CN105149966A - 一种纵向变壁厚金属管材的连续制取设备与方法 - Google Patents

Abstract

一种纵向变壁厚金属管材的连续制取设备与方法，属于金属管材焊接加工领域。该方法以差厚板卷为原料，采用计算机系统控制下的高频焊接和剪切设备，按照差厚板卷的厚度变化规律来调节高频焊接装置的感应频率和功率，实现纵向变壁厚金属管材的连续焊接和剪切，所制取的纵向变壁厚金属管材的横截面可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形和多边形、异型等多种形式。

Description

一种纵向变壁厚金属管材的连续制取设备与方法

技术领域

本发明属于金属管材焊接加工领域，特别涉及一种纵向变壁厚金属管材的连续制取设备与方法。

背景技术

利用差厚板制作变壁厚金属管材，可以优化管材负荷裕量分配，实现节材减重的积极效果，但由于被焊接的基材钢板厚度的变化，恒定的焊接工艺参数难以适应，这给变壁厚金属管材的焊接加工工艺带来很大的难度。现有制作工艺如附图1所示，存在以下问题：

1、差厚板卷需要先剪切再焊接，分别进行U成形、O成形等，工序多，工艺复杂；

2、剪切后以一个零件为一个焊接单元，焊接加工时需要频繁装卡、对正，焊接效率低下，无法连续化生产；

3、采用激光焊接，成本高。

发明内容

本发明提供一种纵向变壁厚金属管材的连续制取设备，该种设备是由开卷机、测厚仪、棍弯成形机组、编码器、高频焊接机组、剪切机、收集台、计算机控制系统和焊接控制系统组成，其中：开卷机安装在由上述设备组成的生产线的最左端，测厚仪安装在位于开卷机右侧的A点位置并与处于生产线侧面适当位置的计算机控制系统相连接，棍弯成形机组安装在测厚仪的右侧适当位置，棍弯成形机组安装有编码器、编码器同计算机控制系统相连接，高频焊接机组安装在棍弯成形机组之后的B位置，高频焊接机组并与处于生产线侧面适当位置的焊接控制系统相连接、焊接控制系统又与计算机控制系统相连接，剪切机安装在高频焊接机组之后的C位置，剪切机与计算机控制系统相连接，收集台安装在剪切机之后，上述设备除计算机控制系统和焊接控制系统外均处于一条中线上。

本发明提供一种纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，该方法使用如上所述的制取纵向变壁厚金属管材的连续制取设备，按以下步骤进行生产：(1)差厚板卷经由开卷机开卷后，利用测厚装置测定在固定位置处带材的厚度，并将测得的数据传输给计算机控制系统；然后经棍弯成形机组弯曲成形，成为待焊接的纵向变壁厚金属管材；(2)将上述纵向变壁厚金属管材在B处经高频焊接机组中的高频感应器感应加热，然后完成焊接；高频焊接机组感应加热的初始频率和初始功率根据焊接控制系统给出的指令设定；(3)焊接好的纵向变壁厚金属管材继续沿着生产线向前运行，当计算机控制系统计算出一根变壁厚管的端部到达剪切位置处时下达剪切指令，对变壁厚金属管材实施剪切；(4)切断成定尺后的纵向变壁厚金属管材进入收集区，待检查、包装、入库。

附图说明

图1是变壁厚金属管材现有焊接工艺框图；

图2是本发明变壁厚金属管材焊接工艺框图；

图3是变壁厚金属管材分区示意图；

图4是图3的A-A位置剖视示意图；

图5是图3的B-B位置剖视示意图；

图6是纵向变壁厚金属管材的连续制取设备安装位置示意图。

在图6中1为开卷机，2为测厚仪，3为棍弯成形机组，4为编码器，5为高频焊接机组，6为剪切机，7为收集台，8为计算机控制系统，9为焊接控制系统。

具体实施方式

针对背景技术中所指出的问题，本项发明提出利用差厚板卷制作变壁厚金属管材的连续焊接新方法，新的焊接工艺流程如图2，主要包括：1、将差厚板卷事先成形，成形后再进行在线连续焊接，从而简化生产工序；2、采用测厚仪(2)和计算机位置跟踪，根据焊接点的厚度变化调整焊接工艺参数，以此保证焊接质量。

