CN103586606B - 钢结构焊接收缩变形自动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构焊接收缩变形自动监测方法，发明人利用位移传感器经理论推导得到收缩变形的计算公式（式(1)～(6)），并据此建立本发明的自动监测方法。该法设备简单、操作容易，自动化程度高，不用人为干预，降低了人的劳动强度；可实时显示两个垂直方向及总的收缩变形值，有利于实时掌握焊接工艺的稳定性及质量；监测结果精度比常规方法高，可达到0.01mm。将本发明应用于钢结构焊接加工领域，可实现高精度、自动化、实时动态地监测收缩变形量，便于判别焊接工艺的可靠性、稳定性，有利于满足钢结构成形尺寸、外形及承载能力的要求。

Description

钢结构焊接收缩变形自动监测方法

技术领域

本发明属于钢结构焊接加工技术领域，尤其涉及一种钢结构焊接收缩变形自动监测方法。

背景技术

钢结构分为建筑钢结构、桥梁钢结构等，与目前土建领域普遍采用的钢筋混凝土结构相比，钢结构具有强度高、工程造价低、自重轻、施工周期短和工厂化制作等优点，如此多优势得到广泛重视并迅速发展，除重大工程、标志性建筑使用外，钢结构已经得到普遍使用，整个行业呈现出兴旺的景象。

随着当代工业的发展，焊接结构的应用也得到了突飞猛进的发展，在焊接结构的生产中，钢材的焊接通常采用熔化焊方法，即在接头处局部加热，使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液态金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热，熔合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因为加热、冷却这种热变化在局部范围急速进行，膨胀和收缩变形均受到约束而产生塑性变形。影响焊接变形的主要因素有：不同的焊接方法（如C0₂气体保护焊、埋弧自动焊等）产生的热量不同，引起的焊接残余变形量也不同；不同的接头形式（如对接接头、搭接接头和拼接板接头）构成焊缝断面积及冷却速度不同收缩变形也不同；先焊的部件对后焊的部件将产生不同程度的拘束，焊接顺序及拘束条件不同其焊接变形也不相同。焊接残余变形的基本形式主要表现为横向收缩、纵向收缩及旋转变形等。实际焊接过程中焊接残余变形呈现出多种基本形式组合的复杂状态，若残余变形控制不好不仅影响结构尺寸的准确和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，引起事故，所以焊接残余变形的控制是非常必要且重要的。

钢结构焊接收缩变形作为焊接中常见的一种残余变形，一直受到不断的关注和广泛的研究，传统的焊接收缩变形测量主要靠手工测量，如钢直尺(游标卡尺)测量、三维坐标观测法，并要在焊件冷却到室温下时测量，劳动效率较低而且耽误工期，精度也较低，不能在焊接过程中实时显示收缩变形结果，且不能做到全自动化。近年来出现了数码像机数值图像处理法测量收缩变形，数码像机数值图像处理法的测量精度和像机的像素有关，但设备、软件要求较高，价格高、不宜推广使用，所以在钢结构焊接加工领域急需一种精度高、自动化、实时动态的焊接收缩变形监测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自动化、实时动态、精度较高的钢结构焊接收缩变形自动监测方法，便于判别焊接工艺的可靠性、稳定性，以保证钢结构成形尺寸、外形及承载能力。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：钢结构焊接收缩变形自动监测方法，包括以下步骤：

<1>监测设备由2只位移传感器b与c，带有磁体的固定传感器b、c的底座A，控制显示面板及底盘等组成；把监测设备安装在起焊端的另一端，焊接钢板或构件的一边紧邻焊缝平行放置监测设备的底盘，在焊接钢板或构件的另一边放置底座A（依靠磁铁与焊接构件固定），底座A的固定转轴同时与传感器b、c的铰链相连，传感器b、c的另一铰链分别与底盘两端的固定转轴C、B相连，位移传感器接入嵌入式计算机，调整位移传感器的初始位置使传动杆处于量程的中间位置；

<2>由传感器上的刻度读取传感器固定轴中心的距离B和C，底盘上两固定转轴中心间距为固定距离A，使A、B、C在250mm～350mm，且距离A、B、C构成锐角三角形的三边；

<3>把距离A、B与C输入嵌入式计算机中，嵌入式计算机自动读入传感器b、c的位移示值变化量ΔB、ΔC，并按公式计算及实时显示焊接过程中与焊缝垂直、平行方向收缩变形值Δy、Δx及总变形值Z，公式为

