一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接方法和裝置與流程
2023-04-27 10:45:31
本發明屬於海工裝備領域，具體涉及到一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接方法和裝置。
背景技術：
由於世界各國對能源的依賴度越來越高，因此海底蘊藏的豐富油、氣資源已成為各國主要的開採目標，並逐漸向深海水域發展。海工平臺是各種海上移動式或固定式油氣鑽採平臺的總稱，是海洋石油和天然氣開採領域的關鍵重型鋼結構，承載著海洋油、氣資源開發所需的總質量達數百萬噸的各種設備。隨著開採水域的加深，海工平臺承受的海洋環境更為惡劣，其鋼結構日趨大型化和專業化，更加嚴格的焊接質量要求成為保證平臺安全生產的關鍵因素。
焊接應力，是焊接構件由於焊接而產生的應力。焊接過程中焊件中產生的內應力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中的這種應力和變形稱為瞬態焊接應力和變形；焊接溫度場消失後的應力和變形稱為殘餘焊接應力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內部是平衡的。焊接應力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀，因此是設計和製造中必須考慮的問題。
消除焊接應力的方法有自然時效、熱時效、振動時效、TIG重熔和錘擊工藝、振動焊接、超聲衝擊、爆炸法等技術。焊後正火屬於熱時效的一種，是將焊接的工件加熱到臨界溫度以上，然後在空氣中冷卻下來的過程稱為正火。正火的目的是要消除焊接時材料內部產生的熱應力，消除焊接材料產生裂紋的可能性。正火熱源有火焰加熱、感應加熱、雷射加熱等方法，這幾種加熱方法均存在受熱不均勻的缺點。雖然正火能夠降低焊接應力，但是也存在一些缺點。據論文《火焰正火對鋼軌焊接接頭金相組織及力學性能的影響》(鐵道工程學報，2002年04期)報導，正火處理會使焊縫的屈服強度下降，降低了焊縫抗疲勞性能。使用超聲衝擊可以改善由於正火導致的屈服強度下降的問題。 超聲衝擊可以在焊縫的周圍產生殘餘壓應力，殘餘壓應力的存在可以提高焊縫的力學性能。如果對焊縫周邊區域進行面衝擊，而不是對需要衝擊的區域進行衝擊，則衝擊效率比較低，且能耗大。
技術實現要素：
因此本發明針對雷射加熱不均勻以及面超聲衝擊效率低、能耗大等問題，提供了一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接方法和裝置，用以對海工普通焊接過程和去應力過程進行定量控制。本發明能夠有效地降低焊接過程中產生的焊接應力；提高超聲衝擊的效率和降低去應力的能耗。
本發明的方法技術方案如下：一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接方法，該方法包括如下步驟：
步驟1：通過吊裝設備將需要焊接的鋼板拼接在一起；
步驟2：通過焊接裝置，按照一定的間隔進行點焊，將需要焊接的鋼板進行定位和固定；
步驟3：通過視覺導引頭得到焊接車前方焊縫處的軌跡信息；
步驟4：焊接控制系統將複合焊接頭運動到焊接位置；
步驟5：焊接控制系統設置焊接參數，並啟動雷射器和焊機電源，進行焊接；
步驟6：安裝在焊接車尾部的熱成像儀獲取焊縫處的熱分布圖像；
步驟7：焊接控制系統中內置的正火插值程序對熱分布圖像進行插值處理，得到加熱區域的坐標、功率和加熱時間信息；
步驟8：焊接控制系統控制安裝在尾部的雷射加熱頭移動到需要加熱的區域；
步驟9：焊接控制系統打開光閘，將雷射照射在需要加熱的區域，並保持所需時間；
