基于無線測溫的真空熔鑄爐高溫合金液相溫場檢測

盛堅，梁明超，賀威，周藝，吳疆

(1.國防科技工業(yè)4311 二級計量站，湖南株洲412002;2.中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

在航空動力制件熱加工領(lǐng)域，溫度(場)檢測是保證制件質(zhì)量的重要措施之一，而在檢測點(diǎn)分散、環(huán)境封閉等特定場合下，常規(guī)的測溫方式難以實(shí)現(xiàn)溫度的測量。無線測溫技術(shù)為解決高溫合金航空制件定向結(jié)晶過程中液相溫場跟蹤測量提供了新的方法。

1 航空高溫合金材料制件精密鑄造過程中的溫度測量

高溫合金精密鑄造是航空動力核心制件加工的關(guān)鍵步驟，加工設(shè)備主要有感應(yīng)式真空熔鑄爐等，目前溫度參數(shù)為1000 ～1600℃。

精密鑄造工藝特點(diǎn)是溫度升降快，溫度測量與控制困難。航空制件定向結(jié)晶過程中液相溫場的不均勻，導(dǎo)致其在凝固、結(jié)晶、成型過程中質(zhì)量不穩(wěn)定。為了提高航空制件的精鑄質(zhì)量，更準(zhǔn)確地控制加熱時間和工藝溫度參數(shù)，需對精鑄過程的液相溫場或多點(diǎn)液相溫度進(jìn)行跟蹤檢測。

常規(guī)的檢測為爐內(nèi)的傳感器與爐外數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用有線連接方式，即在待測真空爐上開孔，傳感器連接線通過開孔處引出并與爐外數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)直接通信。真空設(shè)備工作時應(yīng)盡量避免開孔，因?yàn)殚_孔后即使進(jìn)行密封處理也或多或少會降低其真空度，對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

采用非接觸式高溫計測量，會受到熔體表面發(fā)射率的影響，測量的也只是熔體的表面溫度。加之航空材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高負(fù)荷等特點(diǎn)，溫度參數(shù)控制嚴(yán)格(如某制件精鑄定向結(jié)晶工藝溫度要求為(1540±3)℃)，測量的準(zhǔn)確度很難保證。

隨著數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的更新，無線測溫技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段，其傳輸速度快，可靠性高，和有線測溫不相上下。

2 基于無線測溫的真空熔鑄爐高溫合金液相溫場檢測方法

2.1 常規(guī)檢測方法的缺陷及本方法的提出

溫場檢測是多個測量點(diǎn)所包含的某空間范圍溫度平均值的測量。高溫合金液相溫度測量方法的研究在國內(nèi)外一直在進(jìn)行，如金屬冶煉中采用的浸入式熱電偶、快速熱電偶等。但其主要是針對非真空環(huán)境下單點(diǎn)溫度的測量。真空環(huán)境下局部快速加溫的高溫合金液相溫場的檢測是制件熔化—澆注—冷卻過程中多點(diǎn)溫度的同步跟蹤測量。材料的相變轉(zhuǎn)化過程快，又無法加裝攪拌裝置，點(diǎn)溫測量不能準(zhǔn)確地反映制件內(nèi)部溫度平均值的變化。

本方法是利用無線測溫技術(shù)研究的成果，制作一組專用溫度傳感器，采用接觸受熱并通過無線信號傳輸來測量精密鑄造過程中高溫合金液體多個熱點(diǎn)的溫度。同時，研制配套的數(shù)據(jù)采集器和專用檢測工裝及定位定點(diǎn)裝置。

無線測溫系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器、無線通訊、自動控制、數(shù)字識別等技術(shù)，加之抗干擾設(shè)計，可對特殊環(huán)境條件下的溫度實(shí)現(xiàn)智能化在線檢測。

2.2 實(shí)施

2.2.1 檢測傳感器的制作及預(yù)埋敷設(shè)

