基于光纤Bragg光栅传感器的铝合金堆焊应力测试

郑卜祥

(西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049)

基于光纤Bragg光栅传感器的铝合金堆焊应力测试

郑卜祥

(西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049)

大型结构件的焊接应力应变测试一直是研究的热点和难点。针对目前大型结构件焊接应力应变在线实时监测手段存在不耐高温和测试精度不高等问题，提出了一种基于光纤Bragg光栅(FBG)传感器的焊接应力应变在线实时监测方法。采用该方法构建了基于FBG传感器的焊接应力应变在线监测系统原理，并对LD10铝合金板材进行了TIG堆焊的温度和应力应变在线监测试验，得出了中心横截面和离焊缝中心15mm处纵截面上的温度和应变以及焊后残余应变的分布情况。试验表明，FBG传感器在焊接应力在线监测中具有合理性和实用性，能准确测试焊接时的温度和应变分布，且测试对象的温度可达350℃，这为大型结构件焊接应力在线实时监测提供了一种先进方法。

铝合金；应力；测试；焊接；传感器；光纤Bragg光栅

0 前言

大型结构件的焊接应力应变一直是人们关注的焦点和研究的难点[1-2]。了解焊接温度与应力应变的分布情况，有利于及时采取措施控制焊接变形。对于大型结构件的应力应变测试大多采用电阻应变片，其电绝缘的好坏、绝缘电阻的大小、耐高温的程度、外形结构的尺寸、基底材料与介质的侵蚀程度等因素都将影响测量精度，使其越来越不适应现代大型重要工程结构件在线监测的需要。

光纤传感技术是20世纪70年代随着光纤及其通信技术发展起来的，是利用光纤对某些特定物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可直接测量光信号的技术。它代表了新一代传感技术的发展趋势，具有“传”“感”合一的特点[3]，已成为国内外最具有发展前景的高新技术之一，其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广[4]。光纤光栅传感器是一种以光波为载体、光纤为媒质的点式传感器[5]，能进行温度和应变测量，具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高、耐久性强、可实现远距离分布式实时监测等优点，在工程结构监测方面具有很强的竞争力，并广泛应用于航空航天、船舶、兵器、电力、桥梁、堤坝、边坡、隧道、建筑等领域[6-14]。

尽管光纤传感技术在线实时监测的应用已比较广泛，且J.C.SUAREZ等人曾利用光纤Bragg光栅(FBG)传感器对焊接残余应力进行过测试[15]，但对FBG传感器进行焊接实时耐高温测试的应用还未见报道。因此，利用FBG传感器实时监测焊接结构在线瞬时高温的研究尤为重要。在此提出了一种基于FBG传感器的焊接结构件多耦合场在线监测方法。

1 FBG传感器的传感原理与测试

1.1 FBG传感器的传感原理

光纤Bragg光栅(FBG)是一种最简单最普遍的光纤光栅，是一段折射率呈周期性变化的光纤无源器件，其折射率调制深度和光栅周期一般为常数，它是通过外界参量对Bragg中心波长的调制来获取信息，避免了光纤光栅中各种光强起伏引起的干扰，更有利于利用波分复用技术构成分布式传感网络，实现大范围内多点实时监测，其传感原理如图1所示。由宽带光源发出的宽入射光波(入射光谱)经光纤耦合器导入FBG传感器中，一部分透射出去，一部分反射回窄光波(反射光谱)到耦合器中由光谱分析仪接收。当光栅受到拉伸、挤压和热变形时，影响光栅周期Λ和光纤纤芯有效折射率neff，使光栅的反射Bragg中心波长λB和透射光谱发生变化，通过检测其变化，实现被测结构的应力应变和温度测量[16-18]。

图1 FBG的传感原理Fig.1 Sensing principle of fiber Bragg grating

1.2 测试试件和工艺

针对航天铝合金大型结构件焊接现场要求，对其试件进行基于FBG传感器的焊接结构件多耦合场在线应力监测试验。试件为600 mm×600 mm×6 mm的LD10CS(2A14)高强铝合金板材，其化学成分如表1所示，主要组成有α(Al)、θ(CuAl2)、S(Al2CuMg)、W(Cu4Mg5Si4Al4)、Mg2Si以及杂质相(FeMnSi)Al6、(AlMnSi)等[20-21]。

