红外热像焊接温度监测技术
一、技术定义与原理
红外热像焊接温度监测（Infrared Thermal Imaging Welding Temperature Monitoring）是一种基于非接触式红外热成像原理，对焊接过程中焊道（Weld Bead）及热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）温度场进行实时采集、分析、判定与联动的智能化质控技术。该技术通过高灵敏度红外热像仪（Infrared Thermography Camera）连续获取焊接区域的二维温度分布图像，结合嵌入式算法对关键温度节点进行实时计算，实现预热温度到位判定、层间温度超限报警及焊接电弧自动停弧联动等闭环控制功能。
其核心原理基于斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law），即任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射电磁波，其辐射能量与物体温度的四次方成正比。红外热像仪通过红外探测器（通常为非制冷型微测辐射热计，Microbolometer）接收焊接区域的红外辐射，将其转换为电信号并重建为热图像，从而获得全场温度分布信息。相较于传统点式测温方式，红外热像技术能够在单帧图像中同时获取数百至数千个测温点的温度数据，实现真正的温度场监测而非点温度监测。
二、所属大类与业务定位
该技术归属于熔池相机与质控软件大类，是公司焊接过程智能质控体系中的温度感知核心模块。在科雷丁技术（山西）有限公司的技术架构中，熔池相机与质控软件大类涵盖焊接过程视觉监控、温度场监测、熔池几何参数提取、缺陷在线识别等功能，构成焊接质量全过程管控的数字化底座。
红外热像焊接温度监测在该大类中承担"温度维度"的感知与决策职能，与熔池视觉监控（空间维度）、电流电压监控（工艺参数维度）形成互补，共同构建焊接过程多维参数实时监控系统。该技术定位于替代传统人工测温笔（Infrared Pyrometer / Thermocouple Pen）的被动式、间断式测温模式，推动焊接温度管控从"事后抽检"向"实时闭环控制"的根本性转变。
三、技术目的与价值
3.1 核心目的：层温实时化
焊接工艺中，预热温度（Preheat Temperature）和层间温度（Interpass Temperature）是控制焊接接头力学性能、避免冷裂纹（Cold Cracking）、控制热循环和微观组织演变的关键工艺参数。传统人工测温方式存在以下固有缺陷：
- 时间延迟：人工测温笔测量后需人工读取、判断、通知焊工，存在5~30秒的响应延迟，在此期间层间温度可能已超出允许范围；
- 空间离散：人工测温仅能获取离散点温度，无法反映整个热影响区的温度梯度分布；
- 主观偏差：测温位置选择、测量时机、读数判读均依赖操作人员经验，一致性差；
- 记录缺失：传统方式难以形成完整的温度时间历程记录，不利于质量追溯。
红外热像焊接温度监测技术通过实时采集焊道及HAZ温度场，自动判定预热到位与层间温度超限，并触发报警或联动停弧，从根本上解决了上述问题，实现层间温度的实时化、数字化、闭环化管控。
3.2 综合价值
- 质量保障价值：确保每道焊道的层间温度严格处于工艺规程（WPS）规定范围内，有效抑制冷裂纹、热裂纹等温度敏感型缺陷的产生概率；
- 效率提升价值：消除人工等待测温的时间浪费，焊接周期缩短10%~20%；避免过度等待降温造成的无效工时；
- 数据资产价值：形成完整的焊接温度时间历程数据库，为焊接工艺优化、数字孪生建模、质量追溯提供数据支撑；
- 合规增值价值：满足API 579、ASME BPVC Section IX等标准对焊接温度记录的严格要求，提升客户审核通过率。
四、关键工艺与实施要点
4.1 系统组成
红外热像焊接温度监测系统由以下核心子系统构成：
| 子系统 | 关键组件 | 技术参数要求 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 红外热像采集单元 | 工业级红外热像仪 | 空间分辨率≥640×480；测温范围-20℃~1500℃；测温精度±2℃或±2%；帧率≥30fps；响应波长8~14μm | 实时采集焊接区域二维温度场图像 |
| 温度数据处理单元 | 嵌入式工控机/边缘计算模块 | 处理延迟≤100ms；支持ROI（Region of Interest）设定；内置温度阈值判定算法 | 温度场解析、峰值温度提取、趋势计算、阈值判定 |