傳感器選用φ0.5 mm 的S 型鎧裝熱電偶并置于抗熱沖擊高溫保護(hù)管中。測量端采用球形焊接，焊球直徑控制在偶絲直徑的2 ～2.5 倍。取長徑比為15，即偶絲露出長度為7.5 mm，以減小系統(tǒng)測溫誤差。

另外，航空制件精密鑄造常采用模型澆注，制摸時在模殼上預(yù)留安置傳感器的石英孔道，傳感器在澆鑄前預(yù)先布置于孔道中，其測量端置于被測量點(diǎn)(或接近)位置，澆注及冷卻過程的測溫點(diǎn)依工件形體對稱均布或按技術(shù)要求布置。

2.2.2 無線測溫系統(tǒng)及檢測方法

研究中選取了DATAPAQ 多通道溫度跟蹤系統(tǒng)作為溫場檢測的標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，該系統(tǒng)是針對熱電偶信號開發(fā)的無線溫度測量處理裝置，裝置由數(shù)據(jù)采集發(fā)送和接收處理兩部分組成:采集發(fā)送部分還包括信號調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;數(shù)據(jù)接收處理則是主要以嵌入式計算機(jī)為核心，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、處理及顯示。其系統(tǒng)總體框圖如圖1。

圖1 無線溫度數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)總體框圖

測試前，先將傳感器置于專用夾具上的安置孔(或套管)內(nèi)并固定好，布置數(shù)量視工藝情況確定。無特定工藝要求時，根據(jù)熔鑄爐坩堝的容積或加料重量確定，加料重量為25 ～50 kg 時以3 支為宜。傳感器需均勻分布在測試區(qū)域內(nèi)并按熔鑄爐坩堝裝載量設(shè)置一定高度差，其中一支分布在坩堝中心位置。更多測量點(diǎn)分布時，布點(diǎn)位置應(yīng)能表示溫場測試區(qū)域立體幾何量的關(guān)鍵參數(shù)。預(yù)埋敷設(shè)則根據(jù)預(yù)留安置傳感器的孔道固定傳感器。

通過連接頭將傳感器組與無線測溫的發(fā)射裝置對應(yīng)連接并放置于高溫保護(hù)箱內(nèi)，關(guān)閉爐門。將無線接收裝置連接到數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)，打開專用軟件，確認(rèn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能良好。

數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)采用DSP 技術(shù)，包括AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)存儲單元、接口等。通過RS232 方式與嵌入式計算機(jī)進(jìn)行通訊，主機(jī)內(nèi)集多路信號變換、多路數(shù)字掃描開關(guān)、PC 及數(shù)據(jù)采集卡一體，內(nèi)置高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻比較器，采集的數(shù)據(jù)直接保存在計算機(jī)的硬盤中并進(jìn)行每秒一個循環(huán)的溫度數(shù)據(jù)采集處理。

檢測時系統(tǒng)將實(shí)時采集測試數(shù)據(jù)，嵌入式計算機(jī)實(shí)時顯示并記錄。

2.2.3 檢測定位定點(diǎn)裝置

包括保證傳感器按溫場檢測布置要求的固定支架，可控三維移動機(jī)構(gòu)等。

2.2.4 檢測用數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分的安置

感應(yīng)式真空熔鑄爐屬局部加熱設(shè)備，加熱區(qū)包裹在坩堝附近。加熱區(qū)與爐壁之間有足夠的空間放置數(shù)據(jù)采集發(fā)送器。由于是真空環(huán)境，該區(qū)域的熱傳導(dǎo)基本靠輻射方式進(jìn)行，通過測試:在坩堝內(nèi)高溫合金熔融液體溫度為1400 ～1600℃時，靠近爐壁附近的溫度在一小時內(nèi)為200 ～300℃。選擇將數(shù)據(jù)采集發(fā)送器置于TB4905 型隔熱箱內(nèi)并整體安置在爐內(nèi)靠近爐壁的位置。隔熱箱有超強(qiáng)的耐高溫性能，它通過兩個步驟使數(shù)據(jù)采集器在整個工藝過程中處于安全的工作溫度。其一是多微孔絕緣材料使熱傳導(dǎo)速度減慢，該材料是目前所知絕緣材料中絕熱性最好的一種，被應(yīng)用于飛機(jī)的黑匣子。其二是通過一個根據(jù)不同階段改變材料的吸熱設(shè)備來使內(nèi)部溫度在一定時間內(nèi)保持在50 ～60℃。