步驟10：循環步驟4～9，直到需要焊接的區域全部焊接好為止；
步驟11：焊接車返回焊接起點，等待焊縫完全冷卻；
步驟12：焊縫完全冷卻後，視覺導引頭獲取焊接車前方的焊縫位置信息；
步驟13：焊接控制中的去應力參數生成算法根據內應力分布算法得到焊縫周圍的內應力分布信息；
步驟14：去應力參數生成算法在焊縫周圍產生位置坐標、衝擊功率和衝擊次數信息；
步驟15：焊接控制系統將超聲波衝擊頭移動到衝擊位置；
步驟16：焊接控制系統設置衝擊功率和衝擊次數信息，並發出控制命令；
步驟17：超聲波衝擊頭完成衝擊處理；
步驟18：重複步驟12～步驟17，直到整個焊接區域完成衝擊處理為止。
優選的，步驟7中，正火插值程序方法為：
步驟71：對熱成像儀獲取的彩色圖片按照預先設定的色彩範圍進行區域分割處理；
步驟72：提取分割區域的外輪廓信息；
步驟73：對提取的輪廓信息利用二維網格進行分割，網格長寬尺寸等於雷射光斑的直徑；
步驟74：根據網格在圖像中的位置以及網格對應的色彩範圍和存儲在控制系統中的材料特性資料庫，生成坐標信息、雷射功率和加熱時間；
步驟75：將生成的信息以數據包的形式，存放在控制系統緩存中。
優選的，步驟13中，去應力參數生成計算流程為：
步驟131：控制系統通過安裝在焊接車上的位移傳感器陣列獲取焊縫兩側的高度信息；
步驟132：控制系統內置的軟體通過高度信息進行擬合插值處理，得到連續的高度曲線；
步驟133：根據高度曲線、焊接材料的特性和焊接平板尺寸信息，通過內置的內應力分布算法得到焊縫兩側區域的內應力分布數據；
步驟134：根據內應力分布數據，生成去應力參數，包括衝擊位置的坐標、衝擊次數、衝擊功率。
本發明還提供了一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接裝置，該裝置包括視覺導引頭、待焊鋼板、焊縫、雷射電弧複合焊接頭、磁力輪、車體、控制器、電焊機、雷射發生器、超聲波發生器、雷射加熱頭、超聲波衝擊頭、熱成像儀、位移傳感器陣列；
車體通過磁力輪吸附在待焊鋼板上，雷射電弧複合焊接頭和視覺導引頭設置於車體前部，雷射電弧複合焊接頭位於車體上方，視覺導引頭位於雷射電弧複合焊接頭上方，且與視覺導引頭相對設置，雷射電弧複合焊接頭和視覺導引頭通過固定板相連，該固定板一端與車體相連；雷射電弧複合焊接頭下方是待焊鋼板之間的焊縫；視覺導引頭用於糾正焊接過程中的位置偏移；
控制器、電焊機、雷射發生和超聲波發生器分別單獨安裝在車體上；雷射加熱頭、 超聲波衝擊頭和熱成像儀分別安裝在焊接車的尾部；
控制器對視覺導引頭、雷射電弧複合焊接頭、電焊機、雷射發生器、超聲波發生器、雷射加熱頭、超聲波衝擊頭、熱成像儀和位移傳感器陣列進行控制；在控制器中安裝有計算機，控制程序運行在計算機中。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
(1)本發明能夠有效地降低焊接應力，甚至在焊接區域的表面產生殘餘壓應力，提高了大型海工平臺抵抗海浪施加在平臺上的交變應力的能力。
(2)本發明在正火時利用熱分布圖形技術有效地利用了焊接時的餘熱，並消除了熱分布的不均勻性，提高了能量的利用率。
(3)本發明利用視覺導引技術、自動控制技術，將焊接、正火去應力和超聲去應力等過程結合在一起，提高了焊接和去應力的效率。
附圖說明
圖1本發明實施例的流程圖；
圖2本發明焊接車結構示意圖；
圖3焊接熱成像插值示意圖；
圖4焊縫區域高度分布示意圖；
圖2中：1、視覺導引頭 2、待焊鋼板 3、焊縫 4、雷射電弧複合焊接頭 5、磁力輪 6、車體 7、焊接控制器 8、電焊機 9、雷射發生器 10、超聲波發生器 11、雷射加熱頭 12、超聲波衝擊頭 13、熱成像儀 14、位移傳感器陣列；
