CN108393559A - 水下湿法焊接质量评估系统及焊接质量检测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下湿法焊接质量检测控制方法，包括录入焊接规范、确定评价指标、自动判定引弧效果、实时采集信息、语音报警、自动判定焊接过程结束和焊后评价，借助水下湿法焊接质量评估系统，对水下湿法焊接过程进行及时有效的干预，并对焊接质量进行准确评估；水下湿法焊接质量评估系统，包括电脑和数据采集器，电脑和数据采集器通过数据线连接，电脑用于录入焊接规范，接受、保存并显示焊接过程数据采集器采集的电信号信息，对电信号信息进行处理，携带方便、操作简单。

Description

水下湿法焊接质量评估系统及焊接质量检测控制方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种水下湿法焊接质量评估系统及焊接质量检测控制方法。

背景技术

水下焊接切割技术具有连接强度等级高，切割速度快等优点，在舰船应急抢修中有较大的应用价值。舰船水下焊接应急抢修多数为原位焊接，施工结束后较难对其进行质量检验。焊接质量检验工作一般是通过焊后无损探伤进行的。对于水下湿法焊接，由于水下操作的特殊情况，开展无损探伤较困难。

在陆上焊接过程中，焊接质量在线评估有较为成熟的应用：文献“基于LabVIEW的焊接质量在线检测分析系统”介绍了利用焊接过程电信号评估了CO₂焊接过程稳定性；文献“机器人弧焊过程焊缝质量信息的在线判读”介绍了在汽车生产过程中通过在线进行焊接信息特征提取与融合实现焊接质量在线判读的研究工作。文献“基于机器视觉的贵金属复合带焊接质量在线检测技术研究”则介绍了基于机器视觉的贵金属复合带焊接质量在线检测系统的开发。

开展焊接质量在线实时评估工作，可以克服原位水下施工带来的不足，通过实时采集信息，对焊接过程进行评估，定性分析焊接质量。但水下焊接恶劣的施工环境使得视觉、温度等信息难以及时有效地采集，只能通过采集电流、电压等数据进行分析处理。不仅如此，在水下湿法焊接施工过程中，数据采集设备只有固定于船甲板上，这就对设备的便携性和防水性提出了更高的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种携带方便、防水性能好、操作简单、实时监测、能够自动判断焊接引弧与收弧信号、通过焊接过程电信号评估焊接质量并能实现语音报警的水下湿法焊接质量评估系统及利用该系统进行的焊接质量检测控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

水下湿法焊接质量评估系统，包括电脑和数据采集器，电脑和数据采集器通过数据线连接，所述电脑包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的操作程序和焊接质量评估数学模型，电脑用于录入焊接规范，接受、保存并显示焊接过程数据采集器采集的电信号信息，对电信号信息进行处理，焊接质量评估数学模型以焊接规范作为输入变量，输出值为该焊接规范条件下优秀焊工焊接时提取的电信号变异系数。变异系数越低，证明焊接过程越稳定，焊接质量也就越好。

所述焊接规范包括：焊条类型、焊条直径、焊接母材类型、焊接电流、焊接位置、工作水深、工作水流等。焊接质量评估数据模型设计为：CV＝αU^k1I^k2H^k3。其中CV为考核指标；K₁，k₂，K₃为系数；U为电弧电压值，单位为V，范围20-50；I为焊接电流值，单位为A，范围100-400；H为水深值，单位为米，范围0-60；α为焊接位置系数。当焊接位置为平焊时，α＝α_f，当焊接位置为立向下焊时，α＝α_v，当焊接位置为仰焊时，α＝α_o，当焊接位置为横焊时，α＝α_h，α_f，α_v，α_o，α_h为不同焊接位置条件下的系数。为便于使用，K₁，k₂，K₃，α_f，α_v，α_o，α_h等系数对于不同的焊条类型、焊条直径，上述指标有一定差异，并通过前期工艺试验确定，存储于电脑上的存储器/数据库中。