具体地讲，本发明提供一种纵向变壁厚金属管材连续焊接方法，该种变壁厚金属管材由差厚板卷经弯曲成形机组成形为管材，再经高频感应焊接而成，作为原料使用的差厚板卷由多段厚度呈周期性变化的差厚板组成，在一个周期内差厚板由至少一个等厚度区和至少一个厚度过渡区组成，或由至少一个厚度过渡区组成，等厚度区可以是一个以上，且不同等厚度区的厚度可以相同也可以不同，不同厚度的等厚区之间由厚度过渡区相连，具体如图3所示、图4和图5所示；厚度过渡区的形式可以是线性的，也可以是曲线、折线或多段曲线形式。变壁厚金属管材的横截面可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形和多边形、异型等多种形式。变壁厚金属管材的材质可以是碳钢，也可以是合金钢。本方法也同样适合于铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金等其它金属变壁厚金属管材的焊接制作。

变壁厚金属管材连续焊接方法的原理和要点是：利用测厚仪和计算机位置跟踪确定焊接点的厚度变化规律，按照变壁厚金属管材的厚度变化规律来调节焊接装置的感应频率和功率，对变壁厚金属管材的厚区，采用偏大的功率和偏低的频率，对变壁厚金属管材的薄区，采用偏小的功率和偏高的频率，变壁厚金属管材的过渡区，采用逐渐变化的功率和逐渐变化的频率，以使用差厚板制作的纵向变壁厚金属管材获得令人满意的焊接质量。

现就新焊接工艺的所采用的设备和实现方法和步骤叙述如下：

1、主要设备

新焊接方法涉及的主要设备和装置有：开卷机1、测厚仪2、棍弯成形机组3、编码器4、高频焊接机组5、剪切机6、收集台7、计算机控制系统8和焊接控制系统9，各设备的安装位置如图6所示，其中测厚仪2位于A点，焊接处位于B点，开始剪切处位于C点，A、B二点间距为L1，A、C二点间距为L2。

2、位置跟踪功能

计算机控制系统8对工件厚度变化部位和厚度值具有位置跟踪功能，换言之，计算机控制系统8可获知焊接处的任意时刻被焊管材的壁厚。设在任意时刻t_A，测厚仪2在A点检测到的差厚板上厚度值为h_A，当机组速度为常数v时，差厚板上厚度为h_A的点到达B点的时刻为t_B，有：

$t_B-t_A=\frac{L1}{v}---\left(1\right)$

$t_B=t_A+\frac{L1}{v}---\left(2\right)$

即，在测厚仪2在t_A时刻检测到A点的厚度之后的t_B时刻，焊接处的厚度为h_A。

当机组速度随时间变化，为v(t)时，差厚板上厚度为h_A的点到达B点经历的时刻为t_B：

$L1={\∫}_{tA}^{tB}v\left(t\right)dt---\left(3\right)$

当编码器4采样速度足以满足计算精度时，用差商替代微商，假设将t_A与t_B之间分为n等分，每份的间隔为Δt，Δt时间段内工件的平均速度为v_i(t)时，有

$L1={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{v}_i\left(t\right)\mathrm{\Δ}t---\left(4\right)$

$tB=tA+ndt=tA+n\frac{L1}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{v}_i\left(t\right)}---\left(5\right)$

利用(2)和(5)式，可以知道测厚仪2测得的厚度在何时到达焊接处，换言之，焊接处的厚度变化是已知的。同理剪切处的厚度也是已知的。

3、实施步骤

1)开卷并测厚：由开卷机3开卷后，由测厚仪2测得t_A时刻的差厚板厚度h_A，送入计算机控制系统8，如图6所示；

2)由计算机控制系统8根据前述的方法计算出焊接处的工件厚度；

3)根据焊接处的厚度，由计算机控制系统8选定高频焊接的频率和功率；

4)将此频率与功率的数据送至焊接控制系统9，由焊接控制系统9指挥高频焊接机组5在给定的参数下实施焊接；

5)取厚度采样周期的时间间隔为Δt/k(k＝1、2、3……)，对焊接参数的控制周期的时间间隔为Δt，则控制周期是采样周期的k倍，实测t_A+Δt时刻的厚度h_Δt1、h_Δt2、h_Δti、……、h_ΔtK，取平均厚度h_Δt为：

