CN101242926A - 计算锻焊机运转参数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于计算锻焊一种或多种材料的锻焊机的参数的系统和方法。计算机程序执行自校正例程以响应于输入的热影响区宽度和输入的焊接温度来计算该锻焊机的运转频率和运转功率。

Description

计算锻焊机运转参数的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及锻焊处理，尤其涉及响应于输入的热影响区宽度和用于锻焊处理的焊接温度控制锻焊机的参数。

背景技术

锻焊包括将金属部件如板件结合在一起。例如，图1(a)示出在板件103的边缘和板件105的表面之间形成的典型的局部T形接头锻焊101，图1(b)示出在板件109和111的正对边缘之间形成的典型的方形对接局部锻焊107。锻焊还包括将折叠的金属片或金属带的边缘部分结合在一起，其中当金属带在形成的焊接缝的方向纵向前进时在焊点处将边缘部分合在一起。例如在图2中，当金属带在单箭头的方向前进并且在双箭头表示的方向施加压力以将金属带的边缘部分合在一起时，通过在焊点115处将金属带合在一起以形成焊接缝117，从而形成管113。

在锻焊处理中，在加热到焊接温度的焊点处施加高压力以产生焊接。一般来说，焊接温度在所焊接的金属的熔点以下但是可能接近该熔点。可以通过使用适当的能量源如激光、电子束、电阻或者高频电感来完成将金属加热到焊接温度。

锻焊处理导致热影响区(HAZ)的产生，HAZ是在焊接处理期间没有熔化但是来自该处理的热改变了其微观结构和机械特性的金属部分。例如，在图2中，虚线118表示在焊缝117两侧HAZ的广义外部边界。如图3(a)和图3(b)中更清楚示出的，HAZ的宽度X_E等于外部边界线118之间的距离。尽管在实践中HAZ的外部边界沿着焊接的整个长度可能不是均匀直线，但是通常可以用直线边界线来近似HAZ宽度。最小化HAZ宽度通常将具有不同于未加热的金属部分的性质的金属量减少到最小。HAZ的优选或有效宽度是许多焊接参数的复合函数，这些参数包括但不限于焊接频率、部件壁厚度、部件几何结构、焊接加热长度以及焊点处部件的角度和速度。

感应锻焊的一个具体应用是高频感应管和管焊，其中如图2、图3(a)和图3(b)中图解示出的，在带的相邻边缘到达焊点之前，由管成型机在熔点温度对形成为椭圆形状的带的两个边缘施加非常短时间的高压力。在该温度，固相扩散速率非常高并且质量结合导致非常短的时间段。理想地，所有熔化的金属都应该从结合面挤出到焊珠的内径或外径之内，并且该结合没有熔化或者铸造的金属。在图2中，可以从适当的ac电源(图中未示出)向感应线圈121施加感应功率以在通过将带的边缘合在一起而形成的V形区域周围的金属中感生出电流。如图2中典型的通量线119(用虚线示出)所示，感生电流绕过管的后面然后沿着开放的V形边缘向焊点115流动。该V形区域的长度y近似等于最靠近焊点的线圈的端部和焊点之间的距离。一般来说，由于该长度与具体的锻焊机有关，所以可以使用该距离的其它定义，只要所定义的距离始终用于具体的锻焊机即可。还可以将长度y称为焊接加热长度。尽管图2中示出螺线管线圈，但是也可以使用其它线圈结构。

HAZ的有效宽度是多个焊接参数的复合函数，所述焊接参数包括但不限于焊接频率、组件壁厚度、组件几何结构、焊接加热长度和角度、部件接合速度以及部件材料。下面说明如何在数学上应用这些参数。

可以从方程(1)计算电基准深度或者透入深度ξ，其定义为当该处理是感应锻焊处理时，感应电流近似指数减少到其在表面处的值的e^-1(0.368)时的金属部件的边缘的距离，

$\mathrm{\ξ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}---\left(1\right)$

其中，ρ是金属部件的电阻率，μ是金属部件的相对导磁率，f是所施加功率的电焊接频率，π是常数pi(3.14159)。

可以从方程(2)计算热基准深度或者热扩散深度δ，其代表边缘被热传导加热多深，

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\π\ϵ\ψ}}{4\mathrm{\ν}}}---\left(2\right)$

其中ε是金属部件的热扩散率，y是“V”的长度，其也被称为焊接加热长度，v是金属部件(金属带)通过焊点的速度，其也被称为焊接速度。

当通过热扩散深度将电基准深度和HAZ宽度规范化时，在这两个量之间存在函数关系。

可以从方程(3)计算规范的电基准深度Z_n，

$Z_n=\frac{\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\δ}}---\left(3\right)$

