一种高速旋转焊接工件内部温度监测技术

竺启斌，陈书锦，戚顺顺，朱文琪

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 扬州分院，江苏 扬州 225003；2.江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

一种高速旋转焊接工件内部温度监测技术

竺启斌1，陈书锦2，戚顺顺2，朱文琪2

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 扬州分院，江苏 扬州 225003；2.江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

提出了一种高温高速旋转焊接工件内部温度检测技术，为了克服摩擦头高速旋转时带来热电偶信号线的连接问题，整个测温装置与焊接工件同步旋转，该装置包括热电偶、温度检测处理模块和无线传输模块；为了提高采样速率，对热电偶芯片组合采用了链式循环温度数据采集法，在一个循环周期内，各热电偶芯片依次传输数据，这种方式能实现高温高速旋转焊接工件内部温度的检测，提高了温度信号的采集速率。实验证明了这种技术的有效性。

温度检测；搅拌摩擦焊；无线传输

0 前言

随着科学技术的发展，温度检测技术也不断更新，各种测温方法如热胀冷缩原理温度检测、热阻效应温度检测、热电效应温度检测[1]、声学测温[2]、热辐射温度检测[3]、红外测温[4]等技术不断涌现；对于温度信息采集、传输、处理水平越来越高，先后出现了模拟温度仪表、数字温度仪表等技术，当前数字仪表正朝向高精度、多功能、网络化等发展[5]。

搅拌摩擦焊或惯性摩擦焊接温度场分布是焊接研究的重要内容，对这些焊接温度场进行研究时，一般采用有限元模拟[6]或红外辐射测温或热电偶有线测温方式，然而这些方法难以实现高速旋转的工件内部不同部位的实际温度检测。由于红外辐射属于非接触测量，只能测量工件的表面温度场，无法测量焊接工件内部不同部位的实际温度；热电偶测温方法基于温差效应，可以测量固定工件内部温度，测温效果较为精确，但摩擦头是高速旋转的，热电偶测温法存在着信号线的连接问题，难以直接应用热电偶方法检测摩擦头内部温度。

为此本研究提出一种针对旋转焊件的温度无线传输方案，设计了以单片机PIC16F877A为核心的温度检测、传输和处理电路，通过同步旋转的温度采样电路获取温度信号，经过单片机处理后，通过无线信号发送信号，由外部接收电路接收显示，最后进行了相关实验。

1 测温装置的结构设计

温度检测装置设计成适合搅拌摩擦焊接和惯性摩擦焊接现场安装的圆环，如图1所示。温度信号处理电路、电池组安装在圆环上，圆环在两个固定机构的作用下，安装在工件夹持器外围，工件夹持器具有两个凹孔；为了保证整个装置的重心在圆环的圆心，在圆环上配置了两块平衡块；当两个固定机构中的舌形卡块沿着滑槽进入工件夹持器中的凹孔，即可固定检测装置；相反，当舌形卡块退出凹孔后，即可拆卸检测装置。

2 检测电路模块的组成

如图2所示，温度检测装置包括温度检测、数据处理、信号发送三大部分，并且与被测工件高速同步旋转，使得检测装置上的热电偶能够相对固定在搅拌头上。热电偶采集搅拌摩擦头内部特征点温度，热电偶的输出信号进入温度信号处理电路，温度信号处理电路内部经热电偶芯片组合进行处理，由单片机控制电路读取温度信息，通过无线发送模块在线发送温度信号，由外置的无线信号接收装置接收无线温度信号。

3 检测电路

如图3所示，热电偶信号处理电路主要由芯片MAX6675、PIC16F877A、CC1100构成，MAX6675是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器，它的温度分辨能力为0.25℃，冷端补偿范围为-20℃～+80℃，工作电压3.0～5.5 V。该芯片采用SPI接口向微处理器PIC16F877A传输热电偶数据，其温度分辨率为0.25℃，内置一个12位A/D转换器，来自热电偶的热电势与引脚连接，信号经两级放大器放大和滤波处理后，成为与芯片内的A/D转换器相匹配的电平信号。利用MAX667输出数据中的D2进行断偶检测时，热电偶的输入负极T-必须接地，且应尽可能地靠近MAX6675的引脚地（即PIN1）。冷端温度是由MAX6675本身检测的，为了提高测量的精确度，电路板的地线尽可能的大。热电偶信号为微弱信号，要尽可能地采取措施防止噪声干扰。可在MAX6675电源与地线之间接一个0.1 μF的陶瓷电容。

CC1100是一款低于1 GHz高性能射频收发器，CC1100可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示（RSSI）、空闲信道评估（CCA）、链路质量指示以及无线唤醒（WOR）的广泛硬件支持，具有387.0～464.0 MHz工作频段，通过四线SPI接口与PIC16F877A连接，同时提供两个可设定功能的通用数字输出引脚，其工作电压1.9～3.6V，待机模式下电流仅为200 nA，大大降低了装置的供电要求。

