基于光纤传感的钎焊接头形成及服役过程温度、应力应变实时定位监测

The temperature and strain information of the metal materials and parts can be acquired by using the embedded or surface mounted fiber sensors in a sensing network. Thus the reliability and controllability of the metal parts and structures can be enhanced. It is very difficult to acquire the temperature, stress and strain data of the brazing filler metal solidification during brazing process. In the literatures, the temperature and strain data in a brazing process were normally acquired by using numerical simulation or some other indirect methods. A new method based on the fiber sensing technology is presented in this study in order to acquire the temperature, stress and strain information directly. The 3003 aluminum alloy and 304 stainless steel will be used as the base metals to be brazed due to the big differences of the thermal expansion coefficient. The Long-period Fiber Gratings (LPFG) and Fiber Bragg Gratings (FBG) will be embedded in the brazed joint to real time in situ monitor the waveform and central wavelength shift during the brazing process; Optical Low Coherence Reflection (OLCR) method will be used to analyze the data; the temperature, stress and strain field of the brazed joint will be reconfigured. The brazed joint will be also monitored during the service process by using the embedded and surface mounted sensors. Through the above work, a new method for real time in situ monitoring a brazed joint formation and service process will be acquired. We hope the result of this work will be a good addition to the fiber smart metal structure research work.

将光纤传感器嵌入金属材料和结构内部或贴装在结构表面并形成传感网络，可获得金属结构的温度和应变等工作情况的细节，提高金属结构的可控性，增强金属结构的安全性。在钎焊过程中，接头金属钎料凝固过程中内部的温度场、应变和应力场数据很难直接测定，多采用数值模拟或间接测量的方法获得。针对上述困难，本项目拟在热膨胀系数差别较大的3003铝合金与304不锈钢钎焊过程中，于钎焊接头内部嵌入耐高温的金属化长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅，采用光学低相干反射技术实时定位监测光栅波形、中心波长等特征量变化，重构焊接接头内部温度、应力和应变场演化过程；在铝钢钎焊接头内部嵌入光栅、表面钎焊贴装光栅，通过监测光栅波形变化，实时监测服役状态下钎焊接头应力应变演化情况。希望通过上述研究为钎焊接头形成过程、钎焊接头服役过程应力应变监测提供新方法，拓宽光纤光栅应用领域，推进光纤智能金属结构的研究工作。

将光纤传感器嵌入金属材料结构内部或贴装在结构表面并形成传感网络，可获得金属结构的温度和应变等工作情况的细节，提高金属结构的可控性，从而能及时发现其故障点并采取相应的处理措施，对结构安全运行及生产率提高具有重要意义，特别是在航空航天等军事领域和桥梁建筑等民用领域有重要工程意义。本项目对钎焊方法制造光纤智能金属结构的可能性及相关基础科学问题进行了探索性研究。重点研究了光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅嵌入前的金属化保护和可控增敏过程；在铝钢钎焊接头内部嵌入或表面贴装钎焊光纤光栅的界面反应及钎料的润湿铺展过程；通过监测光纤光栅波形变化和有限元分析，重构了焊接接头内部温度、应力和应变场演化过程；嵌入后获得金属结构服役状态下接头的力学性能和温度、应变等传感信号实时监测。研究结果表明：（1）金属镀层可以与光纤光栅良好结合，在一定范围内可以实现对FBG、LPFG的可控温度增敏；（2）AlSi12钎料在6061铝合金和316L不锈钢表面润湿铺展性良好，可以用于6061与316L的钎焊连接，钎焊温度为590~610℃；（3）钎焊过程中FBG受到钎焊收缩应力作用，中心波长会发生蓝移；（4）根据建立的光纤光栅传感器平均应力应变传递率数学模型，得出中间层厚度，弹性模量等因素对平均应力应变传递有一定影响；（5）由于钎焊方法具有加热温度低、控制性好的特点，采用钎焊方法可以将金属化FBG嵌入金属内部或封装在金属表面，获得了具有监测自身温度、应变能力的光纤智能金属结构。.相关研究成果发表在《IEEE Photonics Technology Letters》、《Optics Communications》、《Journal of Modern Optics》、《Materials Science and Engineering:A》、《光学学报》等杂志和专业国际会议论文集中（进行了口头报告2人次），其中SCI收录10篇/次、EI收录12篇/次；授权相关发明专利2项；获江西省高校科技成果一等奖一项；培养博士生2名、硕士生4名。项目进行期间，与美国University of Kentucky的DP Sekulic教授进行了钎焊和光纤传感领域的合作交流，撰写了合作论文；与加拿大university of waterloo的周运鸿教授进行了铝/钢连接方面的合作交流，选派了博士生到加拿大进行联合培养。