焊接熱循環(huán)曲線測試技術(shù)的研究進(jìn)展

孔李毅　董文軒　楊鈺瑩　周汶燕　張偉

摘 要：焊接熱循環(huán)曲線的測定一直是研究焊接接頭質(zhì)量的主要途徑，曲線本身的優(yōu)劣性直接影響研究者對組織的進(jìn)一步研究。因此，本文結(jié)合了目前兩種方法中較為突出的幾種焊接熱循環(huán)曲線測量手段，總結(jié)了幾種焊接熱循環(huán)測量手段的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上對將來焊接熱循環(huán)曲線測量發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：焊接熱循環(huán) HAZ 直接測量法 間接測量法

Research progress on welding thermal cycle measurement

Kong Liyi Dong Wenxuan Yang Yuying Zhou Wenyan Zhang Wei

Abstract：The measurement of welding thermal cycle curve has always been the main way to study the quality of welded joints. The quality of the curve itself directly affects the further study of the organization. consequently， in this paper， the advantages of several welding thermal cycle measurement methods are summarized， and the development direction of welding thermal cycle measurement in the future is prospected based on the above two methods.

Key words：Welding thermal cycle; HAZ; Direct measurement method; Indirect measurement method;

1 引言

焊接熱循環(huán)包括以下四個特征參數(shù)：加熱速度（ωH）、最高加熱溫度Tmax在相變溫度以上停留時間（tH）、冷卻速度（ωC）和冷卻時間（t8/5、t8/3、t100）。焊接熱循環(huán)參數(shù)是分析HAZ組織和性能的重要數(shù)據(jù)[1]，及焊接工藝的開發(fā)、評價和優(yōu)化[2]。焊接熱影響區(qū)的材料結(jié)構(gòu)和性能受材料組成和焊接熱循環(huán)的影響[3]。利用這些信息，可以分析焊接冷卻過程的相變機(jī)理和新材料的SH-CCT圖，創(chuàng)建并驗(yàn)證HAZ熱循環(huán)參數(shù)的計(jì)算模型。因此，焊接熱循環(huán)的測試、計(jì)算和分析具有十分重要的理論意義和實(shí)際價值。目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室都采用焊接熱模擬，將試樣置于熱模擬裝置中，經(jīng)歷與焊接相同的熱過程；而熱電偶是焊接熱循環(huán)現(xiàn)場測量中常用的測溫元件。本文綜述直接測量法和間接測量法現(xiàn)有的可靠研究與其應(yīng)用，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)與分析。

2 直接測量法

直接測量法焊接熱循環(huán)曲線是依靠熱電偶測溫方法實(shí)現(xiàn)，由于熱電偶可以直接接觸測量局部溫度甚至測量“點(diǎn)”溫度，這一點(diǎn)較熱電阻有較大優(yōu)勢，所以熱電偶一直是很好的測溫元件。[4]熱電偶最先使用的是背打孔插入的方式，如黃錫鎬[5]利用溫差熱電偶測量近縫區(qū)焊接熱循環(huán)曲線時，這種方式往往需要對焊板提前進(jìn)行鉆孔，工作量大、操作麻煩且對板材造成一定的浪費(fèi)，而且熱電偶置于內(nèi)部無法觀察其狀態(tài)。鄭志霞[6]等公開了一種鋼板焊接熱循環(huán)溫度曲線的方法及裝置（見圖1），運(yùn)用高溫膠水將2（引弧板）和1（楔形板）電弧焊接固定不動，并按照設(shè)置的焊接標(biāo)準(zhǔn)主要參數(shù)在焊接面從引弧板開始向楔形板方位開始焊接，一起使用錄像儀計(jì)錄各精確測量部位溫度隨時間變化狀況;但這種方法任務(wù)量比較大，與此同時還要將引弧板和楔形板開展拼裝固定不動，以便焊接時兩板無縫拼接融合，但其缺乏必需輔助定位裝置。閻啟公開了一種激光器焊接熱循環(huán)參數(shù)測試方法以及設(shè)備，先往二塊焊接試板中間擺放一楔形條，與楔形條斜坡相對應(yīng)焊接試板的端口做為溫度沿測量面，該焊接試板端口分布多個供擺放熱電偶的埋孔，并相對應(yīng)設(shè)定熱電偶，設(shè)備選用埋入熱電偶的形式進(jìn)行溫度測量，但必須提前做好打孔實(shí)際操作，比較庥煩。由于打孔插入式的繁瑣性，肖薇薇[7]現(xiàn)以發(fā)明一種焊接熱循環(huán)曲線測定儀（見圖2），公開了一種無需進(jìn)行打孔插入熱電偶，如圖所示，該裝置能對焊接板進(jìn)行有效支撐固定，并且省去了打孔埋入的復(fù)雜性。

