CN1176614A - 单极脉冲焊接质量控制和检验 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方法和设备,以便通过测量过程参数控制和检验单极脉冲焊接中的焊接质量。公开了在用于单极脉冲焊接(102)的焊接质量控制系统中,用于实时焊接质量控制的诸方法,这些方法包括:测量至少一个与焊接的生成焊接质量有关的过程参数。而且,公开了用于单极脉冲焊接的过程后焊接质量检验的诸方法,这些方法包括:一个步骤(106),确认至少一个过程焊接质量检验参数;和一个步骤(108),在单极脉冲过程之后利用这个过程后焊接质量检验参数,检验焊接质量。

Description

单极脉冲焊接质量控制和检验
本专利申请是1995年2月24日申请的、申请序号为08/393,988的共同待决美国专利申请的部分继续申请。以上提到的公开的全文特意包括在这里以供参考，而不放弃其权利要求。
本发明一般与焊接领域和焊接设备有关。更具体地说，本发明涉及在单极脉冲焊接操作中的过程控制和焊接质量估计方法。
单极脉冲焊(HPW)利用由单极发电机(HPG)产生的大电流、低压脉冲，迅速用电阻把两个零件之间的界面加热到锻接温度。然后把一个力施加到零件上以在界面处产生锻接焊，从产生脉冲到完成焊接仅需几秒钟。因为其速度，HPW对于其中把管件段端对端地接合在一起的管路建造，是一种吸引人的候选方法。对于包括J铺设技术的深水海底管路建造技术的应用，具有特别具大的潜力。在被焊接的管路中，最基本的是，在焊接区域可靠和重复地达到适当的机械性能。尽管在过去已经使用了某些过程参数，来控制和检验电阻焊接，如点焊，过程中的焊接质量，但至今在单极脉冲焊接中的偿试都是不成功的。
本发明证明，可以监视和控制焊接质量，并且可以通过焊后质量检验来检验这一质量。本发明较全面地提供了一种方法和设备，利用该方法和设备，借助于过程参数可以控制和检验单极脉冲焊接中的焊接质量。更具体地说，本发明使单极脉冲焊接过程中的自动控制器，能够检查一小组测得的参数，以便根据这些参数进行调节，从而有助于保证焊接质量，然后，如果需要，检验生成焊缝的质量。
为了确定与单极脉冲焊接的生成焊接质量有关的过程参数，首先使基于单极发电机的焊接系统特征化，从而可以用简单的数学模型预计其性能。这一特征允许创造快速确认焊接参数的方法，这些焊接参数对于现有的材料和几何形状，以及对于新的材料和几何形状，都与焊接质量有关系。在系统的这种特征化之后，可以在受控制的焊接试验期间，测量和估计各种参数，以便使可靠的焊接质量指示数量化。这些过程焊接质量指示可以形成用于单极焊接系统的实时质量保证体系。而且，在过程已经完成之后，这些参数可以用来检验焊接质量。
本发明人已经发现，单极脉冲焊接系统可适用于焊接质量的过程监视和焊接质量的过程后检验。本发明提供了单极焊接系统的特征和指示焊接质量的参数确认，并且把这些参数分成两个不同的组：(1)一个实时焊接质量控制组、和(2)一个焊接质量检验组。
实时焊接质量控制组的目的，是把在焊接过程期间测得的参数用于反馈控制，以保证产生高质量的焊接。对于这一控制组，在本发明中已经确认的一个可测量参数是补偿位移。补偿位移是在由于电流脉冲造成的界面初始加热期间，工件经历的热膨胀。它也是对焊接界面的能量度量。焊接界面是用单极焊接系统把两个工件焊接在一起的界面。
补偿位移的一个重要部分是伺服阀控制的液压系统，该系统通过在工件上保持恒定的或受控的载荷而允许发生热膨胀。利用受控的载荷，意味着用一个载荷传感器主动地测量保持两个管端之间接触的轴向力，并且借助于液压伺服阀、反馈控制回路使该轴向力及时地跟随预定的曲线。这一液压系统在要焊接的工件之间的焊接界面处提供一个轴向载荷。各种研究已经证明，在补偿位移的数值与由单极脉冲焊接的产生的焊接拉伸强度之间存在着一种直接的关系。在实际工件焊接之前，在样本工件的受控试验中可以用试验确定产生坚固焊接的补偿位移值。然后，在焊接过程期间监视补偿位移的同时，把它反馈给一个控制系统，并控制给工件和焊接界面的能量，就能实时控制生成的焊接质量。