表1 LD10铝合金化学成分Tab.1 LD10 aluminium alloyed chemic component%

在试件中心进行TIG堆焊，采用WSE-315B逆变交直流氩弧焊机施焊，焊接工艺参数为：电流280 A，电压20 V，频率50 Hz，焊缝间隙1.5 mm，焊接速度3 mm／s，保护气体流量15 L／min，热输入效率0.6。铝合金线弹性系数较大，容易产生焊接热应变及弹性变形，约束条件为两端压紧。焊接时大约在离起焊点350 mm处有短暂的间歇停顿，焊接后正面焊缝宽约16 mm，反面焊缝宽约10mm。试验采用SA-102胶粘剂A∶B(1∶1)和美国UV胶同时粘贴FBG传感器后加热固化，可耐高温800℃，并在温度传感段钢管上涂上导热硅脂以便导热及时充分。

1.3 计算方法

图2 LD10铝合金不同温度下的弹性模量Fig.2 Modulus of elasticity for LD10 aluminium alloy of different temperature

2 基于FBG传感器的堆焊应力测试原理

焊接应力在线监测是指通过先进的监测仪器、设备、数据传输等构成的系统实时监测焊接结构的工艺性、应力应变场、温度场和变形的整体行为，并分析其应力应变和温度分布规律，以便找出合理的焊接顺序和工艺参数进行实时调整来控制焊接变形，达到高质量焊接的目的。试验采用基于FBG传感器波长解调的温度与应变分布式测量方法，其焊接应力应变在线监测系统原理如图3所示，主要由TIG焊机、FBG传感器的堆焊应力测试系统、光纤光栅解调器或光谱分析仪、监控计算机、光纤光缆通信传输网络等部分构成，其中监控计算机采用多线程模式的高速光纤光栅解调系统进行数据采集与处理。

在焊接应力监测现场待测量处安装光纤光栅应力、温度传感器，根据位置和初始中心波长将多个传感器串接在同一条光纤线缆上，形成监测现场的分布式网络，每路传感器串联链为一个通道。试验所用光纤光栅解调器为四通道，每个通道可同时串联20个光栅，波长范围大于等于40 nm，分辨率10 pm，扫描频率50 Hz；所用FBG传感器中心波长范围1280～1322 nm，分辨率小于等于0.1%FS，测试精度小于2%FS，反射率大于90%，反射谱带宽约0.25 nm。将每路传感器串联链通道接入多通道的光纤光栅解调器中，对其中心波长进行解调分析，并与初始值比较，计算得出改变传感器中心波长的外部应变或温度，然后输入监控计算机的数据采集系统中进行数据采集、计算、分析、显示、存储和整理。

图3 基于FBG传感器的焊接应力应变在线监测原理Fig.3 On-line monitoring schematic diagram of Welding stress-strain based on FBG sensors

在布点测量时，每个通道中各个FBG传感器中心波长各不相同，其间隔要满足实际测量需要。LD10铝合金常温屈服强度为380MPa，弹性模量71 GPa，对应的应变约为5 352με，而焊接时应力必须屈服，即使在离焊缝中心15 mm处，应力也会很大，对应的FBG中心波长变化约为5000pm。为保证测试时相邻中心波长不相互交叉而产生干涉，且满足通道数要求以减少成本，布点时应综合考虑FBG中心波长范围和间隔的要求，同一通道中尽量选择反射率一致的FBG，可避免次峰和伴模对光纤光栅解调器的干扰。试验中光栅波长范围限制相隔4000～8000pm，为防止因温度过高引起焊接过程中部分光栅出现断裂而引起串行，其波长大小在测点上也应按大小顺序排列，由波长小的一头接入解调器中。同时，尽量将每个测点的温度和应变传感器安装在相近的位置，使其附近温度相同或相近，还能让位置相似的应力传感器共用一个温度补偿传感器进行温度补偿。

3 测试结果和分析

3.1 实时应力分布

按上述原理对堆焊试件中心横截面和离焊缝中心15 mm处纵截面上各测点的温度和应变进行在线实时监测，得出各测点FBG波长的变化情况，考虑温度补偿技术后计算得出温度和应变变化分布，如图4、图5所示。

图4 中心横截面温度与应变变化分布Fig.4 Distributed diagram of temperature and strain at centre cross section