焊接现场存在以下问题：热电偶芯片MAX6675每进行一次温度采样都需要一定的处理时间，其转换时间为0.17～0.22 s，以待测物体旋转速度1200r/min为例，当需要测出每个旋转周期的温度变化情况时，该测温芯片的响应速度较慢，单个芯片无法对采样点及时采样；此外如不采用成熟的热电偶芯片，则相应处理电路繁杂，所用电路板质量和占用的空间较大，不适合与工件同步高速旋转，且易带来干扰。因此采用多个热电偶芯片链式工作的方式来提高采样频率，以满足温度数据采集要求。

4 热电偶芯片工作方式

设装置工作时转速1200r/min，要求检测每个旋转周期温度变换情况，则对装置的采样频率要求为20 Hz。采用五个MAX6675芯片并接在热电偶的输出端，这五个芯片按照链式循环工作，由于单个芯片的转换最大耗时为0.22s，每个芯片从开始读数到下一个芯片开始读数时间设定为0.05s；当需要对其中一个热电偶芯片进行温度采样后，立即将其设置为转换状态，当到达第五个采样循环时，该热电偶芯片再次输出处理好的温度数据后，再次进入转换状态，开启下一个采样循环；按照这样的链式循环测温法，依次发送处理后的温度数据。

当对装置的采样频率要求为10Hz，由于单个芯片转换速度最大耗时为0.22s，因此在程序中设置每个芯片从开始读数到下一个芯片开始读数时间设定为0.5s即可，读数循环仍然按照如图4所示流程进行。

5 实验

测温装置的实体如图5所示。

该装置可以避开有线连接的困难，成功实现了高速旋转焊件内部温度的检测且使用方便，测温装置经过长期改进和校正测试，可精确到0.1℃，既能针对指定部位进行温度探测，还将大幅缩短控制系统整合周期，与红外辐射法测定搅拌摩擦头温度方法比较，测温更全面、成本更低。

搅拌摩擦头内部特征点实测温度曲线如图6所示，曲线1、曲线2、曲线3分别是被测点离摩擦头距离由近至远处的温度变化情况，由图可见，离摩擦接触面越近，温度越高。

6 结论

（1）采用热电偶传感器芯片MAX6675成功地检测了高速旋转的搅拌摩擦焊件的内部温度，且电路简单、可靠性高。

（2）MAX6675芯片的链式工作结构，大大提高了系统数据采集速率，改善了对焊件温度进行分析的条件。

（3）采用无线数字传输方式，克服了搅拌头高速旋转带来接线困难的缺点，改善了测温装置的环境适应性。

（4）使用温度无线检测技术后，将有助于对搅拌摩擦焊或摩擦焊等旋转焊件的内部温度检测和分析，有利于进一步分析温度场对焊接质量的影响。

[1] 伞桂胜.热电偶测温中的误差校正方法[J].有色矿冶，2006，22（6）：53-54.

[2] 宋志强，樊 旭.声学法锅炉温度场检测技术及应用[J].锅炉技术，2005，36（1）：20-23.

[3]张建文，雷 达.天然气输气管道泄露事故热辐射危害风险分析[J].安全与环境学报，2011，11（1）：24-27.

[4]郜莎莎，朱志前，时希文，等.600MW超临界机组SA335-P91钢免根透焊接工艺控制[J].电焊机，2010，40（8）:67-70.

[5] 陈至坤，李 蓓.温度检测技术及相关仪器的发展现状[J].河北理工大学学报（自然科学版），2011，33（4）：68-70.

[6] 陈书翔，叶结和.不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头温度场模拟[J].电焊机，2008，38（7）：61-63.

An internal temperature detection technology of high rotary speed welding workpiece

ZHU Qi-bin1，CHEN Shu-jin2，QI Shun-shun2，ZHU Wen-qi2
（1.Yangzhou Branch of the Jiangsu Province of Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Yangzhou 225003，China；2.Collegeof MaterialsScienceandEngineering，Jiangsu UniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang 212003，China）

This paper presents an internal temperature detection technology of high speed rotary welding workpiece.Due to the high rotary speed of friction stir tool，it is difficult to connect the thermocouple signal line to control board.In order to overcome this shortcoming，the temperature measurement device rotate synchronously with the welding workpiece，the device comprises thermocouples，temperature detection module and the wireless transmission module.In order to increase the sampling rate，the temperature data was collected by using the thermocouple combination chip.In a cycle，thermocouple chip turns to work like chain.this method can realize the internal temperature detection of high rotary speed welding workpiece，improves the temperature signal acquisition rate.Experiments show the effectiveness of this technique.

temperature detection；friction stir welding；wireless transmission

TG431

：A

：1001-2303（2014）02-0052-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.11

2013-01-19；

2013-11-18

竺启斌（1965—），男，江苏扬州人，高级工程师，工学硕士，主要从事焊接检验与检测工作。