可以以各种方式控制给工件和焊接界面的能量，包括在焊接过程期间控制给工件的电流和/或在焊接过程期间通过控制工件的电阻。例如，通过调节单极发电机的电压，可以控制给工件的电流；及通过调节在焊接界面处在工件上的轴向载荷，可以控制工件的电阻(例如，增大轴向载荷减小焊接界面处的电阻)。作为另一个实例，一种潜在的应用是，把给单极发电机的励磁电流用作一个输入控制参数，而把补偿位移用作一个反馈控制参数，从而能实时控制和保证焊接质量。要不然，或另外，可以把工件上的轴向载荷用作一个输入控制参数。
除了实时焊接质量控制组外，焊接质量检验组的目的是，使用在焊接过程期间测得的参数，以检验是否已经达到很高的质量。对于这个组已经确认的两个可测量参数是，进入工件的体积能量、和工件的锻接位移。该体积能量是沉积进工件的电能，并且通过测量经过的电流和跨过工件的电压降、然后积分(电流)×(电压)功率来确定。在体积能量与单极脉冲焊接产生的焊接拉伸强度之间，已经用试验发现了一种阈值关系。这表明，如果进入工件的体积能量达到了预定阈值(并且出现适当的锻接拉移)，则能保证坚固的焊接。锻接拉移还是一个阈值关系参数，并且代表在单极脉冲焊接过程期间由于施加的锻接载荷所造成的工件位移。如同补偿位移那样，可以通过实际工件焊接之前的受控研究，来确定与坚固焊接有关的用于体积能量和锻接位移的数值。
已经确定，在锻接期间的位移曲线的斜率表示了焊接质量。一般地说，在锻接期间高的移动速度是希望的。高的移动速度、或位移曲线中的高阶跃斜率，表示在焊接区域中有足够的加热或能量沉积。焊接加热不足将产生降低的移动速度和最终的锻接距离。可以说，当焊接区域材料由于加热而足够软时，位移速度(或位移曲线的斜率)是足够的，这在锻接位移期间并不显著影响管件的移动。
这样，就已经把三个可测量参数确认为特别良好的焊接质量标记：(1)沉积在界面周围的工件的体积材料中的电能；(2)由于界面处迅速温度升高所造成的工件热膨胀(即，补偿位移)；和(3)由于工件锻接造成的位移。发现体积能量沉积和锻接位移特别适于焊接质量的过程后无损伤估计。发现补偿位移特别适于焊接质量的实时质量控制，因为在加压之前可以充分地估计该补偿位移。
在一些实施例中，可以比较用于不同焊接试验的补偿位移。通过在锻接时间之前对于每条试验焊缝，测量相对于最低点零的位移，确定补偿位移。通过在锻接时间期间和之后测量相对于零的位移，确定这些试验每一个的锻接位移。
因此，本发明提供了一种用于焊接质量过程控制的方法，和一种要用在单极脉冲焊接的焊接质量控制系统中、用于焊接质量的过程后检验的方法。本发明设想，对于每种单一的工件材料和几何形状，可以用试验确定用于不同工件材料和几何形状的参数。尽管总结的最佳参数值可能不能使用，但对于其他包括反馈控制的焊接过程，缺少一般的数值是有代表性的。
在一个一般的方面，该系统包括：一台单极发电机；一台液压锻接压力机，用来保持要焊接的工件；诸电气连接，用来提供经过焊接界面的电流；及一个控制系统，用来在单极焊接过程期间，利用过程中测得的参数控制焊接质量。该系统还包括一个检验系统，用来在单极焊接过程之后，利用过程中测得的参数值检验焊接质量。
在另一个一般的方面，本发明提供了一种在单极脉冲焊接的焊接质量控制系统中，用于实时焊接质量控制的方法，包括使一个单极焊接系统特征化，及进行受控的焊接试验，以确定至少一个与焊接的生成焊接质量有关的过程参数。这些试验至少确认了一个可以用作实时焊接质量控制参数的过程参数。每一个这种实时焊接质量控制可以用作过程中测得的参数，以在单极脉冲焊接过程期间控制焊接质量。可以认识到，利用过程参数的组合来确保焊接质量或许是优选的。
在一个更详细的方面，本发明提供了一个用于单极脉冲焊接的实时焊接质量控制的系统，该系统包括在单极脉冲焊接过程期间，通过测量补偿位移来确定与随后要求焊接质量有关的补偿位移希望值。测得的补偿位移输给一个控制系统，以控制给被焊接工件的能量，从而使该补偿位移基本上等于或相当于补偿位移的希望值。应该理解，如果恰当，补偿位移的希望值可以是一列数值。
在又一个方面，本发明提供了一种用于单极脉冲焊接的过程后焊接质量检验的系统。这个系统包括使一个单极焊接系统特征化，并且进行受控的焊接试验，以确定至少一个与焊接的生成焊接质量有关的过程参数。然后，把每个这种过程参数用作过程后焊接质量检验参数。一般还至少把一个这种过程后焊接质量检验参数用作过程中测得的参数，以检验由焊接过程产生的焊接质量。