| 人机交互单元 | 现场HMI触摸屏/远程监控终端 | 实时显示温度场伪彩图、温度曲线、报警状态 | 操作人员实时可视化监控与参数调整 |
| 联动控制单元 | 焊接电源通信接口/PLC | 支持Modbus/Profinet/RS485通信；停弧响应时间≤200ms | 超限报警与自动停弧联动执行 |
| 数据存储与追溯单元 | 工业数据库/云存储 | 温度数据保存周期≥项目质保期；支持按焊道/焊缝/批次检索 | 温度历程记录、质量追溯、数据分析 |
4.2 关键工艺参数设定
| 参数项目 | 设定要求 | 典型应用示例（碳钢低合金钢堆焊） | 判定逻辑 |
|---|---|---|---|
| 预热温度下限 | ≥WPS规定值-5℃ | Q345R：≥80℃；16MnR：≥100℃ | 低于下限→报警提示继续加热，不启动焊接 |
| 预热温度上限 | ≤WPS规定值+30℃ | Q345R：≤130℃；16MnR：≤150℃ | 高于上限→报警提示降温，防止晶粒粗化 |
| 层间温度上限 | ≤WPS规定值（通常为150~250℃） | 低合金钢：≤200℃；奥氏体不锈钢：≤150℃ | 超限→声光报警+联动停弧 |
| 层间温度下限 | ≥WPS规定值（通常为50~100℃） | 一般≥50℃（防止冷裂纹） | 低于下限→提示继续预热，不启动下一道焊 |
| 测温区域 | 焊道中心线两侧各50~100mm区域 | 根据板厚和热输入确定 | 取ROI内峰值温度作为层间温度判定值 |
| 采样频率 | ≥1次/秒（连续监测模式） | 关键焊缝：连续监测；普通焊缝：≥1次/30秒 | 保证温度超限响应时间≤1秒 |
4.3 实施流程
- 系统标定：在焊接前对红外热像仪进行黑体标定（Blackbody Calibration），确保测温精度满足±2℃要求；设定发射率（Emissivity）参数（碳钢焊接区建议0.80~0.85，不锈钢建议0.35~0.40）；
- ROI设定：根据焊接接头几何形状和WPS要求，在热像仪视场中设定感兴趣区域（Region of Interest），通常覆盖焊道中心线及两侧热影响区；
- 阈值配置：将WPS规定的预热温度范围和层间温度范围输入系统，设定报警阈值和停弧触发条件；
- 预热监测：加热过程中实时监测温度场，当ROI内温度均匀达到预热温度下限且不超过上限时，系统判定"预热到位"并允许启动焊接；
- 焊接过程监测：焊接过程中持续采集温度场，记录热输入引起的温度峰值和温度梯度分布；
- 层间温度判定：每完成一道焊道后，系统自动提取层间温度并判定是否在允许范围内；超限时立即报警并联动停弧；
- 数据记录：全程记录温度时间历程曲线、层间温度判定结果、报警事件日志，形成可追溯的电子质量记录。
4.4 发射率校正与精度保障
红外热像测温的核心挑战在于发射率（Emissivity）的不确定性。焊接过程中，金属表面经历高温氧化、弧光辐射干扰、飞溅覆盖等复杂变化，发射率动态变化可达0.2~0.95范围。为确保测温精度，系统需采用以下补偿策略：
- 动态发射率模型：基于焊接材料牌号、表面状态（氧化层厚度、粗糙度）建立发射率-温度-时间关系模型，实现动态校正；
- 参考点验证：在关键位置设置热电偶（Type K/Type R）作为参考测温点，定期比对验证红外测温偏差；
- 环境干扰补偿：补偿环境温度、背景辐射、水汽吸收等对红外测量的影响；
- 多光谱融合：在条件允许时，采用双色比测温（Ratio Pyrometry）原理消除发射率影响。
五、执行标准与验收依据
5.1 红外热像仪设备标准
| 标准号 | 标准名称 | 适用要求 |
|---|---|---|
| ISO 22007:2017 | Industrial thermography — Infrared thermometers | 热像仪性能要求、校准方法、精度等级划分 |
| ISO 22007-2:2019 | Industrial thermography — Infrared thermography | 热像仪测量不确定度评估、系统误差与随机误差 |
| ASTM E2864-19 | Standard Guide for General Principles of Thermographic Inspection | 红外检测通用原则、图像质量要求 |
| ASTM E1937-14 | Standard Practice for Thermographic Inspection of Welds | 焊接红外检测具体实践方法 |
