光纤Bragg光栅传感器在铝合金堆焊应力监测中的应用体会

文献概况与技术背景

本文发表于2011年《电焊机》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。研究针对大型结构件焊接应力应变在线实时监测的难题，提出了一种基于光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器的监测方法。采用该方法对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，获得了中心横截面和离焊缝中心15mm处纵截面上的温度、应变以及焊后残余应变分布。

FBG传感器技术原理与优势

工作原理

光纤Bragg光栅传感器是一种基于光纤光栅反射波长变化的物理传感器。当光纤受到应变或温度作用时，光栅周期发生变化，导致反射波长发生漂移。通过解调反射波长变化量，可以精确测量应变和温度。

与传统应变片相比的优势

在焊接应力监测中的适用性

文献指出FBG传感器可测量高达350℃的温度环境，这对于铝合金焊接（熔池温度约600～700℃，但热影响区温度通常在200～400℃范围）是适用的。铝合金焊接的残余应力问题尤为突出，因为铝合金的热膨胀系数大（约23×10⁻⁶/℃）、弹性模量低（约70 GPa），焊接变形和残余应力显著。

试验结果分析

温度场分布

TIG堆焊过程中，FBG传感器记录了焊接热循环的温度变化。铝合金的热传导速度快，温度场分布具有以下特点：

• 焊缝中心区域温度峰值高，但持续时间短。
• 离焊缝较远区域（如15mm处）温度峰值较低，但温度梯度平缓。
• 冷却阶段温度下降速率较快，这是铝合金导热系数高的体现。

残余应变分布

焊后残余应变的分布规律：

• 焊缝中心区域残余拉应变最大，这是因为焊缝金属凝固收缩受到周围母材约束。
• 离焊缝15mm处残余应变显著降低，但仍存在可测量的残余拉应变。
• 应变分布呈对称性，符合对称焊接几何条件。

对LD10铝合金的适用性

LD10是一种铝锂合金，含有约1.5%的锂元素，具有低密度、高比强度等特点，广泛应用于航空航天领域。文献选择LD10铝合金作为研究对象具有前瞻性，因为航空航天铝合金结构件的焊接残余应力控制是工程中的关键问题。

工程应用前景与挑战

在钢管管件焊接中的应用前景

FBG传感器技术在钢管管件焊接应力监测中具有广阔的应用前景：

1. 大口径管道环焊缝焊接：管道环焊缝焊接过程中，FBG传感器可实时监测焊缝区域的应变状态，为焊接工艺参数优化提供数据支撑。
2. 管件成型焊接：弯头、三通等管件在成型和焊接过程中产生复杂残余应力，FBG传感器可准确测量关键部位的应力状态。
3. 管道修复焊接：在管道现场修复焊接中，FBG传感器可监测修复焊缝的残余应力，评估修复质量。

技术挑战

学习心得与启示

这篇文献代表了焊接应力监测技术的一个重要发展方向——从传统的焊后静态测量向在线实时监测转变。对于钢管管件焊接工程而言，焊接残余应力的控制一直是质量管理的难点，传统的焊后应力释放（如锤击、热处理）往往是在问题出现后才采取的补救措施。FBG传感器的引入使得焊接过程中的应力状态可以被实时感知，为在线工艺参数调整提供了可能。

然而，从实验室研究到工程应用的转化仍面临诸多挑战。光纤传感器的成本、安装便捷性、长期可靠性等问题需要在实际工程中逐一解决。作为技术人员，应当关注这类前沿技术的发展动态，同时理性评估其工程适用性。在条件允许的情况下，可以在关键焊缝上尝试应用FBG传感器，积累工程数据，为未来的推广应用奠定基础。总之，焊接应力在线监测技术的发展将推动钢管管件焊接质量控制从"事后检验"向"过程控制"转变，这是焊接技术现代化的重要标志。