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体会

文献概况与技术创新点

本文档所研读的文献发表于《电焊机》2011年第41卷第10期，作者郑卜祥来自西安交通大学机械工程学院。该研究针对大型结构件焊接应力应变在线实时监测领域存在的耐高温性能不足和测试精度不高等突出问题，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监测方法。研究以LD10铝合金板材为对象，采用TIG堆焊工艺，对堆焊过程中的温度和应力应变进行了在线实时监测，获取了中心横截面和离焊缝中心15mm处纵截面上的温度场、应变场以及焊后残余应变分布规律。

该研究的核心创新在于将FBG传感器技术引入焊接过程监测领域，解决了传统电阻应变片在高温环境下失效的难题。文献指出，FBG传感器可承受高达350℃的工作温度，这对于铝合金焊接过程中的温度监测具有关键意义，因为铝合金焊接温度通常控制在350℃以下。

FBG传感器原理与焊接监测应用分析

FBG传感器工作原理

光纤布拉格光栅传感器是一种基于光纤中折射率周期性调制形成布拉格光栅结构的光学传感器件。其工作原理基于布拉格反射条件：当入射光波长满足布拉格条件时，光栅将反射特定波长的光，反射波长与光栅周期和有效折射率相关。当光栅受到应变或温度作用时，光栅周期和折射率发生变化，导致反射波长偏移。通过解调反射波长变化，即可获取应变和温度信息。

LD10铝合金TIG堆焊工艺参数与监测结果

LD10铝合金属于Al-Mg-Si系变形铝合金，广泛应用于航空航天领域的大型结构件制造。TIG堆焊是该类铝合金常用的表面强化和修复方法。文献中采用的TIG堆焊工艺参数及监测结果分析如下：

• 焊接电流：采用直流TIG焊接，电流控制在150-200A范围内。
• 焊接速度：200-400mm/min，根据堆焊层厚度调整。
• 保护气体：高纯氩气，流量8-12L/min。
• 堆焊道数：多层多道堆焊，每道厚度1.0-1.5mm。

FBG传感器监测结果显示：

1. 温度场分布：焊缝中心温度峰值出现在堆焊过程中，冷却阶段温度梯度显著，中心横截面温度分布呈典型的对称分布特征。
2. 应变场分布：堆焊过程中焊缝中心区域经历拉应变，冷却后转为压应变，离焊缝15mm处纵截面应变分布呈现从焊缝向母材递减的规律。
3. 残余应变：焊后残余应变在焊缝中心达到最大值，向两侧逐渐衰减，在离焊缝一定距离后趋近于零。

与传统监测方法的对比分析

工程实践中的关键问题与对策

传感器安装与保护技术

FBG传感器在焊接过程中的安装和保护是确保监测数据可靠性的关键。文献中虽然未详细展开传感器安装细节，但结合工程实践，需注意以下要点：

• 传感器位置选择：应安装在焊缝附近但避免直接位于熔池区域，通常距离焊缝5-20mm处为宜。
• 固定方式：采用耐高温环氧胶粘接或机械压紧方式，确保传感器与试件表面良好接触。
• 光纤保护：光纤引出部分需采用耐高温保护套管，防止焊接飞溅和高温辐射损伤光纤。
• 多传感器布置：采用分布式光纤传感技术，沿焊缝方向布置多个FBG传感点，获取空间分布信息。

残余应力对结构完整性的影响

焊接残余应力是铝合金结构件服役失效的重要诱因。文献中获取的残余应变数据可转化为残余应力，对评估结构完整性具有重要意义：

• 残余拉应力：焊缝中心区域的残余拉应力可能诱发疲劳裂纹萌生和应力腐蚀开裂。
• 残余压应力：堆焊层与母材界面处的残余压应力有利于抑制裂纹扩展，提高结构疲劳寿命。
• 应力释放措施：焊后热处理（如消除应力退火）可有效降低残余应力，但需注意铝合金的时效敏感性。

监测系统的工程化应用前景

FBG传感器技术在焊接监测领域的应用前景广阔，但仍面临以下挑战：

1. 成本问题：FBG传感器系统成本较高，大规模工程应用需要降低传感器成本。
2. 温度-应变解耦：FBG传感器同时响应温度和应变，需要采用双参数解耦算法或温度补偿技术。
3. 标准化：焊接监测领域缺乏统一的FBG传感器安装规范和数据处理标准。
4. 高温扩展：对于钢焊接等高温场景，需开发耐高温FBG传感器（>500℃）。

学习心得与总结

本次文献研读使我对光纤传感技术在焊接过程监测中的应用有了深入理解。FBG传感器以其优异的耐高温性能、高空间分辨率和抗电磁干扰能力，为铝合金焊接应力应变在线监测提供了切实可行的技术方案。LD10铝合金TIG堆焊试验验证了该方法的有效性和实用性，获取的温度场和应变场数据对理解堆焊过程热-力耦合行为具有重要参考价值。然而，从实验室研究到工程应用的跨越，仍需解决成本、标准化和多参数解耦等实际问题。建议后续研究结合分布式光纤传感技术，实现焊缝全长温度-应变场的同步监测，并为焊接工艺参数优化和残余应力预测提供数据支撑。