圖3a是焊接溫度場圖；
圖3b是提取的輪廓；
圖3c是拆分的網格；
圖3d是圖3a中不同區域對應的溫度顏色分量；
圖4中：1、焊縫 2、擬合的焊縫兩側的高度曲線。
具體實施方式
本發明涉及一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接方法和裝置，焊接時先對待焊鋼板點焊定位，然後在焊接引導頭的導引下進行雷射電弧複合焊接。通過熱成像儀獲取焊縫區熱分布，得到正火參數，並對焊縫區域進行正火處理，以便減輕焊接應力。去應力 處理程序通過計算得到焊縫區域的內應力分布，控制超聲波衝擊頭對焊接區域進行去應力衝擊。本發明能夠有效地降低焊接應力、降低能耗和提高去應力效率。
如圖1所示，本發明提供的一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接方法，該方法包括如下步驟：
步驟1：通過吊裝設備將需要焊接的鋼板拼接在一起；
步驟2：通過焊接裝置，按照一定的間隔進行點焊，將需要焊接的鋼板進行定位和固定；
步驟3：通過視覺導引頭得到焊接車前方焊縫處的軌跡信息；
步驟4：焊接控制系統將複合焊接頭運動到焊接位置；
步驟5：焊接控制系統設置焊接參數，並啟動雷射器和焊機電源，進行焊接；
步驟6：安裝在焊接車尾部的熱成像儀獲取焊縫處的熱分布圖像；
步驟7：焊接控制系統中內置的正火插值程序對熱分布圖像進行插值處理，得到加熱區域的坐標、功率和加熱時間信息；
步驟8：焊接控制系統控制安裝在尾部的雷射加熱頭移動到需要加熱的區域；
步驟9：焊接控制系統打開光閘，將雷射照射在需要加熱的區域，並保持所需時間；
步驟10：循環步驟4～9，直到需要焊接的區域全部焊接好為止；
步驟11：焊接車返回焊接起點，等待焊縫完全冷卻；
步驟12：焊縫完全冷卻後，視覺導引頭獲取焊接車前方的焊縫位置信息；
步驟13：焊接控制中的去應力參數生成算法根據內應力分布算法得到焊縫周圍的內應力分布信息；
步驟14：去應力參數生成算法在焊縫周圍產生位置坐標、衝擊功率和衝擊次數信息；
步驟15：焊接控制系統將超聲波衝擊頭移動到衝擊位置；
步驟16：焊接控制系統設置衝擊功率和衝擊次數信息，並發出控制命令；
步驟17：超聲波衝擊頭完成衝擊處理；
步驟18：重複步驟12～步驟17，直到整個焊接區域完成衝擊處理為止。
步驟7中，正火插值程序方法為：
步驟71：對熱成像儀獲取的彩色圖片按照預先設定的色彩範圍進行區域分割處理；
步驟72：提取分割區域的外輪廓信息；
步驟73：對提取的輪廓信息利用二維網格進行分割，網格長寬尺寸等於雷射光斑的直徑；
步驟74：根據網格在圖像中的位置以及網格對應的色彩範圍和存儲在控制系統中的材料特性資料庫，生成坐標信息、雷射功率和加熱時間；
步驟75：將生成的信息以數據包的形式，存放在控制系統緩存中。
步驟13中，去應力參數生成計算流程為：
步驟131：控制系統通過安裝在焊接車上的位移傳感器陣列獲取焊縫兩側的高度信息；
步驟132：控制系統內置的軟體通過高度信息進行擬合插值處理，得到連續的高度曲線；
步驟133：根據高度曲線、焊接材料的特性和焊接平板尺寸信息，通過內置的內應力分布算法得到焊縫兩側區域的內應力分布數據；
步驟134：根據內應力分布數據，生成去應力參數，包括衝擊位置的坐標、衝擊次數、衝擊功率。
本發明還提供了一種超大型海工裝備低應力無餘量焊接裝置，該裝置包括視覺導引頭1、待焊鋼板2、焊縫3、雷射電弧複合焊接頭4、磁力輪5、車體6、控制器7、電焊機8、雷射發生器9、超聲波發生器10、雷射加熱頭11、超聲波衝擊頭12、熱成像儀13、位移傳感器陣列14；