6) $h_{\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{k}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{h}_{\mathrm{\Δ}ti}---\left(6\right)$

如果对事先给定的小值正数δ，下式成立：

|h_Δt-h_A|≥δ(7)

则判定此时处于等厚度区，焊接控制系统9分出指令，焊接参数不变。如果

h_Δt-h_A＞δ(8)

则判定此时焊接处处于增厚型过渡区，焊接控制系统9发出指令，焊接电源频率减小，焊接功率加大。如果

h_A-h_Δt＞δ(9)

则判定此时焊接处处于减薄型过渡区，焊接控制系统9发出指令，焊接电源频率加大，焊接功率减小。

在每个控制周期内，焊接电源频率H和焊机功率P的增减量按照线性插值法确定，对增厚型过渡区，把过渡区分为等距离的n个控制点，则第i(i＝1,2…,n)个控制点的频率H_i和功率P_i分别为：

$H_i=H_{thin}-\frac{i(H_{thin}-H_{thick})}{n},i=1,2,\mathrm{...}n---10)$

$P_i=P_{thin}+\frac{i(P_{thick}-P_{thin})}{n},i=1,2,\mathrm{...}n---11)$

上述过程重复进行，直到完成焊接过程。

7)经过焊接后的工件继续向前运行，直到计算机控制系统8判定出一段变壁厚管的起点到达图6中的C点时，由计算机控制系统8向剪切机6发出切断指令，实施剪切。

8)切断后的变壁厚管进入到收集区，一根变壁厚金属管材的焊接和切断过程全部完成，剪切机6等待下一条剪切指令。

综上，本项发明公开了一种纵向变壁厚金属管材的连续制取设备，该种设备是由开卷机1、测厚仪2、棍弯成形机组3、编码器4、高频焊接机组5、剪切机6、收集台7、计算机控制系统8和焊接控制系统9组成，其中：开卷机1安装在由上述设备组成的生产线的最左端，测厚仪2安装在位于开卷机1右侧的A点位置并与处于生产线侧面适当位置的计算机控制系统8相连接，棍弯成形机组3安装在测厚仪2的右侧适当位置，棍弯成形机组3安装有编码器4、编码器4同计算机控制系统8相连接，高频焊接机组5安装在棍弯成形机组3之后的B位置，高频焊接机组5并与处于生产线侧面适当位置的焊接控制系统9相连接、焊接控制系统9又与计算机控制系统8相连接，剪切机6安装在高频焊接机组5之后的C位置，剪切机6与计算机控制系统8相连接，收集台7安装在剪切机6之后，上述设备除计算机控制系统8和焊接控制系统9外均处于一条中线上。

本项发明同时公开了一种纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，其特征在于该种方法使用如前所述的制取纵向变壁厚金属管材的连续制取设备，按以下步骤进行生产：

(1)差厚板卷经由开卷机1开卷后，利用测厚装置测得在固定位置处带材的厚度，并将测得的数据传输给计算机控制系统8；然后经棍弯成形机组3弯曲成形，成为待焊接的纵向变壁厚金属管材；

(2)将上述纵向变壁厚金属管材在B处经高频焊接机组5中的高频感应器感应加热，然后完成焊接；高频焊接机组5感应加热的初始频率和初始功率根据焊接控制系统9给出的指令设定；