在更详细的方面，本发明提供了一种用于单极脉冲焊接的过程后焊接质量检验的方法，其中，确定与希望的焊接质量有关的体积能量沉积的希望值和希望的锻接位移。在焊接期间测量体积能量沉积和锻接位移。然后，通过把测得的体积能量沉积和测得的锻接位移与体积能量沉积的希望值和希望的锻接位移进行简单地比较，就可以检验焊接质量。
如下附图形成本说明书的一部分，并包括在这里以说明本发明的某些方面。通过参考这些附图的一张或多张、结合这里给出的具体实施例的详细描述，可以更好地理解本发明。
图1是实施本发明的过程100的流程图，包括过程步骤202、204和206。
图2是表示本发明另一个实施例的过程200的流程图，包括过程步骤202、204和206。
图3是表示本发明另一个实施例的过程300的流程图，包括过程步骤302、204、306和308。
图4是表示本发明又一个实施例的过程400的流程图，包括过程步骤402、404和406。
图5是比较六个不同焊接试验的位移特性的图，试验号4.2、4.3、4.4、4.5、4.6和4.8。
图6是以用来测量假想工件电压的电压探头具体位置安装的工件。
图7是用于连续管件试验SP6.5的电流和工件电压曲线图。
图8是用于连续管件SP6.5的界面功率和电阻曲线的曲线图。
图9是用于连续管件试验SP6.5的界面电阻对于电压曲线的曲线图。
图10是用于连续管件试验SP6.5的温度和位移曲线的曲线图。
图11是对于恒定载荷试验(NSF4.2)的试验电流和工件电压的曲线图。
图12是对于恒定载荷试验的温度和位移曲线。
图13是对于加压焊接试验(NSF4.3-4.8)的各种电流的比较。
图14是对于加压焊接试验NSF4.3-4.8的位移比较。
图15是对于加压焊接试验NSF4.3-4.8的工件载荷比较。
图16是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于五种加压焊接(试验4.3-4.8)的系列的拉伸试验数据。
图17是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于五种加压焊摁试验4.3-4.8)的系列的放电转速和拉伸强度。
图18是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于加压焊接4.3-4.8的峰值电流和拉伸强度。
图19是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于加压焊接4.3-4.8的界面功率和拉伸强度。
图20是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于五种加压焊接(试验4.3-4.8)的系列的体积功率和拉伸强度。
图21是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于五种加压焊接(试验4.3-4.8)的系列的界面和体积功率度及拉伸强度。
图22是用增大的放电转速作为变化的输入参数、都是对于五种加压焊接(试验4.3-4.8)的系列的，(A)-界面能量和拉伸强度、(B)界面和体积能量及拉伸强度、(C)界面与体积能量及拉伸强度、(D)界面与体积能量之和及拉伸强度。
图23是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于五种加压焊接(试验4.3-4.8)的系列的补偿位移和拉伸强度。
图2 4是用增大的放电转速作为变化的输入参数、对于五种加压焊接(试验4.3-4.8)的系列的最终位移和拉伸强度。
图25是对于所有四个系列的加压焊接，(A)体积能量和拉伸强度、(B)界面和体积能量及拉伸强度、(C)拉伸强度和补偿位移、(D)拉伸强度和最终位移。
图26是从NSF4.21恒定载荷电压梯度试验输出的原电压。
图27是用于SP10.1连续管件试验的导出能量梯度。
图28是用于NSF4.21恒定载荷试验的导出能量梯度。
