CN106181042B - 一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置，焊接时先对待焊钢板点焊定位，然后在焊接引导头的导引下进行激光电弧复合焊接。通过热成像仪获取焊缝区热分布，得到正火参数，并对焊缝区域进行正火处理，以便减轻焊接应力。去应力处理程序通过计算得到焊缝区域的内应力分布，控制超声波冲击头对焊接区域进行去应力冲击。本发明能够有效地降低焊接应力、降低能耗和提高去应力效率。

Description

一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置
技术领域
本发明属于海工装备领域，具体涉及到一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置。
背景技术
由于世界各国对能源的依赖度越来越高，因此海底蕴藏的丰富油、气资源已成为各国主要的开采目标，并逐渐向深海水域发展。海工平台是各种海上移动式或固定式油气钻采平台的总称，是海洋石油和天然气开采领域的关键重型钢结构，承载着海洋油、气资源开发所需的总质量达数百万吨的各种设备。随着开采水域的加深，海工平台承受的海洋环境更为恶劣，其钢结构日趋大型化和专业化，更加严格的焊接质量要求成为保证平台安全生产的关键因素。
焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。
消除焊接应力的方法有自然时效、热时效、振动时效、TIG重熔和锤击工艺、振动焊接、超声冲击、爆炸法等技术。焊后正火属于热时效的一种，是将焊接的工件加热到临界温度以上，然后在空气中冷却下来的过程称为正火。正火的目的是要消除焊接时材料内部产生的热应力，消除焊接材料产生裂纹的可能性。正火热源有火焰加热、感应加热、激光加热等方法，这几种加热方法均存在受热不均匀的缺点。虽然正火能够降低焊接应力，但是也存在一些缺点。据论文《火焰正火对钢轨焊接接头金相组织及力学性能的影响》(铁道工程学报，2002年04期)报道，正火处理会使焊缝的屈服强度下降，降低了焊缝抗疲劳性能。使用超声冲击可以改善由于正火导致的屈服强度下降的问题。 超声冲击可以在焊缝的周围产生残余压应力，残余压应力的存在可以提高焊缝的力学性能。如果对焊缝周边区域进行面冲击，而不是对需要冲击的区域进行冲击，则冲击效率比较低，且能耗大。
发明内容
因此本发明针对激光加热不均匀以及面超声冲击效率低、能耗大等问题，提供了一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置，用以对海工普通焊接过程和去应力过程进行定量控制。本发明能够有效地降低焊接过程中产生的焊接应力；提高超声冲击的效率和降低去应力的能耗。
本发明的方法技术方案如下：一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：通过吊装设备将需要焊接的钢板拼接在一起；
步骤2：通过焊接装置，按照一定的间隔进行点焊，将需要焊接的钢板进行定位和固定；
步骤3：通过视觉导引头得到焊接车前方焊缝处的轨迹信息；
步骤4：焊接控制系统将复合焊接头运动到焊接位置；
步骤5：焊接控制系统设置焊接参数，并启动激光器和焊机电源，进行焊接；
步骤6：安装在焊接车尾部的热成像仪获取焊缝处的热分布图像；
步骤7：焊接控制系统中内置的正火插值程序对热分布图像进行插值处理，得到加热区域的坐标、功率和加热时间信息；
步骤8：焊接控制系统控制安装在尾部的激光加热头移动到需要加热的区域；
步骤9：焊接控制系统打开光闸，将激光照射在需要加热的区域，并保持所需时间；
步骤10：循环步骤4～9，直到需要焊接的区域全部焊接好为止；
步骤11：焊接车返回焊接起点，等待焊缝完全冷却；