可以从方程(4)计算HAZ的规范宽度X_n，

X_n＝a_o+a₁Z_n+a₂Z_n ²+a₃Z_n ³    (4)

可以通过对特定类型的金属材料的试验性锻焊来建立方程(4)或者HAZ规范宽度多项式。例如，图4中的经验数据点x₁至x₁₈中的每一个代表规范的电基准深度(Z_n)和对应的HAZ规范深度(X_n)。可以使用任何适当的模型来将所收集的经验数据拟合为曲线。在本具体例子中，使用适当的非线性曲线拟合模型将所述数据点拟合为如图4中多项式曲线p₁所图解示出的具有方程(4)的多项式形式的方程。该多项式通常为X_n＝f(Z_n)的形式，方程(4)中的系数a₀、a₁、a₂和a₃代表在得到经验数据点的实验或试验中针对特定材料得到的系数。

可以从方程(5)计算有效焊接功率P_E：

P_E＝H·γ·X_E·h·v    (5)

其中H等于锻焊处理的焓；也就是说，在锻焊处理中金属焓的变化(当用瓦特计算P_E时，用焦耳测量焓)，其中金属温度从其焊前温度升高到其焊接温度。

γ是金属密度(用千克/立方米测量)；

X_E是热影响区的有效宽度(用米测量)；

h是正被焊接在一起的金属的厚度(用米测量)；以及

v是在焊点处正被焊接的金属的速度或者焊接速度(用米/秒测量)。

本发明的一个目的是在不知道所需的锻焊机运转频率或运转功率设置的情况下在一种或多种材料的锻焊中，通过指定焊接的热影响区的优选宽度和优选的焊接温度利用锻焊机实现锻焊。

本发明的另一个目的是在不由锻焊机的操作员输入锻焊机的运转频率和运转功率设置的情况下，在锻焊处理中进行该频率和功率设置以实现所希望的焊接。

发明内容

在一个方面，本发明是一种用于控制锻焊一种或多种材料的锻焊机的参数的系统。该系统包括计算机、一个或多个计算机存储装置以及计算机程序。该计算机程序执行自校正例程以响应于输入的热影响区宽度和输入的焊接温度计算锻焊机的运转频率和运转功率设置。

在另一方面，本发明是一种用于在一种或多种材料的锻焊中计算锻焊机的运转频率和运转功率设置的方法。该方法包括输入热影响区的宽度和输入焊接温度，用于计算锻焊机的运转频率和运转功率设置。参考锻焊机数据，如焊接速度和焊接加热长度，以及一种或多种材料的参数，如它们的厚度、密度和焓，用于计算运转频率和运转功率设置。可以在锻焊期间测量热影响区的宽度和焊接温度以调节计算出的运转频率或运转功率，使得在任何容许的公差内测得的热影响区宽度和测得的焊接温度等于输入的热影响区宽度和输入的焊接温度。

在本说明书和所附权利要求书中阐述了本发明的其它方面。

附图说明

为了说明本发明，在附图中示出了优选的形式；然而应该理解，本发明不局限于所示的确切结构和手段。

图1(a)示出典型的局部T形接头锻焊，图1(b)示出典型的对接接头锻焊。

图2示出通过将金属板或金属带的相对纵向边缘锻焊在一起的管的典型形成。

图3(a)进一步示出与将金属板或金属带的相对纵向边缘锻焊在一起以形成管有关的参数。

图3(b)是沿着图3(a)中的线A-A的截面图，其中示出以锻焊形成的管的参数。

图4是从经验数据点生成的HAZ多项式的规范宽度的典型图示。

图5示出用于计算HAZ宽度的典型温度分布曲线。

图6(a)和图6(b)示出用于基于输入的HAZ的宽度和焊接温度确定锻焊处理中锻焊机的运转频率和运转功率设置的处理的流程图。

具体实施方式

图6(a)和图6(b)中示出了本发明的计算锻焊机的运转参数的系统和方法的一个非限定性例子。尽管该系统和方法涉及对金属带或金属板纵向边缘的感应锻焊，但是通过适当的修改，本领域的技术人员可以将该系统或方法应用到产生HAZ的任何锻焊处理。该图中的例程可以由本领域的技术人员编写的计算机程序代码来具体化，并由包括但不限于处理器、存储装置以及输入和输出装置的适当计算机硬件来执行。术语“金属”用于简化描述锻焊在一起的一种或多种材料部件，包括但不限于金属带和金属板。术语“锻焊机”或“锻焊机器”用于简化一般性地描述用于金属锻焊的机器，包括但不限于成形机。术语“锻焊电源”用于简化一般性地描述为了锻焊而加热金属的能量源，包括但不限于电感电源。