图5 离焊缝中心15 mm处纵截面上温度与应变变化分布Fig.5 Distributed diagram of temperature and strain at 15 mm away from weld centre-line

由图4可知，中心横截面上温度和应变的分布规律性较好，也正常反映了实际焊接情况。各点温度和应变均在同一时间段内达到最大值，且各点应变滞后于温度，离焊缝中心越远处，滞后时间越长；离焊缝中心越近，温度越高，两个方向的应变越大，且先达到最大值；在远离焊缝中心约175 mm以上处，温度和应变变化平缓，其值较小且相差不大，约50℃和48 MPa。由于试验中途有瞬时停顿，使图4中变化趋势均明显表现出两个峰值，温度和应变都是两次增加和减小，且在离焊缝中心距离较远处多个峰值不明显。由图4a可知，中心横截面上离焊缝中心15 mm、25 mm、35 mm、50 mm、105 mm、175 mm、245mm处的温度分别最大可达275℃、210℃、168℃、130℃、78℃、55℃、49℃，说明在离焊缝中心175 mm以上处温度升高不多，铝板边缘散热较快。由图4b可知，在中心横截面上离焊缝中心15 mm、25 mm、35 mm、50 mm处平行于焊缝方向的纵向应变最大为5090με、3300με、3400με、2 618με，其对应温度下的弹性模量分别为57 GPa、60.5 GPa、64 GPa、67.3 GPa(见图2)，计算得出其对应的最大在线焊接应力分别为290MPa、199.65MPa、217.6MPa、176.19MPa；在35 mm处比25 mm处应变略偏大，可能是焊前加热固化美国UV胶时引起的变形误差。由图4c可知，在中心横截面上离焊缝中心35 mm、105 mm、175 mm、245 mm处垂直于焊缝方向的横向应变最大分别为3540με、1 175με、750με、638με，其对应温度下的弹性模量分别为57 GPa、70.28 GPa、70.56 GPa、70.64 GPa，可得其对应的最大在线焊接应力为201.78 MPa、82.58 MPa、52.92 MPa、45 MPa。说明离焊缝中心越远处，在线焊接应力较小且相差不大。

由图5可知，离焊缝中心15 mm处纵截面上温度和应变的分布不是很明显，这是因为离焊缝中心距离太近，温度较大，引起光栅波长突变较大，数据容易失真和串行。但总体呈现出一定的规律性，说明光纤光栅能在较高温度下进行焊接应力应变测试，温度可达350℃。在从起焊点到收弧点间的焊接过程中，随测点离起焊点纵向距离的增加，温度和应变依次增加，且存在明显的时间依次滞后。因试验中途有瞬时停顿，图5中也明显表现出两个峰值，且在离停顿点较远处多个峰值不明显，甚至仅有一个峰值。同时，在离焊缝中心15mm处纵截面上温度的最大值相差不大，最大温度约275℃～340℃，而应变的最大值约3 800～5 800με，对应的焊接应力约216.6～311.5 MPa，且在离起焊点较近处，温度和应变的最大值相对较小；在离收弧点较近处，温度和应变的最大值相对较大。而图5中离收弧点50 mm处的温度和应变却很小，可能是在收弧点较近处，因前面传递的累积温升突变较大，使光栅波长突变较大而出现了温度和应变数据失真的干涉现象，该点数据应视为无效。

3.2 残余应力分布

在焊后24 h利用FBG传感器对试件进行残余应变测试，比较焊接前后的波长变化，由应变灵敏系数1pm／με得出相对于焊前的残余应变分布如图6所示，由室温下LD10铝合金弹性模量71 GPa即可知其残余应力分布。由图6可知，中心横截面上两个方向的残余应力均表现为离焊缝中心越近，应力越大，且为拉应力，离焊缝中心越远，表现为压应力。离焊缝中心15 mm处纵截面上平行于焊缝方向的残余应力表现为中间受拉、两头受压，且离焊缝中心横截面越近，拉应力越大，离板材边缘越近，压应力越大。

4 结论

在此提出了一种基于FBG传感器的焊接结构件多耦合场在线监测方法，在单根光纤上布置多个不同参数和测点的测量光栅形成分布式网络，以实现复杂环境下一线多点多参数分布式测量。该方法采用FBG传感器对航天常用LD10铝合金TIG堆焊结构件进行了实时应力应变测试，实现了较高温度下焊接热影响区应力的实时监测，测试对象的温度可达350℃。试验分析了焊接温度和应力应变以及焊后残余应变的分布规律，结果表明：FBG传感器在焊接应力在线监测中具有可行性、合理性和实用性，能准确测试焊接温度和应变分布，这为大型结构件焊接应力在线实时监测提供了一种先进方法，具有广泛的应用前景。

图6 残余应变分布Fig.6 Distributed diagram of residual strains

[1]王者昌.关于焊接应力应变问题的再探讨[J].焊接学报，2006，27(8)：108-112.