步骤12：焊缝完全冷却后，视觉导引头获取焊接车前方的焊缝位置信息；
步骤13：焊接控制中的去应力参数生成算法根据内应力分布算法得到焊缝周围的内应力分布信息；
步骤14：去应力参数生成算法在焊缝周围产生位置坐标、冲击功率和冲击次数信息；
步骤15：焊接控制系统将超声波冲击头移动到冲击位置；
步骤16：焊接控制系统设置冲击功率和冲击次数信息，并发出控制命令；
步骤17：超声波冲击头完成冲击处理；
步骤18：重复步骤12～步骤17，直到整个焊接区域完成冲击处理为止。
优选的，步骤7中，正火插值程序方法为：
步骤71：对热成像仪获取的彩色图片按照预先设定的色彩范围进行区域分割处理；
步骤72：提取分割区域的外轮廓信息；
步骤73：对提取的轮廓信息利用二维网格进行分割，网格长宽尺寸等于激光光斑的直径；
步骤74：根据网格在图像中的位置以及网格对应的色彩范围和存储在控制系统中的材料特性数据库，生成坐标信息、激光功率和加热时间；
步骤75：将生成的信息以数据包的形式，存放在控制系统缓存中。
优选的，步骤13中，去应力参数生成计算流程为：
步骤131：控制系统通过安装在焊接车上的位移传感器阵列获取焊缝两侧的高度信息；
步骤132：控制系统内置的软件通过高度信息进行拟合插值处理，得到连续的高度曲线；
步骤133：根据高度曲线、焊接材料的特性和焊接平板尺寸信息，通过内置的内应力分布算法得到焊缝两侧区域的内应力分布数据；
步骤134：根据内应力分布数据，生成去应力参数，包括冲击位置的坐标、冲击次数、冲击功率。
本发明还提供了一种超大型海工装备低应力无余量焊接装置，该装置包括视觉导引头、待焊钢板、焊缝、激光电弧复合焊接头、磁力轮、车体、控制器、电焊机、激光发生器、超声波发生器、激光加热头、超声波冲击头、热成像仪、位移传感器阵列；
车体通过磁力轮吸附在待焊钢板上，激光电弧复合焊接头和视觉导引头设置于车体前部，激光电弧复合焊接头位于车体上方，视觉导引头位于激光电弧复合焊接头上方，且与视觉导引头相对设置，激光电弧复合焊接头和视觉导引头通过固定板相连，该固定板一端与车体相连；激光电弧复合焊接头下方是待焊钢板之间的焊缝；视觉导引头用于纠正焊接过程中的位置偏移；
控制器、电焊机、激光发生和超声波发生器分别单独安装在车体上；激光加热头、超声波冲击头和热成像仪分别安装在焊接车的尾部；
控制器对视觉导引头、激光电弧复合焊接头、电焊机、激光发生器、超声波发生器、激光加热头、超声波冲击头、热成像仪和位移传感器阵列进行控制；在控制器中安装有计算机，控制程序运行在计算机中。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明能够有效地降低焊接应力，甚至在焊接区域的表面产生残余压应力，提高了大型海工平台抵抗海浪施加在平台上的交变应力的能力。
(2)本发明在正火时利用热分布图形技术有效地利用了焊接时的余热，并消除了热分布的不均匀性，提高了能量的利用率。
(3)本发明利用视觉导引技术、自动控制技术，将焊接、正火去应力和超声去应力等过程结合在一起，提高了焊接和去应力的效率。
附图说明
图1本发明实施例的流程图；
图2本发明焊接车结构示意图；
图3焊接热成像插值示意图；
图4焊缝区域高度分布示意图；
图2中：1、视觉导引头 2、待焊钢板 3、焊缝 4、激光电弧复合焊接头 5、磁力轮 6、车体 7、焊接控制器 8、电焊机 9、激光发生器 10、超声波发生器 11、激光加热头 12、超声波冲击头 13、热成像仪 14、位移传感器阵列；
图3a是焊接温度场图；
图3b是提取的轮廓；
图3c是拆分的网格；
图3d是图3a中不同区域对应的温度颜色分量；
图4中：1、焊缝 2、拟合的焊缝两侧的高度曲线。
具体实施方式
