通常将温度在630℃以上称为高温,高温物体可呈现固态、液态、气态和等离子态。对高温物体的 测量可以是点温测量、表面温度场测量和三维温度场测量。焊接是在高温下工作的工艺过程,其熔池温度在2000~2 500℃,电弧等离子体温度可达8 000 K以上。焊接过程涵盖了所有的高温形态:电极呈固态,熔池呈液态,气焊火焰呈现气态,电弧呈等 离子态等。焊接温度场通常是一个动态温度场,具有温度梯度大、变化速度快的特点。温度的分布 和变化过程与焊接接头相组织、性能及应力变形等有着非常密切的关系。测量焊接温度场是进行焊 接冶金分析、焊接应力、应变、弹塑性动态分析的基础,也是对焊接过程进行计算机控制的前提,因此高温测量在焊接研究中具有重要意义<12>。高温测量方法可分为接触测量和非接触测量。接触测量使用传感器与被测对象相接触的方式, 测量较为准确,实现容易,使用灵活,缺点是只能测量点温,测温元件容易在高温下受损,且会干 扰测试区的温度场。非接触测量中测温元件不与被测物接触,其传热惯性小,不会破坏被测物的温 度场和造成感温元件的损耗,若将该方法与图象处理技术相结合,能实现二维和三维温度场的快速 实时测量,全面、形象的反映焊接温度场的变化规律,因此非接触式测温成为未来高温测量的发展 方向,在焊接温度场测量中得到越来越多的应用。1接触测温接触测温中最典型是热电偶法。热电 偶是用两种不同导体(或半导体)组成的闭合回路,两端接点分别处于不同温度环境中,在接触处 会形成热电势,通过对热电势进行标定后可用来测量温度。热电偶测温装置简单,易于操作及维护 ,测量时不必知道被测物的热力学参数及辐射性态,测温结果有较高的准确度和重复性,能把温度 信号转变成电信号,便于信号的远传、实现多点切换和接入自动控制系统,因此,热电偶被广泛应 用于工业生产和科研中。热电偶在焊接中的应用由来已久,虽然它只能测量点温,也会对焊接温度 场造成一定的干扰,但是由于其在测温方面的固有优势,在今后的焊接研究中仍会发挥积极作用。 摩擦焊是目前焊接研究中的热点问题之一,如英国剑桥焊接研究所于1991年提出的搅拌摩擦焊 ,它操作简单,效率高,不消耗焊材,易于自动化,可用于焊接多种材料包括那些极其难焊的材料 ,焊后均能获得无气孔、裂纹等缺陷的高质量焊缝,这种高质量、低成本的焊接工艺,在生产应用 中具有良好的应用发展前景<3>。在对这种焊接工艺进行研究时,采用热电偶进行测温是一种有 效的方式,如王希靖采用热电偶测量了中、薄铝合金板搅拌摩擦焊缝在不同特征上的温度变化过程 及其峰值温度,证实了搅拌摩擦焊过程中没有熔化的现象。在惯性摩擦焊的研究中,孟卫如对TC4钛合金惯性摩擦焊接头温度场进行了测量,发现其径向温度梯度很大,中心接近800℃,边缘达1360℃,热影响区的峰值温度滞后于焊缝中心,这为TC4钛合金惯性摩擦焊的应用提供了依据< 5>。为了克服单个热电偶测温的不足,在对GH4169高温合金惯性摩擦焊接温度场的数值模 拟研究中,张立文等采用多个热电偶对焊接过程中的温度变化进行了计算机实时多点测量,为数值 计算结果提供了试验依据<6>。2非接触测温2·1辐射测温法非接触测温方法有辐射测温法和 光学干涉测量法。辐射法技术较为成熟,抗干扰能力好,使用广泛,主要有亮度温度法、比色温度法、红外测温法、光谱法等。前3种方法主要用于4000 K以下温度的测量,光谱法主要用于4 000 K以上等离子体的测温<1>。2·1·1比色法辐射测温的原理是建立在普朗克黑体辐射定律的基 础上的,绝对黑体的光谱辐射亮度Eλ与波长λ、温度T的关系由普朗克公式所确定:Eλ,T= ελ·C1λ-5(eC2/(λT)-1)-1(1)式中:Eλ,T———光谱辐射亮度,W ·cm-2·μm-1;λ———波长,μm;T———绝对温度,K;C1———第一辐射常数,3·7418×10-16W·m2;C2———第二辐射常数0·014 388 m·K。实际物体常常不是黑体,所以实际辐射亮度为:Eλ,T′=ελ·C1λ-5(eC2/ (λT)-1)-1(2)其中ελ为光谱发射系数·通常不随波长变化,而随不同物质变化。令 Eλ,Ta=Eλ,T′,即C1λ-5(eC2/(λTa)-1)-1=ελ·C1λ-5( eC2/(λT)-1)-1(3)其中Ta为同波长下黑体的温度,称为亮温。常用的光学高温 计、光电高温计、红外高温计测量的都是亮温,主要用来测量点温,其中红外测温计工作在红外波 段。由于亮温不等于真温,若想获得真温,还要进行修正。比色温度法所测量的是色温,它的定义 有多种,常用的一种是:如果黑体在波长1λ和2λ下的光谱辐射亮度比等于实际物体同样两波长 下的光谱辐射亮度比,此时的黑体温度Tc称为实际物体的色温,即:E′λ1,T/E′λ2, T=Eλ1,Tc/Eλ2,Tc(4)目前使用的单色温度计和比色温度计测量的都是色温。色 温比亮温更接近于真温,且环境中的烟雾、灰尘对其影响不大,因此在科研和生产中应用更多。为 了得到温度场实时和全景图像,可采用红外摄象和CCD摄象等方法。