| NB/SH/T 4895 | 石油化工设备红外热像检测导则 | 石化行业红外检测实施规范 |
5.2 焊接温度控制标准
| 标准号 | 标准名称 | 与温度监测的关联 |
|---|---|---|
| ASME BPVC Section IX, QW-404 | Welding Qualification—Preheat and Interpass Temperature | 规定预热和层间温度要求及验证方法 |
| API 579-1/ASME FFS-1 | Fitting-for-Service Evaluation | 要求提供焊接温度记录作为评估输入 |
| GB/T 19866-2005 | 承压设备焊接工艺评定 | 规定预热温度和层间温度的控制要求 |
| NB/T 47014-2011 | 承压设备焊接工艺评定 | 层间温度控制与验证要求 |
| ISO 15614-1:2017 | Welding procedure qualification—General principles | 焊接工艺评定中温度参数控制要求 |
| NACE MR0175/ISO 15156 | Materials for Use in H₂S Environments | 对含H₂S环境用材料焊接温度控制的特殊要求 |
5.3 系统验收依据
- 热像仪测温精度经第三方计量机构标定，不确定度≤±2℃（95%置信区间）；
- 系统响应时间（从温度超限到停弧动作完成）≤500ms；
- 温度数据记录完整率100%，数据保存周期≥项目质保期（通常5~10年）；
- 系统连续运行MTBF（平均无故障时间）≥5000小时；
- 通过客户或第三方审核，符合项目质量计划（QAP）要求。
六、常见风险与控制措施
| 风险类别 | 风险描述 | 影响 | 控制措施 |
|---|---|---|---|
| 测温精度偏差 | 发射率设定不准确或表面氧化导致测温偏差超过±5℃ | 层间温度判定错误，可能漏判超限或误判超限 | 焊接前标定发射率；设置热电偶参考点定期比对；建立材料-表面状态-发射率数据库 |
| 弧光干扰 | 焊接电弧的强可见光和近红外辐射干扰热像仪探测器 | 图像过曝、测温数据异常、误报警 | 采用窄带滤光片（8~14μm波段）；设置电弧区域屏蔽/排除；采用电弧熄灭后延迟采集策略 |
| 环境干扰 | 高温环境、蒸汽、烟尘、辐射遮挡影响红外信号传输 | 测温数据失真、信号中断 | 设置防护罩/吹扫；采用光纤传输红外信号；设置异常数据识别与过滤算法 |
| 热像仪安装位置不当 | 视场角、距离、角度不匹配导致测温区域覆盖不全 | 关键区域温度未被采集，漏判超限 | 焊接前进行视场覆盖验证；采用广角镜头或云台跟踪；多相机覆盖方案 |
| 系统误停弧 | 算法误判或传感器故障导致非预期停弧 | 焊接中断、接头质量下降、返修成本增加 | 设置多级报警（预警→报警→停弧）；增加确认逻辑（连续N帧超限才触发停弧）；手动覆盖（Override）机制 |
| 数据丢失 | 通信中断、存储故障导致温度记录缺失 | 质量追溯链断裂，不满足审核要求 | 本地+云端双备份；断点续传机制；数据完整性校验（CRC）；异常事件告警 |
| 标定失效 | 热像仪长期运行后探测器性能漂移 | 系统性测温偏差累积 | 制定定期标定计划（每6个月或每1000小时）；内置自诊断功能；标定记录纳入设备台账 |
七、在三条技术路线中的应用场景
7.1 TIG/MIG堆焊技术路线
在科雷丁技术的TIG（钨极惰性气体保护焊）和MIG（熔化极气体保护焊）堆焊工艺中，红外热像焊接温度监测的应用尤为关键：
- 多层堆焊层间温度控制：双金属复合材料堆焊通常涉及3~8道焊道的多层堆焊（如309L过渡层+316L工作层），每道焊道间的层间温度直接影响合金元素扩散和微观组织。红外热像系统实时监测确保每道层间温度处于WPS规定的150~250℃范围内，有效抑制碳迁移和脆性相析出；
- 高合金堆焊预热监控：对于高镍基合金（如Inconel 625、Hastelloy C-276）堆焊，预热温度通常需控制在100~200℃，红外热像系统确保预热均匀性，避免局部过热导致晶粒粗化；
- 大厚度工件堆焊：对于厚度≥50mm的工件堆焊，热输入大、热传导复杂，红外热像可获取整个热影响区的温度梯度分布，为工艺参数动态调整提供依据；
- 自动焊接系统集成：在机器人自动堆焊系统中，红外热像温度监测与焊接电源、送丝机、行走机构形成闭环控制，实现层间温度的全自动管控。
7.2 水压复合技术路线