本发明涉及一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置，焊接时先对待焊钢板点焊定位，然后在焊接引导头的导引下进行激光电弧复合焊接。通过热成像仪获取焊缝区热分布，得到正火参数，并对焊缝区域进行正火处理，以便减轻焊接应力。去应力 处理程序通过计算得到焊缝区域的内应力分布，控制超声波冲击头对焊接区域进行去应力冲击。本发明能够有效地降低焊接应力、降低能耗和提高去应力效率。
如图1所示，本发明提供的一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：通过吊装设备将需要焊接的钢板拼接在一起；
步骤2：通过焊接装置，按照一定的间隔进行点焊，将需要焊接的钢板进行定位和固定；
步骤3：通过视觉导引头得到焊接车前方焊缝处的轨迹信息；
步骤4：焊接控制系统将复合焊接头运动到焊接位置；
步骤5：焊接控制系统设置焊接参数，并启动激光器和焊机电源，进行焊接；
步骤6：安装在焊接车尾部的热成像仪获取焊缝处的热分布图像；
步骤7：焊接控制系统中内置的正火插值程序对热分布图像进行插值处理，得到加热区域的坐标、功率和加热时间信息；
步骤8：焊接控制系统控制安装在尾部的激光加热头移动到需要加热的区域；
步骤9：焊接控制系统打开光闸，将激光照射在需要加热的区域，并保持所需时间；
步骤10：循环步骤4～9，直到需要焊接的区域全部焊接好为止；
步骤11：焊接车返回焊接起点，等待焊缝完全冷却；
步骤12：焊缝完全冷却后，视觉导引头获取焊接车前方的焊缝位置信息；
步骤13：焊接控制中的去应力参数生成算法根据内应力分布算法得到焊缝周围的内应力分布信息；
步骤14：去应力参数生成算法在焊缝周围产生位置坐标、冲击功率和冲击次数信息；
步骤15：焊接控制系统将超声波冲击头移动到冲击位置；
步骤16：焊接控制系统设置冲击功率和冲击次数信息，并发出控制命令；
步骤17：超声波冲击头完成冲击处理；
步骤18：重复步骤12～步骤17，直到整个焊接区域完成冲击处理为止。
步骤7中，正火插值程序方法为：
步骤71：对热成像仪获取的彩色图片按照预先设定的色彩范围进行区域分割处理；
步骤72：提取分割区域的外轮廓信息；
步骤73：对提取的轮廓信息利用二维网格进行分割，网格长宽尺寸等于激光光斑的直径；
步骤74：根据网格在图像中的位置以及网格对应的色彩范围和存储在控制系统中的材料特性数据库，生成坐标信息、激光功率和加热时间；
步骤75：将生成的信息以数据包的形式，存放在控制系统缓存中。
步骤13中，去应力参数生成计算流程为：
步骤131：控制系统通过安装在焊接车上的位移传感器阵列获取焊缝两侧的高度信息；
步骤132：控制系统内置的软件通过高度信息进行拟合插值处理，得到连续的高度曲线；
步骤133：根据高度曲线、焊接材料的特性和焊接平板尺寸信息，通过内置的内应力分布算法得到焊缝两侧区域的内应力分布数据；
步骤134：根据内应力分布数据，生成去应力参数，包括冲击位置的坐标、冲击次数、冲击功率。
本发明还提供了一种超大型海工装备低应力无余量焊接装置，该装置包括视觉导引头1、待焊钢板2、焊缝3、激光电弧复合焊接头4、磁力轮5、车体6、控制器7、电焊机8、激光发生器9、超声波发生器10、激光加热头11、超声波冲击头12、热成像仪13、位移传感器阵列14；
车体6通过磁力轮5吸附在待焊钢板2上，激光电弧复合焊接头4和视觉导引头1设置于车体6前部，激光电弧复合焊接头4位于车体6上方，视觉导引头1位于激光电弧复合焊接头4上方，且与视觉导引头1相对设置，激光电弧复合焊接头4和视觉导引头1通过固定板相连，该固定板一端与车体6相连；激光电弧复合焊接头4下方是待焊钢板之间的焊缝3；视觉导引头1用于纠正焊接过程中的位置偏移；