[2]郑卜祥，宋永伦，席 峰，等.对接焊铝合金板材残余应力的X射线测试[J].机械工程学报，2009，45(3)：275-281.

[3]温立志，张戌社.光纤FBG光栅传感测试技术研究及其应用[J].石家庄铁道学院学报，2004，17(4)：71-74.

[4]姜德生.我国光纤传感器的发展与产业化[J].世界仪表与自动化，2002，6(1)：8-10.

[5]赵启林.混凝土健康监测与损伤识别[M].南京：东南大学出版社，2004.

[6]Ecke W，Latka I，Willsch R，et al.Fiber optic sensor network for spacecraft health monitoring[J].Measurement Science and Technology，2001，12(7)：974-980.

[7]Read I J，Foote P D.Sea and flight trials of optical fiber Bragg grating strain sensing systems[J].Smart Materials and Structures，2001，10(5)：1085-1094.

[8]石庚辰.光纤传感器在引信测试技术中的应用[J].现代引信，1993(1)：21-24.

[9] Lee H W，Jin Z X，Song M H.Investigation of fiber Bragg grating temperature sensors for applications in electric power systems[A].Proceedings of SPIE[C].Beijing：the International Society for Optical Engineering，2005：579-584.

[10]Chan T H T，Yu L，Tam H Y，et al.Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma Bridge：background and experimental observation[J].Engineering Structures，2006，28(5)：648-659.

[11]Bronnimann R，Nellen P M，Anderegg P，et al.Application of optical fiber sensors on the power dam of Luzzone[A].Proceedings of SPIE[C].Budapest，Hungary：the International Society for Optical Engineering，1998：386-391.

[12]Yukimi Y，Yoshiok，Eiji M，et al.Development of the monitoring system for slope deformations with fiber Bragg grating arrays [A].Proceedings of SPIE[C].San Diego，USA：the International Society for Optical Engineering，2002：296-303.

[13]Nellen P M，Frank A，Bronnimann R，et al.Optical fiber Bragg gratings for tunnel surveillance[A].Proceedings of SPIE[C].Newport Beach：the International Society for Optical Engineering，2000：263-270.

[14]李志刚，赵启林.混凝土结构内部应变光纤检测试验研究[J].东南大学学报(自然科学版)，2004，34(2)：257-259.

[15]Suarez J C，Remartinez B，Menendez J M，et al.Optical fibre sensors for monitoring of welding residual stresses[J].Journal of Materials Processing Technology，2003(143-144)：316-320.

[16]Leng J S，Asundi A.Structural health monitoring of smart composite materials by using EFPI and FBG sensors[J].Sensors and Actuators，2003，103(3)：330-340.

[17]Lau K T，Yuan L B，Zhou L M，et al.Strain monitoring in FRP laminates and concrete beams using FBG sensors[J].Composite Structures，2001，51(1)：9-20.

[18]赖小华，蒋智勇，刘小会.光纤Bragg光栅的传感原理及实验分析[J].井冈山学院学报(自然科学版)，2006，27(12)：20-22，38.

[19]张志鹏，GAMBLING W A.光纤传感器原理[M].北京：中国计量出版社，1991.

[20]林 钢，林慧国，赵玉涛.铝合金应用手册[M].北京：机械工业出版社，2006：416-423.

[21]王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册[M].长沙：中南工业大学出版社，1989：240-243.

[22]郑卜祥，宋永伦，张东生，等.光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究[J].仪表技术与传感器，2008(11)：12-15，23.

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

郑卜祥(1980—)，男，湖北荆州人，工程师，博士，主要从事机械设计制造、焊接结构分析、激光高速扫描、激光微纳加工、和光电子微纳制造等方面的研究工作。