蒋力培等研制了一种单镜头 双波长红外图像比色测温系统来实时检测焊接熔池温度场。双波长滤光片是用两个不同波长的半圆 滤光片拼接而成,两个半圆滤光片的波长分别为0·805μm与0·895μm。测温系统的C CD摄像机从焊缝正面摄取焊接热图像时,将双波长滤光片的接缝对准焊接熔池中心,就可以在一 幅图像的两半边同时取得两种波长的焊接温度场红外图像,通过对双波长信息进行比色测温计算, 从而求出近熔化区的焊接温度场。此系统的优点是结构简单,实用性好,适用于焊接现场<7>。 2·1·2红外测温如果从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式(1)积分,即可得到物体的辐 射通量密度的表达式,通常称为斯蒂芬-玻耳兹曼定理:W=ελσT4(5)式中,σ为斯特藩 常数,T为热力学温度。通过热探测器或光子探测器将物体的热辐射能转化为电信号输出,经过转 换可得到物体的温度,这是红外测温仪和红外热成像仪的工作原理。由于红外测温技术具有测温速 度快,测温范围宽,灵敏度高,对被测温度场无干扰,热惰性误差小,能远距离测温等优点,适合 于快速反映焊接中测点温度焊接热源移动而升降的变化情况。谭险峰针对低碳钢钨极氩弧焊接工艺 ,利用红外测温仪得到测量点的热循环曲线,以此来修正双椭圆分布热源模型参数,并将有限元解同实验结果进行了比较,两者基本吻合。实验中采用UX700便携式红外辐射测温仪测温(其测温范围为400~3 000℃)。根据低碳钢板表面情况和测温仪操作说明,设置的发射率为0·95,选择连续测量模式,存贮间隔时间设定为2 s<8>。由于红外测温系统是属于窄谱辐射测量设备,受被测表面的发射率、反射率(或吸收率) 、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素的影响,降低了红外热像仪的准确性。此外, 在焊条电弧焊中,不可避免的存在电弧光的干扰,影响了热像仪的使用性。但是,根据热像仪得到 的温度场分布规律是可靠的。因此,在试验中可利用红外热像仪测定焊接温度场的分布规律,并采 用热电偶进行温度标定。梅林等采用红外热像法对纤维素型药皮焊条立向下手工电弧焊焊接熔池表 面温度场的分布进行了测定,得到了这种焊接条件下熔池表面温度场的分布规律。其红外热像测定 焊接温度场的装置由红外热成像系统、计算机图象处理系统组成,红外图象处理软件对所摄取的热 图像进行去噪、均匀化、伪着色和图象显示,测试中采用监视热电偶动态标定法进行温度标定<9 >。2·1·3光谱法电弧温度是描述电弧等离子体热力学状态的最重要的参数之一,通过对电弧 温度的研究,可以获悉等离子体内部的一些重要性质和基本过程,从而了解焊接电弧等离子体内部 的物理化学现象,把握和控制电弧等离子体中各种反应过程以及防止有害成分的污染等,因此电弧 等离子体温度的诊断研究一直是等离子体诊断中一个重要的问题。对于电弧等离子体的温度场测量 可采用绝对或相对光谱强度法,其优点就是对等离子体本身不产生任何干扰,因此测得的电弧温度 精度高,而且方法简便,但对环境要求较高。在等离子状态下,若满足全部或局部热力学平衡条件 ,根据量子跃迁理论,在单位时间和单位体积的粒子将发出一定波长的谱线,其光谱线的辐射强度 Imn与等离子体辐射的频率fmn(或波长λmn)及等离子体温度T之间有下述关系<12> :Imn=14πhfmnAmngmNZexp-EmkT(6)式中:h———Planck 常数;Amn———从高能级m向低能级n的跃迁几率;gm———m能级上的统计权重;N—— —发射该谱线的原子数密度;Z———发射该谱线的原子的配分函数;Emn———高能级m的激 发能;k———Boltzmann常数。由于式(6)中k、h为常数,不同谱线的Amn及E m可由文献<13>查到,配分函数Z可由定义计算。粒子密度N可通过求解等离子体平衡方程得 到,在等离子体压力一定时,它仅仅是温度的函数。因此,只要测出某一谱线的辐射强度,即可由式(6)确定出对应温度T。这就是“谱线绝对强度法”测温的基本原理。赵家瑞等采用光谱摄像的方法测量电弧温度,利用一块带宽为3·8nm的超窄带滤光片滤掉波长氩原子763·5 nm以外的谱线,得到单一谱线的电弧图象,采用光谱辐射标准亮度灯进行图象灰度与辐射强度的标 定,通过Abel变换将所测的平面谱线辐射强度换算成柱对称型等离子体轴截面的辐射强度,再 使用谱线绝对强度法求出温度分布<12>。如果对式(6)两边取对数,则有:lnImnλm nAmngm=-EmkT+lnhcN4πZ(7)式中:c———光速。式(7)实际上是l nImnλmnAmngm=f(Em)的直线方程,直线的斜率为K=-1/(kT),因此只要测得各谱线的相对辐射强度Imn的值,然后再以lnImnλmnAmngm
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