控制器7、电焊机8、激光发生器9和超声波发生器10分别单独安装在车体6上；激光加热头11、超声波冲击头12和热成像仪13分别安装在焊接车的尾部；
控制器7对视觉导引头1、激光电弧复合焊接头4、电焊机8、激光发生器9、超声波发生器10、激光加热头11、超声波冲击头12、热成像仪13和位移传感器阵列14进行控制；在控制器7中安装有计算机，控制程序运行在计算机中。
在实施例中，首先通过吊装设备将需要焊接的钢板2拼接在一起，然后通过电焊机进行点焊定位。定位后的钢板在浮态制造时，就不会海浪的冲击而错位。通过安装在焊 接车前方的视觉导引头1获取焊缝3的轨迹信息。视觉导引头的摄像头安装设定的时间间隔拍摄焊接车前方的图像，并对图像进行中值滤波，本发明采用4*4的矩阵进行中值滤波。然后对图像进行灰度处理，得到二值图像，二值化时采用如下的公式：
式中，x，y为像素点坐标，f(x，y)为x，y处的颜色值。t为阈值，该值需要根据现场的钢板颜色进行设定。
求轮廓时对任意一个像素周围的四个像素点的灰度值进行运算，如果为1，则将其灰度值设置为0。然后对坐标值进行直线拟合，得到焊缝的位置。得到焊缝位置后，将焊接头的位置与焊缝位置进行比较，得到偏差值。焊接控制系统7发出信号，将激光电弧复合焊接头4运动到与焊缝对齐。焊接控制系统7设置焊接参数，并启动激光器和焊机电源，进行焊接；
在焊接过程中，同时进行焊接正火处理。为了有效的利用焊接预热以及提高正火加热的热均匀性，本发明使用安装在焊接车尾部的获取焊缝处的热分布图像，然后根据热分布图的热量分布决定在不同的位置的加热参数，加热参数包括：加热功率、加热时间和加热区域的坐标，该过程是由正火插值程序完成的。工作示意图如图3所示，首先对热成像仪获取的彩色图片按照预先设定的色彩范围进行区域分割处理，分割时使用如下的多值化算法：
图像经过多值化处理后，已经被转换为只有5种色彩图片，每一种色彩对应不同的温度，然后使用求轮廓算法得到外轮廓信息。如果要使加热跟均匀，可以使用更多的分割区域。
在整个轮廓区域生成二维网格，网格的尺寸等于激光光斑的直径。然后判断每一小格位于哪一个轮廓内，在判断时为了提高搜索的速度，首先求分割区域的包围盒，并建立RTree索引，判断时先快速的判断小格位于哪一个包围盒，然后再使用“点在多边形”的扫描线算法，得到小格位于得的分割区域，然后根据分割区域对应的信息，得到该小 格的加热温度。将网格的坐标、对应的色彩范围存在控制系统的存储器中。然后焊接控制系统控制安装在尾部的激光加热头移动到需要加热的区域，打开光闸，将激光照射在需要加热的区域，并保持所需时间。重复上述过程，直到全部焊好为止。焊接完毕后，焊接车返回焊接起点，等待焊缝完全冷却。
焊缝完全冷却后，进行超声波冲击去应力处理。首先视觉导引头获取去焊接车前方的焊缝位置信息，然后去应力车沿着焊缝运动，在运动的同时安装在去应力车上的位移阵列传感器14对焊缝两侧的高度进行测量，由于位移传感器测量是点位信息，要得到连续的形貌，需要对测量后的点进行插值处理，得到连续的曲线，如图4所示。焊接控制器7中的去应力参数生成算法根据内应力分布算法得到焊缝周围的内应力分布信息，并生成位置坐标、冲击功率和冲击次数信息；然后焊接控制器7发送信号将超声波冲击头移动到冲击位置，并设置冲击功率和冲击次数信息，并发出控制命令，超声波冲击头完成冲击处理。重复上述过程，直到整个焊接区域完成冲击处理。

Claims (4)

1.一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：通过吊装设备将需要焊接的钢板拼接在一起；
步骤2：通过焊接装置，按照一定的间隔进行点焊，将需要焊接的钢板进行定位和固定；
步骤3：通过视觉导引头得到焊接车前方焊缝处的轨迹信息；
步骤4：焊接控制系统将复合焊接头运动到焊接位置；