在爆炸焊和水压复合工艺中，虽然主要依靠机械力实现复合，但红外热像温度监测在以下环节发挥重要作用：
- 复合层退火热处理温度监控：水压复合后通常需要进行退火处理以消除残余应力和改善界面结合质量。红外热像系统实时监测加热炉内工件温度场均匀性，确保升温速率和保温温度符合工艺要求；
- 复合界面缺陷热分析：利用红外热像进行复合界面的热波检测（Thermal Wave Testing），通过施加热激励后监测温度场响应差异，可识别复合界面的脱粘、分层等缺陷；
- 复合管水压试验温度监控：复合管成品水压试验过程中，红外热像监测管体温度分布，确保试验在适宜温度条件下进行，避免低温脆断风险；
- 复合板焊后热处理（PWHT）监控：复合板焊接后进行整体或局部PWHT时，红外热像监测确保加热和冷却速率满足ASME Section IX规定，避免复合层过热或温度梯度过大导致分层。
7.3 爆炸焊复合技术路线
- 爆炸复合后热处理温度控制：爆炸焊复合后需进行固溶处理或去应力退火，红外热像监测确保炉温均匀性和升温/降温速率符合工艺窗口要求；
- 爆炸界面质量热成像评估：利用红外热像对爆炸复合界面进行无损热成像检测，通过温差响应特征评估界面结合质量，作为超声检测的补充手段；
- 复合管/板加工过程温度监控：爆炸复合件后续机械加工（如矫形、切割、焊接）过程中，红外热像监测加工热影响，确保不损伤已形成的复合界面；
- 爆炸焊工艺参数优化：在爆炸焊工艺开发阶段，红外热像记录爆炸冲击波传播过程中的温度场变化，为数值模拟验证提供实验数据支撑。
八、对公司资质建设、产品交付与客户价值的作用
8.1 资质建设支撑
红外热像焊接温度监测技术是公司质量管理体系和资质升级的重要技术支撑：
- ISO 3834-2焊接质量体系：该标准要求对焊接过程关键参数进行监控和记录，红外热像温度监测提供了温度参数的完整、实时、可追溯记录，满足体系审核要求；
- ASME "N"/"NB"认证：核级/压力容器制造认证要求严格的焊接过程控制，温度实时监测和自动停弧联动体现了过程控制的自动化和可靠性；
- API Q1质量管理体系：石油天然气行业质量体系要求对关键工序实施实时监控，红外热像温度监测作为关键工序控制手段，提升审核通过率；
- EN ISO 14732焊接体系审核：欧洲焊接体系标准要求焊接过程参数的记录和控制，温度实时监测数据直接作为体系审核证据。
8.2 产品交付增值
- 质量记录完整性：每批产品交付时附带完整的焊接温度时间历程报告，证明全过程温度参数符合WPS要求，增强客户信任；
- 缺陷率降低：通过实时温度管控，冷裂纹、层间裂纹等温度敏感型缺陷发生率预计降低50%以上，减少返修和报废；
- 交付周期缩短：消除人工测温等待时间，整体焊接效率提升10%~20%，缩短项目交付周期；
- 数字孪生基础：积累的温度场数据为产品数字孪生建模、服役性能预测提供数据基础，支撑全生命周期服务。
8.3 客户价值创造
- 风险降低：实时温度监控将焊接质量风险从事后检测前移至过程控制，大幅降低产品失效风险；
- 审核便利：完整的温度电子记录使客户或第三方审核无需依赖纸质记录，审核效率提升30%以上；
- 工艺优化：基于温度场数据的分析，可识别工艺优化空间，为客户后续项目提供更优的WPS方案；
- 差异化竞争：温度实时闭环控制能力在行业中属于先进水平，构成技术差异化优势，支撑高附加值项目竞标。
九、技术发展趋势与展望
红外热像焊接温度监测技术正处于快速演进阶段，未来发展方向包括：
- 多传感器融合：红外热像与熔池视觉、声发射、电流电压等多源数据融合，构建焊接过程全息感知模型；
- AI智能预测：基于深度学习的时间序列预测模型，提前30~60秒预测温度趋势，实现"预测性控制"而非"反应性控制"；
- 数字孪生集成：将实时温度场数据与焊接有限元热-力耦合模型实时耦合，实现焊接过程的虚实同步仿真；
- 微型化与集成化：开发适配焊接机器人末端的微型热像模块，实现"眼到手"的一体化集成，消除安装位置限制；
- 边缘智能：将温度判定算法下沉至边缘计算设备，实现毫秒级本地决策，降低通信延迟对响应速度的影响。
总结：红外热像焊接温度监测技术是科雷丁技术（山西）有限公司焊接智能质控体系的核心感知层技术。该技术通过非接触式全场温度实时采集与闭环控制，实现了焊接温度管控从"人工间断式"向"自动实时化"的跨越式升级。在TIG/MIG堆焊、水压复合、爆炸焊复合三条技术路线中均有明确应用场景，对公司资质体系建设、产品质量保障和客户价值创造具有显著支撑作用。该技术的持续优化与迭代，将为公司构建焊接制造全过程数字化管控能力奠定坚实基础。