热处理炉温场均匀性测试及测量不确定度评定

姜永元

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266111

焊接结构的金属材料零部件普遍存在焊接应力，因此在组装使用前，必须将其放置在温场均匀的热处理炉中进行工艺热处理，消除零部件内部存在的焊接残余应力，通过适当的热处理可以减小零部件的结构变形，消除裂纹倾向[1]。热处理工艺还能够消除金属材料的组织缺陷，均匀金属材料的组织成分, 由此可见，提高热处理炉的温场均匀性，是提高金属材料零部件热处理质量的保障。

1 影响热处理炉温场均匀性的因素及预防措施

（1）热处理炉的密封性能对温场均匀性影响很大，如果不能保证热处理炉的密封性，炉内温场和环境温场两个冷热程度不同的温场就会产生热量交换，使热处理炉内的热平衡状态不断受到破坏，影响金属材料零部件的热处理质量。

（2）热处理炉应安装自动变频热风循环系统，通过风机循环，使热处理炉内的温度分布均匀，从而起到有效的均温效果，对提高热处理炉温场均匀性有很大的帮助。

（3）热处理炉加热元件材质对温场均匀性也存在一定的影响，例如某金属材料零部件的热处理过程从室温升至600℃，再经过保温、冷却至低于400℃出炉。加热元件在热处理过程中，由于反复的热胀冷缩作用，材料内部会频繁出现交变热应力。普通加热元件材料中有金属夹杂物及晶界等缺陷，当频繁的交变热应力大于其疲劳极限后，缺陷处就会形成滑移带，滑移带中的缺陷会形成裂纹源，最终会导致加热元件断裂，影响热处理炉的温场均匀性。采用优质高电阻合金材料Cr20Ni80 作为加热元件，Cr20Ni80 具有电阻率均匀稳定、熔点高、热膨胀系数小、抗氧化性能及高温性能好的优点，可以有效提高热处理炉的温场均匀性。

合理分配热处理炉的加热区，加热元件的布置与加热区段的设置相对应，每个加热区内布置一个独立的加热组，不能有跨区布置的现象。

（4）减小干扰对炉温控制系统的影响。炉温控制系统在工作过程中受到的干扰因素很多，在高温情况下，干扰主要来源于纵向干扰（温度传感器对地间的干扰）和横向干扰（温度传感器间的干扰）。纵向干扰信号一般可达到几伏甚至一百伏，横向干扰一般可达几毫伏甚至几十毫伏。干扰信号能够通过信号线进入炉温控制系统，使炉温采集仪产生几度、几十度的测温误差，甚至使炉温控制系统不能正常工作，为了防止干扰信号对炉温控制系统的影响，应采取一定的抗干扰措施[2]。

①纵向干扰主要是由高温漏电引起的。应切断漏电流的途径或者使其降低到最小值。采用三线制热电偶或将热电偶保护管接地，可以将干扰电压短接或干扰电流沿着保护管通地，这样干扰信号就不会引入到温度传感器，对温度测量不会产生影响。②横向干扰主要由炉温采集仪信号输入端子间引入的交流信号所造成的干扰。信号线应远离干扰源并采用相互绞合的敷设方式，这样可以有效减小磁通穿过信号线以及静电感应引入的干扰；绞合后的信号线使用金属套管安装，同时将金属套管接地，这样可以有效屏蔽磁通量，减弱干扰对信号输入端子的干扰。

2 温场均匀性测试

温均匀性测试的目的是确定热处理炉炉膛内温度的空间分布特性和时间分布特性，这样可以确定热处理炉有效工作区域的大小和位置，确保热处理工件在有效工作区间内受热，使金属材料零部件的微观组织尽可能处于同一种状态，防止零部件比容差异所造成的结构变形。