优选的是，所述数据采集器包括内置于高防水等级机箱内的数据采集卡、电流传感器、电压传感器和语音报警装置。

优选的是，所述电流传感器和电压传感器分别与数据采集卡连接，所述电流传感器用于将焊接电流信息转化成数据采集卡易于识别的信号，并实现数据采集器与信号源的电气隔离；所述电压传感器用于将焊接电压信息转化成数据采集卡易于识别的信号，并实现数据采集器与信号源的电气隔离；所述数据采集卡与电脑连接，将实时采集的电流电压数据传输到电脑，并接受电脑的控制指令。

本发明还提供一种水下湿法焊接质量检测控制方法，包括：

a.录入焊接规范；

b.确定焊接质量评价指标；

c.自动判定引弧效果；

d.实时采集信息；

e.语音报警；

f.自动判定焊接过程结束；

g.焊后评价；

利用前述的水下湿法焊接质量评估系统，对水下湿法焊接过程进行及时有效的干预，并对焊接质量进行准确评估。

在焊接过程开始之前，操作者需要将焊接规范录入水下湿法焊接质量评估系统。所述焊接规范包括：焊条类型、焊条直径、焊接母材类型、焊接电流、焊接位置、工作水深、工作水流等。

在使用过程中，水下湿法焊接质量评估系统会根据当前的焊接规范，利用焊接质量评估数学模型通过数值拟合的方式计算出当前焊接规范条件下优秀焊工焊接时电信号变异系数，以此作为当前焊接规范条件下的焊接质量评价指标。

在焊接过程初始阶段，所述水下湿法焊接质量评估系统会实时采集焊接电流和焊接电压，并将电弧电压介于上限U_max和下限U_min之内且焊接电流高于设定值I_max、且该状态能够持续时间T₁作为判定电弧是否成功引燃的标准，以便于确定是否开始正常的焊接过程。

在引弧成功后，水下湿法焊接质量评估系统会每隔固定时间t，对统计周期内的焊接电流、焊接电压等信息进行分析处理，并与焊接质量评价指标进行对比；如果统计周期内的分析结果超出焊接质量评价指标允许范围，发出语音报警信号。水下湿法焊接质量评估系统通过语音报警方式，提醒施工过程的潜水员，以便其及时调整作业方式，达到控制焊接质量的目的。

所述水下湿法焊接质量评估系统将焊接电流低于设定值I_min、且该状态能够持续时间T₂作为判定熄弧的标准，用于判定焊接过程是否结束。并在焊接过程结束后，所述水下湿法焊接质量评估系统对整个焊接过程焊接中采集的数据进行统计分析，并对比焊接质量评价指标，对焊接质量进行综合评估，以便确定焊接过程/焊缝是否符合要求。

与现有技术相比，本发明优点在于：

(1)本发明的水下湿法焊接质量评估系统携带方便、防水性能好、操作简单，能够自动判断焊接引弧与收弧信号、通过焊接过程电信号评估焊接质量并能实现语音报警；

(2)发发明提及的焊接质量检测控制方法借助便携式水下湿法焊接质量评估系统，实时监测焊接过程，利用水下湿法焊接质量评估系统的焊接质量评估数学模型对焊接质量进行准确评估，可以对水下湿法焊接过程进行及时有效的干预，及时调整作业方式，可以对焊接全程进行准确评估，也就是能确定焊缝是否符合焊接要求，达到控制焊接质量的目的。

附图说明

图1为本发明的水下湿法焊接质量评估系统示意图；

图2为本发明的系统运行流程图；

图3为实施例的不同潜水员焊后试件抗拉强度与电压变异系数关系。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，水下湿法焊接质量评估系统，包括电脑和数据采集器，电脑和数据采集器通过数据线连接。