本发明提出了诸参数，用来特征化一个单极焊接过程，而且用作无损伤检验单极焊接质量的基础。特征化试验包括一种研究基本过程参数的三步法。这种三步法包括：在连续的管件上的试验、在恒定载荷下管对管界面的试验、和加压焊接的试验。
在一般的意义上，本发明首先特征化一个单极焊接过程，生成可以用作无损估计焊接质量、并进一步用作实时质量保证方法的数据。由于焊接动力主要发生在焊接界面处，所以某些参数用来孤立这些动力。在发明的过程中，感兴趣的参数用两种方法分开：(a)通过完全消除界面并用一个单一的连续管件进行试验，和(b)通过使用两个管件和一个正如一次典型焊接的界面，但是输出加压载荷产并且在电流脉冲持续的整个期间保持恒定载荷。然后，把这两个试验结果与一系列焊接试验相比较，在该系列焊接试验中，在各个试验中仅改变了一个输入参数。以这种方式可以孤立和检查界面的动态响应，揭示是否已经达到质量焊接的定量指示。
        表1
    输入参数
HPG存储的初始能量(转子速度)磁场对于时间
焊接试样材料界面几何形状表面准备电极距离
锻接过程初始载荷加压载荷加压时间变形
    输入参数
电气电流对于时间电流均匀性电压对于时间电阻对于时间功率对于时间能量沉积
温度温度对于时间温度均匀性
机械载荷对于时间位移对于时间破坏性试验性能(韧性、拉伸强度，等)显微组织特性(形态、均匀性、等)
回到图1，过程100的流程图包括以下诸过程步骤：特征化一个单极焊接系统102、进行受控的焊接试验以确定焊接质量参数104、确认实时焊接质量参数106、和在单极脉冲焊接过程期间使用这些实时焊接质量参数以控制焊接质量108。
图2描述过程200的流程图，该过程包括以下诸过程步骤：确定与希望的焊接质量有关的补偿位移的希望值202、在单极焊接过程期间测量补偿位移204、和把测得的补偿位移输送给一个控制系统以控制到工件的能量206。
图3描述过程300的流程图，该过程包括以下诸过程步骤：特征化一个单极焊接系统302、进行受控的焊接试验以确定焊接质量参数304、确认过程后焊接质量检验参数306、和在单极焊接过程之后使用这些过程后焊接质量检验参数以检验焊接质量308。
图4描述过程400的流程图，该过程包括以下诸过程步骤：确定体积能量沉积的希望值和位移402、在单极脉冲焊接过程之后测量体积能量沉积和锻接位移404、和通过把测得的值与希望的值相比较检验焊接质量406。
图5表示位移相对时间曲线，这些曲线以六种不同的焊接试验描绘出一个典型的锻接焊接系列，试验号4.2、4.3、4.4、4.5、4.6和4.8，在这些试验中，在焊接之前端对端地放置管件。锻接时间之前对于每条试验线，通过测量相对于最低点零的位移，确定所示的补偿位移。在锻接时间之后对于每一条试验线，通过测量相对于最高点零的位移，确定用于这些试验的每一个的锻接位移。可以看到在焊接中的某些变化，这可能是由于加热变化，从而使金属的软化变化而造成的。还应该注意，试验4.2表示未进行锻接的单极脉冲焊接。
在讨论诸实例之前，先把注意力放到图6A上，图6A是在实例中采用的设备的示意图。该设备表示用来测量假定工件电阻的电压探头的具体位置。还表示的是通过把两个热电偶的每一个的一条腿放在界面的每一侧来建立界面电阻的测量。
在进行一个试验时，通过夹持两个管件外表面的铜电极垫，把电流输送到管件的界面，电流轴向流过电极指进入管件、穿过界面、经另外的管件和电极而形成回路。一个可靠的挡块在加压载荷施加期间限制管件的位移。在施加加压载荷时，管件在焊接界面处一般热得足以塑性变形。可靠的挡块起限制变形的作用，并且减小管件从内径和外径突出的加压区域。
控制两个管件对接在一起的载荷的是一个液压缸和伺服阀反馈回路(图6B)。利用一个测量管件上轴向力的载荷传感器的输出，一个控制器通过用伺服阀进行不断地调节来保持初始载荷，并且在加压时间输出预定的加压载荷。
包括如下的实例以证明本发明的最佳实施例。在诸实例中公开的技术，发现在本发明的实践中起良好的作用，因而可以认为组成了最佳实施例。熟悉本专业的技术人员应该理解，根据本公开，在公开的具体实施例中可以进行许多变更，仍能获得相象或类似的结果，而不脱离本发明的精神和范围。连续管件试验实例