在例程12中，通过任何适当的装置输入金属的材料参数。例如，锻焊机的操作员可以通过键盘等适当的输入装置输入每个参数的值，或者操作员可以输入代表特定材料的代码，该特定材料的所需参数的值被存储在适当存储装置中，本发明的系统或处理参考该数据。材料参数可以包括金属的厚度(h)；金属的电阻率(ρ)；金属的相对导磁率(μ)；金属的热扩散率(ε)；金属的焓(H)以及金属的密度(γ)。

在例程14中，通过适当的装置输入锻焊机参数。例如锻焊机的操作员可以通过适当的输入装置输入每个参数的值，或者可以从存储在适当存储装置中的值的查找表输入一个或多个参数的值。所存储的值可以基于所输入的材料参数和/或特定锻焊机的运转参数，本发明的系统或处理参考该数据。锻焊机参数可以包括焊接加热长度和焊接速度。

在例程16中，通过适当的装置输入锻焊参数。例如锻焊机的操作员可以通过适当的输入装置输入每个参数，或者从存储在适当的存储装置中的基于所输入的材料参数和/或特定焊接机的运转参数的值的查找表输入一个或多个参数。所输入的焊接参数可包括HAZ的有效宽度(X_E)和焊点温度(T_E)。

在例程18中，可以从本发明的非限制性例子中的上述方程(2)计算试验热基准深度。在例程20中，输入初始试验电焊频率F₀。例如，如果用来执行该处理的锻焊机具有10kHz到100kHz的功率运转频率范围，则可以将初始试验频率预置为10kHz并将其存储在适当的存储装置中，并从该存储装置输入所述初始试验频率。作为选择，锻焊机的操作员可以通过适当的输入装置手动输入所述初始试验频率。在任何情况中，由于针对所选择的HAZ的有效宽度X_E的运转频率是通过下面要进一步说明的迭代处理确定的，所以具体初始试验频率的选择不是关键。在例程22中，可以从本发明的非限定性例子中的上述方程(1)计算试验电基准深度。

在例程24中，从本发明的非限定性例子中的上述方程(3)计算试验规范电基准深度Z_n。将该试验规范电基准深度的值输入到例程26，例程26从本发明的非限定性例子中的上述HAZ规范宽度方程(4)计算对应的HAZ试验规范宽度X_n。

在例程28中，通过将X_n乘以在例程18中算出的试验热基准深度，将HAZ的试验规范宽度X_n转换为HAZ的计算宽度X_C。

在例程30中，将HAZ的计算宽度与先前输入的有效宽度X_E相比较。如果在任何可容许的公差内X_C不等于X_E，则在例程32中将试验频率F₀改变为新的值。例如，如果X_C＞X_E+Δε，其中Δε是容许的公差值，则新的试验值F₀为旧的试验值F₀加上所选择的初始增量频率变化ΔF。相反，如果X_C＜X_E-Δε，则新的试验值F₀为旧的试验值F₀减去所选择的初始增量频率变化ΔF。在随后的迭代中，将该增量频率变化ΔF例如减少一半，使得迭代处理最终导致所计算出的X_C＝X_E±ε，其中如果被使用，则ε是所希望的HAZ的有效宽度的容许公差值。在例程34中，使针对X_C＝X_E±ε设置的试验值F₀等于设置频率F_SET。可以使用任何代替类型的适当迭代方法来收敛到该设置频率。

在本发明的某些例子中，计算锻焊机的运转参数的系统和方法可以包括计算锻焊机的运转频率。在本发明的其它例子中，该系统和方法还包括计算锻焊机的运转功率设置。

当在例程34中将X_C＝X_E±ε设置为设置频率F_SET时，在例程36中可以从本发明的非限定性例子中的上述方程(5)计算有效功率P_E，并且可以设置该有效功率的值等于设置运转功率P_SET。例程38在运转频率F_SET和运转功率P_SET执行测试锻焊。在例程40中，从适当的感测装置如热成像照相机输入来自该测试运行的HAZ的实际测量宽度X_TEST。热图像分析可以产生关于金属横截面宽度的图形温度幅度显示。例如，在图5中，最高温度T_MAX出现在焊点处并且从焊点开始以通常为铃形的曲线逐渐减小。如该图中所示，可以向X_TEST赋予典型值，例如0.5T_max。作为选择，可以从在焊接的管上切割的冶金样品确定HAZ的宽度。图5中的温度曲线的形状和选择0.5T_max作为HAZ的宽度边界的温度点是非限制性的选择。对于特定的锻焊机和锻焊处理，其它温度曲线和HAZ的宽度边界处的温度也可以应用。也就是说，该温度曲线和边界温度与锻焊处理有关。

