基于光纤布拉格光栅传感器的铝合金堆焊应力在线监测技术研究

文献概况

郑卜祥在《电焊机》2011年第41卷第10期发表的研究论文，提出了一种基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器的焊接应力应变在线实时监测方法。该研究以LD10铝合金板材TIG堆焊为对象，成功实现了焊接过程中温度和应变的同步在线监测，为大型结构件焊接应力控制提供了新的技术手段。

技术原理与系统构建

FBG传感器的工作原理基于布拉格反射条件：当光波通过光纤光栅时，满足布拉格波长条件的光被反射，而布拉格波长与光纤的应变和温度呈线性关系。这一特性使得FBG传感器能够同时感知温度和应变信息，且不受电磁干扰，适合焊接这类强电磁环境。

与传统电阻应变片相比，FBG传感器具有以下显著优势：

文献中构建的监测系统原理为：将FBG传感器预先布置在焊接区域的关键位置，焊接过程中通过解调仪实时采集反射光谱信号，经数据处理后得到温度和应变的时间历程。试验对象为LD10铝合金板材的TIG堆焊，监测点设在中心横截面和离焊缝中心15mm处的纵截面上。

试验结果与分析

试验结果表明，FBG传感器能够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℃。这一温度上限对于铝合金焊接监测具有重要意义，因为铝合金的熔点较低（约600-660℃），焊接热循环中HAZ温度通常在300-500℃范围内波动。

从焊后残余应变分布来看，焊缝中心区域残余拉应变最大，随距焊缝距离增大而逐渐减小，在约20-30mm处趋于稳定。这一分布规律与传统的焊接残余应力理论一致，但FBG监测的优势在于能够捕捉到焊接过程中的动态变化，而非仅反映焊后最终状态。

技术局限与发展方向

尽管FBG传感器在焊接应力监测中展现了良好的应用前景，但仍存在一些需要改进的方面。首先是温度与应变的耦合效应：FBG传感器的输出信号同时受温度和应变影响，需要采用双光栅解耦方法或温度补偿技术来分离两者。其次是传感器的安装方式：在焊接高温环境下，传感器的固定胶可能失效，需要开发耐高温的传感器封装技术。

从工程应用角度看，该技术特别适用于大型铝合金结构件（如船舶、航空航天结构、轨道交通车辆）的焊接质量控制。在铝合金焊接中，由于材料的线膨胀系数大（约23×10⁻⁶/℃），焊接变形和残余应力问题尤为突出，FBG在线监测可以为焊接工艺优化提供实时数据支持，实现从"事后检测"到"过程控制"的转变。