这个试验通过在管件焊接电极之间安装单一连续的管件，从放电电路中消除了焊接界面。试验的目的在于，提供过程曲线的一个基本组，以便与后来把界面放回电路中时的试验相比较，此外，这个试验用来导出用于集中电气元件的值，这些集中电气元件用作研究整个系统的状态可变模型的基础。
选择用于放电转速的值(存储的初始能量)，以便接近在其中要进行以后的恒定载荷和加压焊接试验的范围。用于连续管件试验的这一放电转速可以小于用在加压焊接试验中的最终值。对于2000rpm(转每分钟)下1406.6的初始能量存储值、磁场强度为恒定的0.66特斯拉、0.5英寸的电极间隙，13.5(千磅)的初始载荷，用于连续管件试验的输出参数表示在图7至图10中，使用Sch.160，X52低碳钢管。
图7表示在放电电路中测得的电流脉冲和导出的工件电压。电压测量探头的位置与在图6中表示的相同。界面电压曲线是用界面电压探头测得的电压，并用作其中存在界面的以后试验的基础。
图8表示用界面电压和总电路电流导出的“界面”功率和电阻曲线。电阻曲线表示：当体积温度升高、然后达到来自电阻加热的能量输入由经传导性热传递的能量损失平衡的渐近值时，电阻略有升高。
作为对导出的电阻值曲线的检查，可以由已知的几何形状和材料性质数据计算近似的电阻。在界面电压探头之间的电阻可由下式计算：
R＝Pe1/A＝(0.167E-6)(0.012)/(2.716E-3)＝0.74μΩ(微欧姆)                     式1其中：R＝从界面电压导出的电阻(Ω)(欧姆)Pe＝室温下钢的电阻率1＝在V界面探头之间的距离＝12毫米＝0.012米A＝管件的横截面积＝4.21平方英寸＝2716平方毫米
比较式1中的电阻值和图8中的渐近值，可以看到，由于较高管件温度造成升高的电阻率产生了相当的差别。但是，电阻率的室温假设证明是一种良好的近似。
在图9中相对于导出的界面电阻绘出了测得的界面电压。这一曲线表示，单极加热的脉冲特性使得与计算的稳定状态电阻对电压曲线的比较是困难的。
图10表示通过如图6所示的、离开12毫米布置的两个热电偶测得的温度曲线。典型的热电偶数据表示在这个试验中，两个热电偶上升时间的差别不一定是材料温度的差别指示。相反，该差别可能是因为建立对工件的可重复热电偶安装的困难特性。
在图10中还表示的是在电流脉冲期间的工件位移。如果工件已经变得足够热，则由于管件体积材料的热膨胀在曲线上表示有显著的负位移。由于液压系统保持恒定的载荷，所以当工件热膨胀时允许台板向后运动。把热膨胀定义为补偿位移(Dbo)，并且可以认为是沉积进工件的总能量指示，因为它正比于体积材料的温度。由温度和热膨胀系数可以计算近似的补偿位移。
Δ1＝α1ΔT＝(12.0E-6)(1)(268)＝0.0032英寸
                               式2其中：Δ1＝由于热膨胀造成的距离变化(英寸)α＝钢在室温下的热膨胀系数＝12.0/℃1＝室温下的长度＝2(0.5英寸)＝1.0英寸ΔT＝管件温度的近似变化＝268℃
在表2表示了标准数据的提要。如从集中的元件能量可以看到的那样，仅有11％初始存储在发电机中的能量实际沉积在工件中。当把界面引入电路中时，这一沉积百分率增大到约17％(如同在表8中看到的那样)。如同这里使用的那样，“集中”是指把机电回路中所有的分布电阻和电感组合成具体元件的数学便利方法。
                        表2用于管件试验的标准数据提要(SP6.5)
描述     单位     数据
试验号试验日期试验类型     SP6.53/25/92连续
转子速度(设定点/实际的)初始转子能量     rpmkJ     2200/20001404.6
电流Pk/时间脉冲长度     kA/秒秒     278/0.1122.2
电压
Hpg峰值/时间电路峰值/时间     伏/秒伏/秒     5.0/0.0153.3/0.022
电极峰值/时间体积峰值/时间界面峰值/时间 伏/秒伏/秒伏/秒   0.28/0.1050.86/0.1300.18/0.200
峰值电流处的电阻