(3)焊接好的纵向变壁厚金属管材继续沿着生产线向前运行，当计算机控制系统8计算出一根变壁厚管的端部到达剪切位置处时下达剪切指令，对变壁厚金属管材实施剪切；

(4)切断成定尺后的纵向变壁厚金属管材进入收集区，待检查、包装、入库。

特别是，前述方法中所使用的差厚板卷由多段厚度呈周期性变化的差厚板组成，在一个周期内差厚板由至少一个等厚度区和至少一个厚度过渡区组成，或由至少一个厚度过渡区组成。

特别是，前述方法中所使用差厚板的等厚度区可以是一个以上，且不同等厚度区的厚度可以相同也可以不同，不同厚度的等厚区之间由厚度过渡区相连；所制造变壁厚金属管材中连接不同厚度等厚区的厚度过渡区，厚度过渡形式可以是线性的，也可以是曲线、折线和多段曲线形式的。

特别是，前述方法中所制造变壁厚金属管材的横截面形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形、异型等多种。

特别是，前述方法中利用计算机控制系统8对工件各点的位置和厚度进行跟踪，对变壁厚金属管材的等厚度区，维持设定的焊接频率和功率不变；对变壁厚金属管材的增厚型过渡区，用线性插值的方法，使焊接电源频率逐渐减小，焊接功率逐渐加大；对变壁厚金属管材的减薄型过渡区，用线性插值的方法，使焊接电源频率逐渐加大，焊接功率逐渐减小；

特别是，前述方法中所说的利用计算机控制系统8对工件各点的位置和厚度进行跟踪是指计算机控制系统8根据接收到测厚仪2测得的数据差厚板厚度变化情况，利用数学模型计算出需要调整的焊接频率和功率，将调整参数送到焊接控制系统9，由焊接控制系统9下达焊接参数指令给高频焊接机组5，由高频焊接机组5根据此参数实施焊接。

实施例：

被焊变壁厚金属管材的尺寸：外径70mm、切断后每根管长度为860mm，其中按照壁厚可分为三段：第一段厚区长度为160mm，厚度为2.0mm，第二段薄区长度为600mm，厚度为1.0mm，第三段为过渡区其长度为100mm，厚度由厚端的2.0mm呈线性减薄到薄区的1.0mm。

典型的一个焊接周期从厚区的管端部a点开始，依次到达厚区与过渡区的交点b，过渡区与薄区的交点c及薄区的管端部d。当a点到达焊接处时，使用厚区的电源频率Ha＝350kHz进行焊接，直到b点到达焊接处之前，电源频率保持不变。

计算机控制系统8的跟踪功能确认b点到达焊接处后，将过渡区分为10个控制点，每个控制点的控制范围是10mm，10个控制点依次记为i＝1、2、……、10，在到达第10个控制点，过渡区结束，薄区开始。薄区的焊接电源频率设为400kHz，依据线性差值方法，第一个控制点到达焊接处时，电源频率调整为350+5＝355kHz，后续i＝2、3、……、10控制点到达焊接处后，电源频率依次调整为360、365、……、400kH，此过程完成的标志是计算机控制系统(8)的跟踪功能确认c点到达焊接处后，从c点到d点，焊接电源频率采用400kHz不变。

d点既是此根变壁厚金属管材的终端点，也是下一根管的起始点。对下一根管来说，把其起始点记为d’点，下一个焊接周期从薄区的管端部d’点开始，依次到达薄区与过渡区的交点c’，过渡区与厚区的交点b’及厚区的管端部a’。当d’点到达焊接处时，使用本区的电源频率Ha＝400kHz进行焊接，直到c’点到达焊接处之前，电源频率保持不变。

计算机控制系统8的跟踪功能确认c’点到达焊接处后，将过渡区分为10个控制点，每个控制点的控制范围是10mm，10个控制点依次记为i’＝1，2、……、10，在到达第10个控制点，过渡区结束，厚区开始。厚区的焊接电源频率为350kHz，依据线性差值方法，第一个控制点到达焊接处时，电源频率调整为400-5＝395kHz，后续i’＝2、3、……、10控制点到达焊接处后，电源频率依次调整为390、385、……、350kHz，此过程完成的标志是计算机控制系统(8)的跟踪功能确认b’点到达焊接处后，从b’点到a’点，焊接电源频率采用350kHz不变。