数据采集器包括内置于高防水等级机箱内的数据采集卡、电流传感器、电压传感器和语音报警装置。电流传感器和电压传感器分别与数据采集卡连接，电流传感器用于将焊接电流信息转化成数据采集卡易于识别的信号，并实现数据采集器与信号源的电气隔离；电压传感器用于将焊接电压信息转化成数据采集卡易于识别的信号，并实现数据采集器与信号源的电气隔离；数据采集卡与电脑连接，将实时采集的电流电压数据传输到电脑，并接受电脑的控制指令。

电脑包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的操作程序和焊接质量评估数学模型，电脑用于录入焊接规范，接受、保存并显示焊接过程数据采集器采集的电信号信息，对电信号信息进行处理。

下面具体介绍利用前述的水下湿法焊接质量评估系统进行的水下湿法焊接质量检测控制方法。

如图2所示，操作者在焊接过程开始之前，先设置焊接规范。本实施例的焊接规范如表1所示。在确保如表1所示技术指标不变的前提下，由两名熟练程度不同的焊工在标准试件上进行水下湿法焊条电弧焊实验，其中潜水员A经验较为丰富，潜水员B则刚开始学习水下焊接技术。很显然，熟练焊工能获得优质焊缝。

需要说明是，所选用的焊条为是针对大水深环境和高焊接强韧性指标要求而开发的焊条，可以实现对焊接质量要求较高的重要结构进行水下焊接。所选用的焊接母材为舰船制造过程中常用的CCS E40钢板，采用单层单道焊方式，试件尺寸为40mm×200mm×200mm，开60°V型槽，V型槽宽度为6mm。

表1焊接规范

在水下作业开始前，操作者将表1所示的焊接规范录入水下湿法焊接质量评估系统，该系统以电弧电压变异系数作为评估指标，利用焊接质量评估数学模型通过数值拟合的方式，得出当前焊接规范条件下，电压变异系数不宜超过65％。

在焊接电流和电弧电压采集过程中，系统运行后立即实时采集焊接电流和电弧电压。系统将电弧电压介于10-80V之间且焊接电流大于50A作为引弧成功判定信号，且该状态持续3秒钟作为引弧成功判定标准。一旦满足上述指标，系统则会每隔固定时间对焊接电流、焊接电压等数据进行实时分析处理，并与焊接质量评价指标进行对比；如果分析结果超出焊接质量评价指标允许范围，发出语音报警信号，提醒施工过程的潜水员，以便其及时调整作业方式，达到控制焊接质量的目的。当系统检测到焊接电流低于10A且该状态持续3秒钟时，判定焊接过程处于熄弧状态，会停止数据采集，并进入数据统计分析环节。

在实验过程中，水下焊接操作水平差异较大的两名潜水员分别在完全相同的实验条件下，独立完成三块试板的水下焊接工作。每次焊接工作完成后，系统自动为该焊工当前操作的质量通过电压变异系数这一指标进行评估。通过对比发现，经验丰富的潜水员A，其操作过程中电压变异系数稳定在57％左右。而潜水员B则较高，其平均值为75％。上述数据也能较好地反映两位潜水员的业务水平差异。

为进一步验证水下湿法焊接质量评估系统，焊后针对焊接接头力学性能进行性能评估。参照国家标准，从试件中截取拉伸试样进行拉伸测试。拉伸试样规格为：长220mm，宽12mm，高10mm。在室温下条件下进行拉伸性能测试，拉伸速度为1mm/min。每组对接试板取2个接头拉伸试样，取拉伸结果的平均值作为抗拉强度。在每一块试件的焊接过程中，实时记录焊接过程电信号，并在焊接结束后，利用电脑上的操作程序计算(也就是用焊接质量评估数学模型计算)焊接电压变异系数。

不同焊接过程所获取的焊缝抗拉强度与电压变异系数对应关系如图3所示。从图3中可以看到，当电压变异系数控制在60％以下时时，焊缝抗拉强度较高，一旦电压变异系数高于70％，焊缝机械性能指标显著下降。