例程42比较HAZ的测试运行宽度X_TEST与所输入的HAZ的有效宽度X_E。如果在任何可容许的公差内X_TEST不等于X_E，则通过例程44改变HAZ经验拟合曲线的宽度，其中将由从设置频率F_SET和设置功率P_SET得出的并且在测试运行中使用的Z_n和X_n定义的点添加到用于生成拟合曲线的点集中，并进行新的曲线拟合分析。

迭代重复例程26至42，直到在任何可容许的公差内HAZ的测试运行宽度X_TEST等于输入的HAZ的宽度X_E。然后例程43继续测试运行并且在例程48中将实际测试焊点温度T_MAX与输入的有效焊点温度T_E相比较。在例程46中使用适当的传感器如高温计输入实际测试焊点温度。如果在可容许的公差内T_MAX不等于有效的焊点温度T_E，则在例程50中将该材料的焓(H)的值改变为新的值并且在例程36中计算有效功率P_E的新值。例如，如果T_MAX＞T_E+Δε，其中Δε是容许的公差值，则焓(H)的新值为旧值减去选择的增量变化ΔH。相反，如果T_MAX＞T_E-Δε，则焓(H)的新值为焓(H)的旧值加上选择的增量变化ΔH。在随后的迭代中，焓的增量变化ΔH减少例如一半，使得迭代处理最终导致计算出的T_MAX＞T_E+Δε，其中如果被使用，则ε是所希望的HAZ的有效宽度的容许公差值。迭代执行例程36至48，直到T_MAX＝T_E±ε，其中ε是所希望的有效焊点温度的容许公差值。当该条件被满足时，例程52在锻焊机运转频率F_SET和运转功率P_SET设置生产运行。

美国专利5,902,506号和5,954,985号公开了可以在本发明的处理中使用的调整感应锻焊机电源的频率和功率大小的设备和方法。

因此，在本发明的计算锻焊机的运转参数的系统和方法的一个例子中，可以使用计算机程序响应于所输入的热影响区的宽度和所输入的焊接温度计算锻焊机的运转频率和运转功率设置。该计算可以基于锻焊机数据和要在锻焊处理中焊接的一种或多种材料的参数数据。本发明的上述例子说明了可在本发明的系统或处理中使用的一些非限定性的锻焊机数据和一个和多个材料的参数数据。

上述例子不限制所公开的发明的范围。在所附权利要求书中进一步给出所公开的发明的范围。

Claims (19)

1.用于控制锻焊一种或多种材料的锻焊机的参数的系统，该系统包括计算机、一个或多个计算机存储装置以及计算机程序，计算机程序执行自校正处理以响应于输入的热影响区宽度和输入的焊接温度计算所述锻焊机的运转频率和运转功率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个存储装置存储锻焊机数据和所述一种或多种材料的参数数据。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述锻焊机数据包括焊接速度和焊接加热长度，所述一种或多种材料的参数数据包括所述一种或多种材料的厚度、密度和焓。

4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中所述自校正处理包括输入的热影响区宽度和锻焊焊接温度的测量数据。

5.用于在一种或多种材料的锻焊中计算锻焊机的运转频率和运转功率设置的方法，该方法包括以下步骤：输入热影响区的宽度、输入焊接温度以及计算锻焊机的运转频率和运转功率设置。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括参考锻焊机数据和参考所述一种或多种材料的参数的步骤。

7.根据权利要求5或6所述的方法，还包括参考焊接速度、焊接加热长度、所述一种或多种材料的厚度、所述一种或多种材料的密度以及所述一种或多种材料的焓的数据的步骤。

8.根据权利要求5、6或7所述的方法，还包括以下步骤：测量所述锻焊的热影响区宽度、测量所述锻焊的焊接温度、以及响应于所测得的热影响区宽度和所测得的焊接温度与所输入的热影响区宽度和所输入的焊接温度的比较，调节计算出的运转频率或运转功率设置。

