi)并整體安置在爐內(nèi)靠近爐壁的位置。隔熱箱有超強(qiáng)的耐高溫性能，它通過兩個(gè)步驟使數(shù)據(jù)采集器在整個(gè)工藝過程中處于安全的工作溫度。其一是多微孔絕緣材料使熱傳導(dǎo)速度減慢，該材料是目前所知絕緣材料中絕熱性最好的一種，被應(yīng)用于飛機(jī)的黑匣子。其二是通過一個(gè)根據(jù)不同階段改變材料的吸熱設(shè)備來使內(nèi)部溫度在一定時(shí)間內(nèi)保持在50 ～60℃。

2.2.5 檢測(cè)示意圖

真空熔鑄爐無線溫場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用連接框圖見圖2。

圖2 溫場(chǎng)測(cè)試無線連接方式示意圖

由圖2 可知:檢測(cè)時(shí)，溫度傳感器組通過專用工裝支架及定位定點(diǎn)裝置固定，真空熔化爐快速加熱至熔鑄合金熔化溫度后，通過機(jī)械臂同時(shí)插入爐內(nèi)熔鑄合金熔融液體的坩堝中，通過插入的溫度傳感器同時(shí)采集坩堝內(nèi)合金熔融液體不同部位的溫度。預(yù)埋敷設(shè)傳感器的檢測(cè)亦同理。數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分在爐內(nèi)接收測(cè)量信號(hào)后，按無線采樣速率傳輸發(fā)送給接收部分并通過數(shù)據(jù)處理顯示器進(jìn)行處理和顯示。

3 檢測(cè)實(shí)例

圖3 為某高合材料精鑄工藝過程中定向凝固(結(jié)晶)時(shí)的液相溫場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)的曲線圖截屏。被測(cè)設(shè)備為ZGJLBO.025 型三室真空感應(yīng)爐，檢測(cè)用傳感器為三支專用S 型熱電偶，檢測(cè)設(shè)備為無線溫場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。

圖3 某高溫合金材料定向凝固(結(jié)晶)的液相溫場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)曲線圖

我們還與華中科技大學(xué)合作，采用該系統(tǒng)對(duì)圖4所示某高溫合金材料制件的精鑄過程進(jìn)行了預(yù)埋敷設(shè)傳感器組的溫度跟蹤檢測(cè)，布設(shè)測(cè)量點(diǎn)達(dá)到20 個(gè)。

4 影響檢測(cè)的主要因素分析

檢測(cè)用傳感器選用鎧裝熱電偶，長徑比為15，熱容小，響應(yīng)快，可減小系統(tǒng)測(cè)溫誤差。

圖4 某高溫合金材料制件實(shí)物圖

高精度數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)的測(cè)量誤差為0.015%，其測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于0.05%。

真空熔鑄爐采用10 kHz 以下中頻感應(yīng)電流短時(shí)間加熱，無線測(cè)溫系統(tǒng)的傳輸頻率為460 MHz，遠(yuǎn)大于設(shè)備頻率，頻率干擾的影響可忽略不計(jì)。

高溫合金液相溫場(chǎng)檢測(cè)的目的就是為航空制件精密鑄造制定最佳工藝方案提供依據(jù)，解決感應(yīng)加熱電流的大小和加熱時(shí)間的控制問題。加熱電流一定時(shí)，知道了高溫合金液相溫場(chǎng)數(shù)據(jù)，就能給定時(shí)間參數(shù)。由于航空制件精密鑄造的定向凝固(結(jié)晶)工藝過程時(shí)間可控，無線溫場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行全過程的記錄。

5 總結(jié)

實(shí)踐證明，采用無線溫場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)航空制件真空熔鑄過程中的液相溫場(chǎng)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)是一種切實(shí)可行的方法。傳感器信號(hào)通過無線方式傳輸，避免了在爐體上開孔;其次，預(yù)埋敷設(shè)(或插入)傳感器組的接觸式溫場(chǎng)檢測(cè)法也比非接觸測(cè)量方法更加準(zhǔn)確?？梢杂嗅槍?duì)性地進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，滿足不同制件或材料精密鑄造時(shí)液相溫場(chǎng)的檢測(cè)要求。

［1］國防科工委科技與質(zhì)量司.熱學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］高慶中.溫度計(jì)量［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2004.

［3］盛堅(jiān)，楊永軍.采用高溫黑體式光纖溫度計(jì)在線檢測(cè)感應(yīng)加熱真空爐液相溫場(chǎng)的可行性［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2008，28(S0):51-53.