通过分析可以看出，试件机械性能指标与焊接过程中电压波动程度也大致呈线性关系，电压变异系数越小，焊接过程越稳定，焊接接头组织机械性能就越好。潜水员熟练程度不同，焊接质量差异显著，熟练的焊工可也实现更为稳定的焊接过程，其焊接质量也更高。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.水下湿法焊接质量评估系统，包括电脑和数据采集器，电脑和数据采集器通过数据线连接，其特征在于：所述电脑包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的操作程序和焊接质量评估数学模型，电脑用于录入焊接规范，接受、保存并显示焊接过程数据采集器采集的电信号信息，对电信号信息进行处理，焊接质量评估数学模型以焊接规范作为输入变量，输出值为该焊接规范条件下优秀焊工焊接时提取的电信号变异系数。

2.根据权利要求1所述的水下湿法焊接质量评估系统，其特征在于：所述数据采集器包括内置于高防水等级机箱内的数据采集卡、电流传感器、电压传感器和语音报警装置。

3.根据权利要求2所述的水下湿法焊接质量评估系统，其特征在于：所述电流传感器和电压传感器分别与数据采集卡连接，所述电流传感器用于将焊接电流信息转化成数据采集卡易于识别的信号，并实现数据采集器与信号源的电气隔离；所述电压传感器用于将焊接电压信息转化成数据采集卡易于识别的信号，并实现数据采集器与信号源的电气隔离；所述数据采集卡与电脑连接，将实时采集的电流电压数据传输到电脑，并接受电脑的控制指令。

4.水下湿法焊接质量检测控制方法，其特征在于，包括：

a.录入焊接规范；

b.确定焊接质量评价指标；

c.自动判定引弧效果；

d.实时采集信息；

e.语音报警；

f.自动判定焊接过程结束；

g.焊后评价；

利用权利要求1所述的水下湿法焊接质量评估系统，对水下湿法焊接过程进行干预，并对焊接质量进行准确评估。

5.根据权利要求4所述的水下湿法焊接质量检测控制方法，其特征在于：在焊接过程开始之前，将焊接规范录入水下湿法焊接质量评估系统。

6.根据权利要求5所述的水下湿法焊接质量检测控制方法，其特征在于：在使用过程中，水下湿法焊接质量评估系统根据当前的焊接规范，利用焊接质量评估数学模型通过数值拟合的方式计算出当前焊接规范条件下优秀焊工焊接时电信号变异系数，以此作为当前焊接规范条件下的焊接质量评价指标。

7.根据权利要求4所述的水下湿法焊接质量检测控制方法，其特征在于：所述水下湿法焊接质量评估系统实时采集焊接电流和焊接电压，并将电弧电压介于上限U_max和下限U_min之内且焊接电流高于设定值I_max、且该状态能够持续时间T₁作为判定电弧是否成功引燃的标准。

8.根据权利要求4或6所述的水下湿法焊接质量检测控制方法，其特征在于：在引弧成功后，水下湿法焊接质量评估系统每隔固定时间t，对统计周期内的焊接电流、焊接电压信息进行分析处理，并与焊接质量评价指标进行对比；如果统计周期内的分析结果超出焊接质量评价指标允许范围，发出语音报警信号。

9.根据权利要求4所述的水下湿法焊接质量检测控制方法，其特征在于：所述水下湿法焊接质量评估系统将焊接电流低于设定值I_min、且该状态能够持续时间T₂作为判定熄弧的标准，用于判定焊接过程是否结束。

10.根据权利要求4所述的水下湿法焊接质量检测控制方法，其特征在于：在焊接过程结束后，所述水下湿法焊接质量评估系统对整个焊接过程焊接中采集的数据进行统计分析，并对比焊接质量评价指标，对焊接质量进行综合评估，以便确定焊接过程是否符合要求。