步骤5：焊接控制系统设置焊接参数，并启动激光器和焊机电源，进行焊接；
步骤6：安装在焊接车尾部的热成像仪获取焊缝处的热分布图像；
步骤7：焊接控制系统中内置的正火插值程序对热分布图像进行插值处理，得到加热区域的坐标、功率和加热时间信息；
步骤8：焊接控制系统控制安装在尾部的激光加热头移动到需要加热的区域；
步骤9：焊接控制系统打开光闸，将激光照射在需要加热的区域，并保持所需时间；
步骤10：循环步骤4～9，直到需要焊接的区域全部焊接好为止；
步骤11：焊接车返回焊接起点，等待焊缝完全冷却；
步骤12：焊缝完全冷却后，视觉导引头获取焊接车前方的焊缝位置信息；
步骤13：焊接控制系统中的去应力参数生成算法根据内应力分布算法得到焊缝周围的内应力分布信息；
步骤14：去应力参数生成算法在焊缝周围产生位置坐标、冲击功率和冲击次数信息；
步骤15：焊接控制系统将超声波冲击头移动到冲击位置；
步骤16：焊接控制系统设置冲击功率和冲击次数信息，并发出控制命令；
步骤17：超声波冲击头完成冲击处理；
步骤18：重复步骤12～步骤17，直到整个焊接区域完成冲击处理为止。
2.根据权利要求1所述的超大型海工装备低应力无余量焊接方法，其特征在于，步骤7中，正火插值程序方法为：
步骤71：对热成像仪获取的彩色图片按照预先设定的色彩范围进行区域分割处理；
步骤72：提取分割区域的外轮廓信息；
步骤73：对提取的轮廓信息利用二维网格进行分割，网格长宽尺寸等于激光光斑的直径；
步骤74：根据网格在图像中的位置以及网格对应的色彩范围和存储在控制系统中的材料特性数据库，生成坐标信息、激光功率和加热时间；
步骤75：将生成的信息以数据包的形式，存放在控制系统缓存中。
3.根据权利要求1所述的超大型海工装备低应力无余量焊接方法，其特征在于，步骤13中，去应力参数生成计算流程为：
步骤131：控制系统通过安装在焊接车上的位移传感器阵列获取焊缝两侧的高度信息；
步骤132：控制系统内置的软件通过高度信息进行拟合插值处理，得到连续的高度曲线；
步骤133：根据高度曲线、焊接材料的特性和焊接平板尺寸信息，通过内置的内应力分布算法得到焊缝两侧区域的内应力分布数据；
步骤134：根据内应力分布数据，生成去应力参数，包括冲击位置的坐标、冲击次数、冲击功率。
4.一种超大型海工装备低应力无余量焊接装置，其特征在于，该装置包括视觉导引头(1)、待焊钢板(2)、焊缝(3)、激光电弧复合焊接头(4)、磁力轮(5)、车体(6)、控制器(7)、电焊机(8)、激光发生器(9)、超声波发生器(10)、激光加热头(11)、超声波冲击头(12)、热成像仪(13)、位移传感器阵列(14)；
车体(6)通过磁力轮(5)吸附在待焊钢板(2)上，激光电弧复合焊接头(4)和视觉导引头(1)设置于车体(6)前部，激光电弧复合焊接头(4)位于车体(6)上方，视觉导引头(1)位于激光电弧复合焊接头(4)上方，且激光电弧复合焊接头(4)与视觉导引头(1)相对设置，激光电弧复合焊接头(4)和视觉导引头(1)通过固定板相连，该固定板一端与车体(6)相连；激光电弧复合焊接头(4)下方是待焊钢板之间的焊缝(3)；视觉导引头(1)用于纠正焊接过程中的位置偏移；
控制器(7)、电焊机(8)、激光发生器(9)和超声波发生器(10)分别单独安装在车体(6)上；激光加热头(11)、超声波冲击头(12)和热成像仪(13)分别安装在焊接车的尾部；
控制器(7)对视觉导引头(1)、激光电弧复合焊接头(4)、电焊机(8)、激光发生器(9)、超声波发生器(10)、激光加热头(11)、超声波冲击头(12)、热成像仪(13)和位移传感器阵列(14)进行控制；在控制器(7)中安装有计算机，控制程序运行在计算机中。
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