2.1 温场均匀性测试装置

温场均匀性测试装置由温度传感器（组）、信号采集系统、信号及数据处理系统组成，工作原理如图1。

（1）温度传感器采用1 级、N 型热电偶，N 型热电偶的高温抗氧化性能好、热电特性稳定、耐辐射性能好的优点，在（375-1000）℃温度测量范围内的允许偏差为：±0.004t，能够实现精确测温。

（2）由于热处理炉的工作环境温度波动变化较大，在温场均匀性测试过程中，温度传感器无法对炉温进行测量。应将温度传感器的参考端使用补偿导线延伸至温度稳定的环境中，使参考端处于稳定的环境温度，再利用参考端温度补偿器自动补偿考端温度变化造成的影响，提高测温精度。

表1 温度测试点数量

（3）使用专用捆扎丝将温度传感器的测量端牢固地绑扎在温场测温架的测试点上，避免在高温环境下不同材质的金属对温度传感器造成污染。

（4）温场均匀性测试装置可同时连接多路温度传感器，能够同时读取并显示各通道的实时温度值及升温、保温曲线，不同通道曲线采用不同颜色的曲线表示，直观反映被测对象的温度波动情况，记录并存储实测数据。将温度传感器修正值输入采集系统，对测试数据进行自动修正，提高测温精度。

（5）空载或装载的情况下，均不能在高于测试温度后，再降温至测试温度进行温场均匀性测试。当炉温控制系统或温场均匀性测试装置中的第一通道测试温度到达温场均匀性允差下限时开始采集数据，测试过程中，温度测试值不得大于温场均匀性的允差上限，测试时间间隔和测量次数根据热处理炉的工艺保温时间确定。经数据处理后，温度偏差的最大值、最小值均不得大于温场均匀性的允差要求[3]。

2.2 温场均匀性测试点的选择

根据GB/T9452《热处理炉有效加热区测定方法》规定，首先要明确热处理炉的炉膛尺寸，根据炉膛尺寸计算出热处理炉工作区域的容积，通过表1 确定热处理炉温场均匀性测试点的数量。

3 热处理炉温场均匀性测试的测量不确定度评定

3.1 测试方法

以容积为90m3的热处理炉为实例，类型为Ⅴ，由表1 确定该热处理炉的温度测试点数量为25 个。将温度传感器的测量端捆扎在置于热处理中的金属测温架上，在保温状态下进行温场均匀性测试。

3.2 测量模型

△θ+=tpmax-tp

式中：

△θ+——炉温均匀度，℃；

tpmax——各测温点实际温度的最大值，℃；

tp——中心点的实际温度值，℃。

3.3 输入量tpmax 重复性测量引入的不确定度分量u1

热处理炉测试温度590℃时，温场均匀性测试装置进行了10次独立重复测量，所测得数据：596.12℃、595.07℃、595.62℃、596.04℃、596.17℃、595.77℃、595.80℃、596.05℃、595.66℃、595.70℃，则：

3.4 温场均匀性测试装置修正值引入的不确定度分量u2

由校准证书可知，温场均匀性测试装置在600℃的测量不确定度U=0.20℃，k=2，则：

u2=0.20/2=0.10℃

3.5 温均匀性测试装置分辨力引入的不确定度分量u3

温场均匀性测试装置的分辨力为0.01℃，按均匀分布处理，取k=，则：

3.6 温均匀性测试装置年稳定性引入的不确定度分量u4

温场均匀性测试装置的年稳定性为0.20℃，按均匀分布处理，取k=，则：

3.7 合成标准不确定度

由于各不确定度分量之间互不相干且相互独立，因此不确定度合成为：

3.8 热处理炉温场均匀性测量结果的扩展不确定度

4 结语

热处理炉是金属热处理工艺的关键设备，提高热处理炉的温场均匀性，是消除金属材料零部件残余应力及组织缺陷的关键环节，本文系统性分析了影响热处理炉温场均匀性的因素及预防措施，同时对温场均匀性测试进行了阐述，对于制造业热处理工艺有一定的借鉴和参考作用。