3 間接測量法

3.1 熱成像與熱模擬技術(shù)

熱電偶測量焊接熱循環(huán)曲線方法實(shí)時性差、精度低、耗人力物力，同時由于機(jī)械慣性的影響，難以獲得具有明顯冷卻相變過程特征的熱循環(huán)曲線，為此，間接測量法逐漸展露出來，其中包括熱模擬、熱成像、相關(guān)軟件等的研發(fā)與應(yīng)用。由安俊超[8]等人利用美國FLIR紅外熱像儀ThermaCAMTM-P65（見圖2）實(shí)時地形測繪。儀器具備測溫速度更快、高靈敏度、熱惰性偏差小、合適遠(yuǎn)程控制測溫的優(yōu)勢，根據(jù)避免觸碰來擺脫精確測量焊接溫度的難題[9]。其焊接過程是把焊接好一點(diǎn)的無縫鋼管立在架子上，讓兩位嫻熟的焊工順著環(huán)焊縫反方向焊接，每個人焊接1/2圓。根據(jù)焊接過程中紅外熱成像儀所成像圖，帶來了焊縫槽地區(qū)焊接過程的實(shí)時記錄。結(jié)果表明紅外熱成像儀測定焊接熱循環(huán)曲線與傳統(tǒng)方法相比，測定過程更為方便、測溫精度更高、實(shí)時性更強(qiáng)。

利用模擬計(jì)算的方法算出焊接溫度場，從而獲得焊接構(gòu)件某點(diǎn)的熱循環(huán)曲線圖早已廣泛獲得應(yīng)用，但大量科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，用熱仿真模擬方式獲得的仿真模擬組織和具體焊接組織在性能上、組織結(jié)構(gòu)上的一致性關(guān)鍵在于二者經(jīng)歷過的焊接熱循環(huán)特征參數(shù)是否一致。陳家權(quán)[10]等運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)制定了一套焊接熱循環(huán)動態(tài)檢測系統(tǒng)軟件。結(jié)果表明，金屬薄板焊接流程的模擬計(jì)算結(jié)論與試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果較為符合，驗(yàn)證了焊接熱循環(huán)數(shù)值模擬過程的合理化，說明單片機(jī)應(yīng)用可作為多一點(diǎn)精確測量焊接熱循環(huán)的靠譜檢測方式。

在數(shù)據(jù)采集較好完成后，并因此構(gòu)成了很多軟件開發(fā)平臺，胡艷華[11]等建立了焊接熱循環(huán)試驗(yàn)操作程序系統(tǒng)。該應(yīng)用軟件系統(tǒng)由焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模塊、焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)收集模塊、焊接熱循環(huán)主要參數(shù)測算模塊三個模塊構(gòu)成。集自動式信號檢測、貯存、測算處理功效于一體，能夠以合適的文件格式說明或記錄檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明焊縫區(qū)焊接熱循環(huán)測試程序的設(shè)計(jì)方案高效地填補(bǔ)了焊縫區(qū)焊接熱循環(huán)科學(xué)研究的缺陷，為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行材料焊接性的評定研究工作提供了必要.結(jié)果表明所研制出焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用便捷靠譜、性能平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。馮瑩瑩[12]以Windows XP系統(tǒng)為題材，運(yùn)用LabVIEW8．2和STEP7開展程序編寫自主開發(fā)出焊接熱循環(huán)計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用該軟件可以實(shí)現(xiàn)焊接熱循環(huán)流程的在線模擬，定量分析地體現(xiàn)與敘述危害各熱循環(huán)主要參數(shù)的重要因素以及內(nèi)在聯(lián)系。通過采集焊接熱循環(huán)曲線和試樣的組織形貌，該軟件可以剖析進(jìn)行峰值溫度等主要參數(shù)對焊接熱影響區(qū)機(jī)構(gòu)性能影響實(shí)驗(yàn)分析，完成焊接熱循環(huán)全過程在線模擬的實(shí)用價值?，F(xiàn)階段的電子計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)多數(shù)為ＡＢＡＱＵＳ手機(jī)軟件仿真模擬熱循環(huán)全過程，該軟件擁有更多的模塊類型，更多材料模型，能解決更多非線性問題的優(yōu)勢，針對焊接熱循環(huán)曲線圖有最準(zhǔn)確的解讀。焊接熱模擬系統(tǒng)已經(jīng)涉及到焊接冷卻過程中相變機(jī)理，但無法在已經(jīng)有系統(tǒng)中檢驗(yàn)并給出進(jìn)一步科學(xué)研究。