$\mathrm{\&Delta;x}=\frac{B^2-{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2+{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2-C^2}{2A}---\left(1\right)$

或 $\mathrm{\&Delta;x}=\frac{C^2-{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2+{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-B^2}{2A}---\left(2\right)$

(1)式中Δx正号表示A点向x轴的负方向移动，负号表示A点向x轴的正方向移动；(2)式中Δx正号表示A点向x轴的正方向移动、负号表示A点向x轴的负方向移动；

$\mathrm{\&Delta;y}=\sqrt{{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-{\left(\frac{A^2+{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2}{2A}\right)}^2}-\sqrt{B^2-{\left(\frac{A^2+B^2-C^2}{2A}\right)}^2}---\left(3\right)$

或 $\mathrm{\&Delta;y}=\sqrt{{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2-{\left(\frac{A^2+{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2-{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2}{2A}\right)}^2}-\sqrt{C^2-{\left(\frac{A^2+C^2-B^2}{2A}\right)}^2}---\left(4\right)$

(3)式及(4)式中Δy正号表示A点平行与y轴正方移动、负号表示A点平行与y轴负方向移动；

B′=(B＋ΔB)，C′=(C＋ΔC)    (5)

$Z=\sqrt{{\mathrm{\&Delta;x}}^2+{\mathrm{\&Delta;y}}^2}---\left(6\right)$

各式中ΔB、ΔC分别表示传感器b、c的位移示值，ΔB及ΔC的正号表示传感器被拉伸、负号表示传感器被压缩。

距离A、B、C在300mm。

位移传感器的传动杆及支撑杆的端部具有铰链。

传动杆上具有长度调节螺母及可直接读出两铰中心距离的刻度。

嵌入式计算机具有数据处理、储存及实时显示功能，也可导出数据后进行处理。

针对现有钢结构焊接收缩变形自动监测手段存在的问题，发明人利用位移传感器经几何推导得到收缩变形的科学计算公式（式(1)～(6)），并据此建立了钢结构焊接收缩变形自动监测方法。该法设备简单、操作容易，自动化程度高，不用人为干预，降低了人的劳动强度；而且可实时显示两个垂直方向及总的收缩变形值，有利于实时掌握焊接工艺的稳定性及质量；监测结果精度比常规方法高，可达到0.01mm。将本发明应用于钢结构焊接加工领域，可实现高精度、自动化、实时动态地监测收缩变形量，便于判别焊接工艺的可靠性、稳定性，以保证钢结构成形尺寸、外形及承载能力。

附图说明

图1是本发明钢结构焊接收缩变形自动监测方法的算法示意图。

图2是本发明中监测设备的安装示意图。

图3是位移传感器的结构示意图。

图中：1起焊端，2施焊方向，3焊缝坡口，4底座A，5底盘，6磁铁，7嵌入式计算机，8位移传感器b，9位移传感器c，10刻度，11传动杆，12长度调节螺母，13感应装置，14支撑杆，15铰链。

具体实施方式

图1给出了本发明自动监测方法的几何意义，经数学推导得式(1)～(6)。

下面结合实施例和附图进一步说明本发明。

实施例1

如图2所示，在某不等厚钢板的焊接过程中，应用本发明如下：

其中，监测设备由2只位移传感器b与c（位移传感器的传动杆及支撑杆的端部具有铰链，传动杆上具有长度调节螺母及可直接读出两铰中心距离的刻度），带有磁体的固定传感器b、c的底座A，控制显示面板及底盘等组成；嵌入式计算机具有数据处理、储存及实时显示功能，也可导出数据后进行处理。

<1>把监测设备安装在起焊端的另一端，焊接钢板或构件的一边紧邻焊缝平行放置监测设备的底盘，在焊接钢板或构件的另一边放置底座A，底座A的固定转轴同时与传感器b、c的铰链相连，传感器b、c的另一铰链分别与底盘两端的固定转轴C、B相连，位移传感器接入嵌入式计算机，调整位移传感器的初始位置使传动杆处于量程的中间位置；

<2>由传感器上的刻度读取传感器固定轴中心的距离B和C，底盘上两固定转轴中心间距为固定距离A，使A、B、C在250mm～350mm，且距离A、B、C构成锐角三角形的三边；

<3>把距离A、B与C输入嵌入式计算机中，嵌入式计算机自动读入传感器b、c的位移示值变化量ΔB、ΔC，并按公式计算及实时显示焊接过程中与焊缝垂直方向、平行方向收缩变形值Δy、Δx及总变形值Z，公式为