此过程重复进行，直到焊接完成。

Claims (7)

1.一种纵向变壁厚金属管材的连续制取设备，其特征在于该种设备由开卷机(1)、测厚仪(2)、棍弯成形机组(3)、编码器(4)、高频焊接机组(5)、剪切机(6)、收集台(7)、计算机控制系统(8)和焊接控制系统(9)组成，其中：开卷机(1)安装在由上述设备组成的生产线的最左端，测厚仪(2)安装在位于开卷机(1)右侧的A点位置并与处于生产线侧面适当位置的计算机控制系统(8)相连接，棍弯成形机组(3)安装在测厚仪(2)的右侧适当位置，棍弯成形机组(3)安装有编码器(4)、编码器(4)同计算机控制系统(8)相连接，高频焊接机组(5)安装在棍弯成形机组(3)之后的B位置，高频焊接机组(5)并与处于生产线侧面适当位置的焊接控制系统(9)相连接、焊接控制系统(9)又与计算机控制系统(8)相连接，剪切机(6)安装在高频焊接机组(5)之后的C位置，剪切机(6)与计算机控制系统(8)相连接，收集台(7)安装在剪切机(6)之后，上述设备除计算机控制系统(8)和焊接控制系统(9)外均处于一条中线上。

2.一种纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，其特征在于该方法使用如权利要求1所述的纵向变壁厚金属管材的连续制取设备，按以下步骤进行生产：

(1)差厚板卷经由开卷机(1)开卷后，利用测厚装置测定在固定位置处带材的厚度，并将测得的数据传输给计算机控制系统(8)，然后经棍弯成形机组(3)弯曲成形，成为待焊接的纵向变壁厚金属管材；

(2)将上述纵向变壁厚金属管材在B处经高频焊接机组(5)中的高频感应器感应加热，然后完成焊接；高频焊接机组(5)感应加热的初始频率和初始功率根据焊接控制系统(9)给出的指令设定；

(3)焊接好的纵向变壁厚金属管材继续沿着生产线向前运行，当计算机控制系统(8)计算出一根变壁厚管的端部到达剪切位置处时下达剪切指令，对变壁厚金属管材实施剪切；

(4)切断成定尺后的纵向变壁厚金属管材进入收集区，待检查、包装、入库。

3.根据权利要求2所述的纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，其特征在于所使用的差厚板卷由多段厚度呈周期性变化的差厚板组成，在一个周期内差厚板由至少一个等厚度区和至少一个厚度过渡区组成，或由至少一个厚度过渡区组成。

4.根据权利要求2所述的纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，其特征在于所使用差厚板的等厚度区可以是一个以上，且不同等厚度区的厚度可以相同也可以不同，不同厚度的等厚区之间由厚度过渡区相连；所制造变壁厚金属管材中连接不同厚度等厚区的厚度过渡区，厚度过渡形式可以是线性的，也可以是曲线、折线和多段曲线形式的。

5.根据权利要求2所述的纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，其特征在于所制造变壁厚金属管材的横截面形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形、异型等多种。

6.根据权利要求2所述的纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，其特征在于利用计算机控制系统(8)对工件各点的位置和厚度进行跟踪，对变壁厚金属管材的等厚度区，维持设定的焊接频率和功率不变；对变壁厚金属管材的增厚型过渡区，用线性插值的方法，使焊接电源频率逐渐减小，焊接功率逐渐加大；对变壁厚金属管材的减薄型过渡区，用线性插值的方法，使焊接电源频率逐渐加大，焊接功率逐渐减小。

7.根据权利要求6所述的纵向变壁厚金属管材的连续制取方法，其特征在于，所述利用计算机控制系统(8)对工件各点的位置和厚度进行跟踪是指计算机控制系统(8)根据接收到测厚仪(2)测得的数据差厚板厚度变化情况，利用数学模型计算出需要调整的焊接频率和功率，将调整参数送到焊接控制系统(9)，由焊接控制系统(9)下达焊接参数指令给高频焊接机组(5)，由高频焊接机组(5)根据此参数实施焊接。