3.2 直接測量與間接測量結(jié)合

測溫元件在得到焊接熱循環(huán)曲線后，必須測算焊接熱循環(huán)的基本參數(shù)。依據(jù)從原始焊接熱循環(huán)推導(dǎo)出來的數(shù)學(xué)模型。例如，祁文軍和楊偉[14]在精確測量高碳鋼金屬薄板堆焊的焊接熱循環(huán)時，在相同條件下建立模型，利用焊接熱循環(huán)基礎(chǔ)理論計(jì)算模型的熱循環(huán)狀態(tài)參數(shù)，并和實(shí)際測量進(jìn)行對比。結(jié)果表明了數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性。伍強(qiáng)[15]利用疊加定理設(shè)立了激光器焊接高強(qiáng)鋼的熱循環(huán)實(shí)體模型，再對該實(shí)體模型展開了深入分析測算，獲得了熱影響區(qū)的理論熱循環(huán)曲線。結(jié)果表明，具體熱循環(huán)曲線與焊接熱循環(huán)解析結(jié)果接近。結(jié)果表明，點(diǎn)-線熱源的數(shù)學(xué)模型可以體現(xiàn)激光器焊接高強(qiáng)鋼的熱循環(huán)全過程。

該模型計(jì)算全過程繁雜，偏差比較大，難以獲得精確的數(shù)據(jù)信息。由單片機(jī)8301所組成的焊接熱循環(huán)試驗(yàn)儀的實(shí)用性、準(zhǔn)確性可靠性還有待提升。伴隨著計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和程序編程技術(shù)發(fā)展，焊接熱循環(huán)和變形測量法開始向自動化技術(shù)和人工智能化。世界各國一些焊接工作者已將焊接熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)的硬件軟件系統(tǒng)軟件結(jié)合在一起[16]。奐永慧和黃嗣羅[17]分別基于簡單C語言和VB語言的系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)采集、處理和顯示熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)過程中的實(shí)時溫度與時間關(guān)系曲線，介紹了電弧焊接熱循環(huán)過程中熱影響區(qū)溫度場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法，并取得了較為不錯的效果。袁少波[18]采用普通兼容PC機(jī)作為微機(jī)、C++Builder7.O 作為開發(fā)工具、MSAccess為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對熱循環(huán)冷卻曲線以及溫度變化點(diǎn)展開了檢測，發(fā)現(xiàn)焊接冷卻相變在熱循環(huán)曲線上存在溫度點(diǎn)。王澤平[19]利用MATLAB條件下PC機(jī)與Arduino的即時串口通信和數(shù)據(jù)分析方法（見圖5），得到K型熱電偶焊接溫度場的數(shù)據(jù)和信息（I級誤差范圍大約為0.4%t，II級誤差范圍也做到0.75%t）。根據(jù)MATLAB實(shí)時曲線繪制和焊接熱循環(huán)剖析，優(yōu)化了焊接熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)步驟，有利于進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)過程。

4 焊接熱循環(huán)的應(yīng)用

焊接技術(shù)性廣泛用于石油化工設(shè)備、電力工程、船只和公路橋梁等領(lǐng)域，焊接品質(zhì)完全取決于精確科學(xué)合理的焊接加工工藝。焊接工藝技術(shù)制訂必須精確測量焊接熱循環(huán)曲線圖和特征參數(shù)。在焊接過程中，當(dāng)熱原沿被焊預(yù)制構(gòu)件挪動時，被焊預(yù)制構(gòu)件上某一點(diǎn)的溫度隨著時間變動的過程稱之為焊接熱循環(huán)。焊接熱循環(huán)曲線圖包括了焊接冷卻過程的關(guān)鍵信息，如焊接接頭溫度改變和冷卻相變，針對掌握焊接冷卻相變過程、街頭組織、和提高焊接質(zhì)量都具有重要意義[20]。馬世成[21]通過MMS-300熱力模擬機(jī)探討了熱循環(huán)峰值溫度對09MnNiDR鋼熱影響區(qū)組織和性能的影響，并結(jié)合光學(xué)、掃描、透射電子顯微鏡技術(shù)對焊接熱影響區(qū)的組織進(jìn)行了觀察。結(jié)果顯示，伴隨著最高值溫度的上升，09MnNiDR低溫壓力容器鋼的顯微鏡組織由金相組織和鐵素體轉(zhuǎn)變成顆粒狀貝氏體，M-A組織形狀由小塊轉(zhuǎn)變成條形。在其中，金屬間化合物是影響熱影響區(qū)超低溫延展性的重要因素，特別是金屬間化合物的結(jié)構(gòu)。王麗敏[22]通過焊接熱模擬試驗(yàn)，研究調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼Q890D在不同冷卻速度條件下的沖擊性能和組織形貌。結(jié)果顯示：Q890D高強(qiáng)度鋼板焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的顯微鏡組織為奧氏體和貝氏體，貝氏體成分伴隨著t8/5的提高而變化，而-20沖擊功伴隨著t8/5的提高先提高后減少。t8/5焊接熱熱循環(huán)主要參數(shù)是剖析焊接熱影響區(qū)組織和性能的核心數(shù)據(jù)，是制訂、點(diǎn)評和改進(jìn)焊接加工工藝的重要指標(biāo)。因而，焊接熱循環(huán)曲線的精確測量、計(jì)算和分析具有重要指導(dǎo)意義和實(shí)用價值。