$\mathrm{\&Delta;x}=\frac{B^2-{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2+{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2-C^2}{2A}---\left(1\right)$

(1)式中Δx正号表示A点向x轴的负方向移动，负号表示A点向x轴的正方向移动；

$\mathrm{\&Delta;y}=\sqrt{{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-{\left(\frac{A^2+{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2}{2A}\right)}^2}-\sqrt{B^2-{\left(\frac{A^2+B^2-C^2}{2A}\right)}^2}---\left(3\right)$

(3)式中Δy正号表示A点平行与y轴正方移动、负号表示A点平行与y轴负方向移动；

$Z=\sqrt{{\mathrm{\&Delta;x}}^2+{\mathrm{\&Delta;y}}^2}---\left(6\right)$

各式中ΔB、ΔC分别表示传感器b、c的位移示值，ΔB及ΔC的正号表示传感器被拉伸、负号表示传感器被压缩。

实测结果见表1。

表1 实施例1实测结果

Claims (5)

1.一种钢结构焊接收缩变形自动监测方法，其特征在于包括以下步骤：

<1>监测设备由2支位移传感器b与c，用于固定传感器b、c的带有磁体的底座A，嵌入式计算机及底盘组成；把监测设备安装在起焊端的另一端，监测设备的底盘平行并紧邻构件或焊接钢板一边的焊缝放置，在焊接钢板或构件的另一边放置底座A，底座A的固定转轴同时与传感器b、c的铰链相连，传感器b、c的另一铰链分别与底盘两端的固定转轴C、B相连，位移传感器接入嵌入式计算机，调整位移传感器的初始位置使位移传感器的传动杆处于量程的中间位置；

<2>由传感器上的刻度读取传感器固定轴中心的距离B和C，底盘上两固定转轴中心间距为固定距离A，距离B是传感器b的两铰链中心距，距离C是传感器c的两铰链中心距，使距离A、B、C为250mm～350mm，且距离A、B、C构成锐角三角形的三边；

<3>把距离A、B与C输入嵌入式计算机中，嵌入式计算机自动读入传感器b、c的位移示值变化量ΔB、ΔC，并按公式计算及实时显示焊接过程中与焊缝垂直、平行方向收缩变形值Δy、Δx及总变形值Z，公式为

$\mathrm{\&Delta;x}=\frac{B^2-{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2+{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2-C^2}{2A}---\left(1\right)$

或 $\mathrm{\&Delta;x}=\frac{C^2-{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2+{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-B^2}{2A}---\left(2\right)$

(1)式中Δx正号表示A点向x轴的负方向移动，负号表示A点向x轴的正方向移动；(2)式中Δx正号表示A点向x轴的正方向移动、负号表示A点向x轴的负方向移动；

$\mathrm{\&Delta;y}=\sqrt{{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-{\left(\frac{A^2+{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2-{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2}{2A}\right)}^2}-\sqrt{B^2-{\left(\frac{A^2+B^2-C^2}{2A}\right)}^2}---\left(3\right)$

或 $\mathrm{\&Delta;y}=\sqrt{{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2-{\left(\frac{A^2+{(C+\mathrm{\&Delta;C})}^2-{(B+\mathrm{\&Delta;B})}^2}{2A}\right)}^2}-\sqrt{C^2-{\left(\frac{A^2+C^2-B^2}{2A}\right)}^2}---\left(4\right)$

(3)式及(4)式中Δy正号表示A点平行与y轴正方移动、负号表示A点平行与y轴负方向移动；

B′＝(B+ΔB)，C′＝(C+ΔC)                   (5)

$Z=\sqrt{{\mathrm{\&Delta;x}}^2+{\mathrm{\&Delta;y}}^2}---\left(6\right)$

各式中ΔB、ΔC分别表示传感器b、c的位移示值，ΔB及ΔC的正号表示传感器被拉伸、负号表示传感器被压缩。

2.根据权利要求1所述的钢结构焊接收缩变形自动监测方法，其特征在于：所述距离A、B、C为300mm。

3.根据权利要求2所述的钢结构焊接收缩变形自动监测方法，其特征在于：所述位移传感器的传动杆及支撑杆的端部具有铰链。

4.根据权利要求3所述的钢结构焊接收缩变形自动监测方法，其特征在于：所述传动杆上具有长度调节螺母及可直接读出两铰链中心距离的刻度。

5.根据权利要求4所述的钢结构焊接收缩变形自动监测方法，其特征在于：所述嵌入式计算机具有数据处理、储存及实时显示功能。