車體6通過磁力輪5吸附在待焊鋼板2上，雷射電弧複合焊接頭4和視覺導引頭1設置於車體6前部，雷射電弧複合焊接頭4位於車體6上方，視覺導引頭1位於雷射電弧複合焊接頭4上方，且與視覺導引頭1相對設置，雷射電弧複合焊接頭4和視覺導引頭1通過固定板相連，該固定板一端與車體6相連；雷射電弧複合焊接頭4下方是待焊鋼板之間的焊縫3；視覺導引頭1用於糾正焊接過程中的位置偏移；
控制器7、電焊機8、雷射發生器9和超聲波發生器10分別單獨安裝在車體6上；雷射加熱頭11、超聲波衝擊頭12和熱成像儀13分別安裝在焊接車的尾部；
控制器7對視覺導引頭1、雷射電弧複合焊接頭4、電焊機8、雷射發生器9、超聲波發生器10、雷射加熱頭11、超聲波衝擊頭12、熱成像儀13和位移傳感器陣列14進行控制；在控制器7中安裝有計算機，控制程序運行在計算機中。
在實施例中，首先通過吊裝設備將需要焊接的鋼板2拼接在一起，然後通過電焊機進行點焊定位。定位後的鋼板在浮態製造時，就不會海浪的衝擊而錯位。通過安裝在焊 接車前方的視覺導引頭1獲取焊縫3的軌跡信息。視覺導引頭的攝像頭安裝設定的時間間隔拍攝焊接車前方的圖像，並對圖像進行中值濾波，本發明採用4*4的矩陣進行中值濾波。然後對圖像進行灰度處理，得到二值圖像，二值化時採用如下的公式：
式中，x，y為像素點坐標，f(x，y)為x，y處的顏色值。t為閾值，該值需要根據現場的鋼板顏色進行設定。
求輪廓時對任意一個像素周圍的四個像素點的灰度值進行運算，如果為1，則將其灰度值設置為0。然後對坐標值進行直線擬合，得到焊縫的位置。得到焊縫位置後，將焊接頭的位置與焊縫位置進行比較，得到偏差值。焊接控制系統7發出信號，將雷射電弧複合焊接頭4運動到與焊縫對齊。焊接控制系統7設置焊接參數，並啟動雷射器和焊機電源，進行焊接；
在焊接過程中，同時進行焊接正火處理。為了有效的利用焊接預熱以及提高正火加熱的熱均勻性，本發明使用安裝在焊接車尾部的獲取焊縫處的熱分布圖像，然後根據熱分布圖的熱量分布決定在不同的位置的加熱參數，加熱參數包括：加熱功率、加熱時間和加熱區域的坐標，該過程是由正火插值程序完成的。工作示意圖如圖3所示，首先對熱成像儀獲取的彩色圖片按照預先設定的色彩範圍進行區域分割處理，分割時使用如下的多值化算法：
圖像經過多值化處理後，已經被轉換為只有5種色彩圖片，每一種色彩對應不同的溫度，然後使用求輪廓算法得到外輪廓信息。如果要使加熱跟均勻，可以使用更多的分割區域。
在整個輪廓區域生成二維網格，網格的尺寸等於雷射光斑的直徑。然後判斷每一小格位於哪一個輪廓內，在判斷時為了提高搜索的速度，首先求分割區域的包圍盒，並建立RTree索引，判斷時先快速的判斷小格位於哪一個包圍盒，然後再使用「點在多邊形」的掃描線算法，得到小格位於得的分割區域，然後根據分割區域對應的信息，得到該小 格的加熱溫度。將網格的坐標、對應的色彩範圍存在控制系統的存儲器中。然後焊接控制系統控制安裝在尾部的雷射加熱頭移動到需要加熱的區域，打開光閘，將雷射照射在需要加熱的區域，並保持所需時間。重複上述過程，直到全部焊好為止。焊接完畢後，焊接車返回焊接起點，等待焊縫完全冷卻。
焊縫完全冷卻後，進行超聲波衝擊去應力處理。首先視覺導引頭獲取去焊接車前方的焊縫位置信息，然後去應力車沿著焊縫運動，在運動的同時安裝在去應力車上的位移陣列傳感器14對焊縫兩側的高度進行測量，由於位移傳感器測量是點位信息，要得到連續的形貌，需要對測量後的點進行插值處理，得到連續的曲線，如圖4所示。焊接控制器7中的去應力參數生成算法根據內應力分布算法得到焊縫周圍的內應力分布信息，並生成位置坐標、衝擊功率和衝擊次數信息；然後焊接控制器7發送信號將超聲波衝擊頭移動到衝擊位置，並設置衝擊功率和衝擊次數信息，並發出控制命令，超聲波衝擊頭完成衝擊處理。重複上述過程，直到整個焊接區域完成衝擊處理。