5 結(jié)論

（1）我國學(xué)者的研究內(nèi)容主要偏向于焊接熱循環(huán)參數(shù)計(jì)算，較少的研究與開發(fā)模擬焊接熱循環(huán)過程的軟件。（2）焊接熱循環(huán)曲線測量的應(yīng)用場景廣泛，但目前還尚未研制出能符合任一場景的測量儀器。（3）焊接熱循環(huán)在線模擬軟件尚未能分析材料的組織性能，這是有待開發(fā)的一大難題。

項(xiàng)目資助：陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（18JK0158）；陜西理工大學(xué)“課程思政”教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（KCSZ2007）;2022年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202210720050）（S202210720043）；陜西理工大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目（SLGKY2017-12）。

參考文獻(xiàn)：

[1]KNIPSTRON KARL-ERIK. New Aluminum welding Method[J].Sheet Metal Industries，1996，73（3）：33-34.

[2]陳麗，陸祖輝，趙偉等焊接工藝參數(shù)對焊接接頭溫度場的影響[J].熱加工工藝，2019，48（15）：150-153.

[3]許祖澤.熱模擬技術(shù)——金屬材料性能研究的重要手段[J].新技術(shù)新工藝，1982（01）：12-13.

[4]林貽強(qiáng)，芮冬梅.熱電偶測量端的焊接方法[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2001（06）：38-39.

[5]黃錫鎬，黃家華.焊接熱循環(huán)測量方法[J].上海機(jī)械，1964（06）：14-16.

[6]鄭志霞，范益，邱保文. 一種測定鋼板焊接熱循環(huán)溫度曲線的方法及裝置[P].CN104267061B，2017-01-25.

[7]肖薇薇.一種焊接熱循環(huán)曲線測定儀[P]. CN110398511A，2019-11-01.

[8]安俊超，荊洪陽，徐連勇.一種用紅外熱成像儀測定焊接熱循環(huán)的新方法[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44（02）：148-151.

[9]王超，茍學(xué)科，段英等.航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片溫度測量綜述[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2018，37（04）：501-512.

[10]陳家權(quán)，肖順湖.薄板焊接熱循環(huán)的測定[J].熱加工工藝，2006（02）：60-61+64.

[11]胡艷華，陳芙蓉.解瑞軍.焊縫區(qū)焊接熱循環(huán)測試程序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（05）：93-96.

[12]馮瑩瑩，駱宗安，張殿華. 焊接熱循環(huán)過程的在線模擬與應(yīng)用[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（01）：86-89.

[13]楊宗輝，沈以赴，柳秉毅.基于虛擬儀器的焊接熱循環(huán)測試系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（13）：98-99.

[14]楊偉，祁文軍.計(jì)算機(jī)輔助焊接熱循環(huán)的測試與分析[J].焊接技術(shù)，2004（05）：9-11.

[15]伍強(qiáng)，楊永強(qiáng)，徐蘭英.激光焊接熱循環(huán)的試驗(yàn)分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（05）：29-32.

[16]童彥剛，侯廷紅，胡旺等新型焊接熱循環(huán)測試與分析系統(tǒng)的研究[J].焊管，2003（05）：16-19+61.

[17]黃嗣羅，張建勛，曾旭東.焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[J].焊接技術(shù)，2005（03）：19-21.

[18]袁少波，童彥剛，王文鋒.焊接熱循環(huán)曲線及相變點(diǎn)測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電焊機(jī)，2005（04）：47-51.

[19]王澤平，房雲(yún)峰，姜寶龍.基于Arduino的焊接熱循環(huán)測試系統(tǒng)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（09）：248-249.

[20]方修洋，李志剛，張建勛.焊接熱循環(huán)與動態(tài)變形測量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].焊管，2013，36（08）：28-31.

[21]馬世成，楊銳，周丙峰.焊接熱循環(huán)峰值溫度對09MnNiDR鋼熱影響區(qū)組織和性能的影響[J].中國特種設(shè)備安全，2022，38（09）：41-45.