9.用于在锻焊中计算锻焊机的运转频率的方法，该方法包括以下步骤：

(a)输入要锻焊的一种或多种材料的材料参数；

(b)输入所述锻焊机的参数；

(c)输入热影响区的优选宽度；

(d)计算试验热基准深度；

(e)输入试验运转频率；

(f)计算试验电基准深度；

(g)计算试验规范电基准深度；

(h)从参数方程计算热影响区的规范宽度；

(i)将热影响区的试验规范宽度转换为热影响区的计算宽度；以及

(j)比较所述热影响区的计算宽度与所述热影响区的优选宽度，如果所述热影响区的计算宽度在可容许的公差内等于所述热影响区的优选宽度，则将所述锻焊机的运转频率设置为所述试验运转频率，否则，改变所述试验频率并执行步骤(e)至(j)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述一种或多种材料的材料参数包括所述一种或多种材料的热扩散率、电阻率以及相对导磁率，并且所述锻焊机的参数包括焊接加热长度和焊接速度。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述参数方程包括作为所述规范电基准深度的函数的、所述热影响区的规范宽度形式的多项式。

12.根据权利要求9、10或11所述的方法，其中还包括以下步骤：

(k)计算试验有效功率；

(1)在测试运行时按所述运转频率和所述试验有效功率操作所述锻焊机；

(m)从所述测试运行测量所述热影响区的测试宽度；

(n)输入所述热影响区的所述测试宽度；

(o)比较所述热影响区的测试宽度和所述热影响区的优选宽度，如果所述热影响区的测试宽度在可容许的公差内等于所述热影响区的优选宽度，则将所述锻焊机的运转功率设置为所述试验有效功率，否则，产生修改的参数方程并迭代执行步骤(h)至(o)；

(p)在焊接温度测试运行中按所述运转频率和所述运转功率操作所述锻焊机；

(q)输入优选的焊接温度；以及

(r)在所述焊接温度测试运行期间测量测试运行焊接温度，如果所述测试运行焊接温度在可容许的公差内等于所述优选测试运行温度，则在所述运转频率和运转功率生产运行所述锻焊机，否则，改变所述一种或多种材料的焓并迭代执行步骤(k)至(r)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述材料参数包括所述一种或多种材料的热扩散率、电阻率、相对导磁率、厚度以及焓，所述锻焊机参数包括焊接加热长度和焊接速度。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述参数方程包括作为所述规范电基准深度的函数的、所述热影响区的规范宽度的形式的多项式。

15.根据权利要求12、13或14所述的方法，其中通过将由所述试验规范电基准深度和所述热影响区的试验规范宽度定义的点添加到用于从曲线拟合模型产生所述参数方程的经验点集来生成所述修改的参数方程。

16.用于在锻焊中计算锻焊机的运转频率的方法，该方法包括以下步骤：

(a)输入要锻焊的一种或多种材料的材料参数；

(b)输入所述锻焊机的参数；

(c)输入热影响区的优选宽度；

(d)计算试验热基准深度；

(e)输入试验运转频率；

(f)计算试验电基准深度；

(g)计算试验规范电基准深度；

(h)从参数方程计算所述热影响区的试验规范宽度；

(i)将所述热影响区的试验规范宽度转换为所述热影响区的计算宽度；

(j)比较所述热影响区的计算宽度和所述热影响区的优选宽度，如果所述热影响区的计算宽度在可容许的公差内等于所述热影响区的优选宽度，则将所述锻焊机的运转频率设置为所述试验运转频率，否则改变所述试验频率并执行步骤(e)至(j)；

(k)计算试验有效功率；

(l)在测试运行中按所述运转频率和所述试验有效功率操作所述锻焊机；

(m)从所述测试运行测量所述热影响区的测试宽度；

(n)输入所述热影响区的测试宽度；

(o)比较所述热影响区的测试宽度和所述热影响区的优选宽度，如果所述热影响区的测试宽度在可容许的公差内等于所述热影响区的优选宽度，则将所述锻焊机的运转功率设置为所述试验有效功率，否则，产生修改的参数方程并迭代执行步骤(h)至(o)；

(p)在焊接温度测试运行中按所述运转频率和所述运转功率操作所述锻焊机；

(q)输入优选焊接温度；以及

(r)在所述焊接温度测试运行期间测量测试运行焊接温度，如果所述测试运行焊接温度在可容许的公差内等于所述优选测试运行温度，则在所述运转频率和运转功率生产运行所述锻焊机，否则，改变所述一种或多种材料的焓并迭代执行步骤(k)至(r)。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述材料参数包括所述一种或多种材料的热扩散率、电阻率、相对导磁率、厚度以及焓，所述锻焊机参数包括焊接加热长度和焊接速度。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述参数方程包括作为所述规范电基准深度的函数的、所述热影响区的规范深度形式的多项式。

19.根据权利要求16、17或18所述的方法，其中通过将由所述试验规范电基准深度和所述热影响区的试验规范宽度定义的点添加到用于从曲线拟合模型产生所述参数方程的经验点集来生成所述修改的参数方程。

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