2.2.5 檢測示意圖

真空熔鑄爐無線溫場測試系統(tǒng)應(yīng)用連接框圖見圖2。

圖2 溫場測試無線連接方式示意圖

由圖2 可知:檢測時，溫度傳感器組通過專用工裝支架及定位定點(diǎn)裝置固定，真空熔化爐快速加熱至熔鑄合金熔化溫度后，通過機(jī)械臂同時插入爐內(nèi)熔鑄合金熔融液體的坩堝中，通過插入的溫度傳感器同時采集坩堝內(nèi)合金熔融液體不同部位的溫度。預(yù)埋敷設(shè)傳感器的檢測亦同理。數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分在爐內(nèi)接收測量信號后，按無線采樣速率傳輸發(fā)送給接收部分并通過數(shù)據(jù)處理顯示器進(jìn)行處理和顯示。

3 檢測實(shí)例

圖3 為某高合材料精鑄工藝過程中定向凝固(結(jié)晶)時的液相溫場實(shí)時跟蹤檢測的曲線圖截屏。被測設(shè)備為ZGJLBO.025 型三室真空感應(yīng)爐，檢測用傳感器為三支專用S 型熱電偶，檢測設(shè)備為無線溫場測試系統(tǒng)。

圖3 某高溫合金材料定向凝固(結(jié)晶)的液相溫場實(shí)時跟蹤檢測曲線圖

我們還與華中科技大學(xué)合作，采用該系統(tǒng)對圖4所示某高溫合金材料制件的精鑄過程進(jìn)行了預(yù)埋敷設(shè)傳感器組的溫度跟蹤檢測，布設(shè)測量點(diǎn)達(dá)到20 個。

4 影響檢測的主要因素分析

檢測用傳感器選用鎧裝熱電偶，長徑比為15，熱容小，響應(yīng)快，可減小系統(tǒng)測溫誤差。

圖4 某高溫合金材料制件實(shí)物圖

高精度數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)的測量誤差為0.015%，其測量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于0.05%。

真空熔鑄爐采用10 kHz 以下中頻感應(yīng)電流短時間加熱，無線測溫系統(tǒng)的傳輸頻率為460 MHz，遠(yuǎn)大于設(shè)備頻率，頻率干擾的影響可忽略不計。

高溫合金液相溫場檢測的目的就是為航空制件精密鑄造制定最佳工藝方案提供依據(jù)，解決感應(yīng)加熱電流的大小和加熱時間的控制問題。加熱電流一定時，知道了高溫合金液相溫場數(shù)據(jù)，就能給定時間參數(shù)。由于航空制件精密鑄造的定向凝固(結(jié)晶)工藝過程時間可控，無線溫場檢測系統(tǒng)可進(jìn)行全過程的記錄。

5 總結(jié)

實(shí)踐證明，采用無線溫場測試系統(tǒng)對航空制件真空熔鑄過程中的液相溫場進(jìn)行跟蹤檢測是一種切實(shí)可行的方法。傳感器信號通過無線方式傳輸，避免了在爐體上開孔;其次，預(yù)埋敷設(shè)(或插入)傳感器組的接觸式溫場檢測法也比非接觸測量方法更加準(zhǔn)確?？梢杂嗅槍π缘剡M(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，滿足不同制件或材料精密鑄造時液相溫場的檢測要求。

［1］國防科工委科技與質(zhì)量司.熱學(xué)計量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］高慶中.溫度計量［M］.北京:中國計量出版社，2004.

［3］盛堅，楊永軍.采用高溫黑體式光纖溫度計在線檢測感應(yīng)加熱真空爐液相溫場的可行性［J］.計測技術(shù)，2008，28(S0):51-53.