Hpg电路电极体积界面 μΩμΩμΩμΩμΩ     16.28.71.03.10.6
功率
表2(接上表)
描述     单位     数据
 Hpg峰值/时间电路峰值/时间电极峰值/时间体积峰值/时间界面峰值/时间     千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒     ------------240/0.12048/0.138
界面能量沉积
在最终值25％处的时间在最终值50％处的时间 秒秒 0.1930.372
在最终值75％处的时间     秒     0.660
能量
电刷最终值/最终值的％Hpg最终值/最终值的％电路最终值/最终值的％电极最终值/最终值的％体积最终值/最终值的％界面最终值/最终值的％     kJ/％kJ/％kJ/％kJ/％kJ/％kJ/％     244/352643/46304/2234/2121/928/2
能量预算     kJ/％     31/2
补偿位移/最终值     密耳/英寸     1/0.0
拉伸强度
有加压唇边没有加压唇边失效的wrt焊缝     ksiksi     na89/90na
说明     nt＝没有试验
备注     na＝不适用
集中的元件估计-连续的管件试验
连续管件试验还用作特征化电路中各种集中元件值的方法。这一工作可以这样进行：把由一个近似集中元件、RLC闭式计算预计的值，与在放电电路中为每一个“集中元件”测得的峰值电压值相比较。通过在闭式计算中反复提高各个电阻和电感的精度，计算诸阻抗的近似值。这种类型分析的局限性在于，假定在闭式解法中所用的集中元件值是恒定的。由于已经表明，工件电阻在电流脉冲期间显著地变化，并且当电流扩散进转子中时单极发电机电感可能变化(Pillsbury，1976)，所以用这种分析确定的集中元件值只能认为是近似的。但是，的确证明集中元件模型是一种检查放电电路的简易方法。
把在表2中所示的峰值和到峰值的时间值用作指南，为闭式解法导出RLC电路值，该闭式解法产生与测得的相同的结果。首先，确定总电阻和电感，该总电阻和电感将产生与在试验SP6.5(连续管件)中测得的相同的峰值电流(278kA)和到峰值的时间(112毫秒)。然后分离总电阻和电感，并且与电路中的各个集中元件相联系。然后，从用于元件电压，包括电阻和电感项的完整公式(式3)中计算每个集中元件的预计值。通过用试验改变每个单独的电阻和电感，然后把生成的电压输出与相应的测得峰值相比较，确定每个集中元件的近似阻抗值。表3表示把电阻和电感的导出总值分离成单独的集中值。在式3中用测得的电压与测得的电流的比(在峰值电流处)计算的电阻值也表示在表3中，作为与RLC导出值的比较。表4把测得的电压曲线与表3中用各自元件值计算出的结果相比较。
                   表3
    集中元件   测得的电阻(μΩ)     导出的电阻(μΩ)   导出的电感(μH)
    Hpg     16.2     16.3     0.240
电路 8.7 11.2 0.315
    电极     1.0     1.0     0.006
体积 3.1 3.1 -0.080
界面 0.6 0.4 -0.330
    另外的     ----     -4.8     0.649
    总值     29.6     27.2     0.864
                     表4
集中元件 测得的电压 计算的电压
    峰值(伏)   峰值时间(毫秒)     峰值(伏)   峰值时间(伏)
Hpg 4.55 91 4.55 91
电路 3.3 22 3.3 22
电极 0.28 105 0.28 105
体积 0.86 130 0.86 131
界面 0.18 200 0.18 198
Figure A9619214100191
其中：Ve＝总的集中元件压降(伏)Vr＝在一个集中的元件处的电阻性压降(伏)Vi＝在一个集中的元件处的电感性压降(伏)Re＝集中元件电阻(μΩ)I＝电路电流(安)Le＝集中元件的电感(H)(赫兹)恒定的载荷试验实例
恒定载荷试验是分离和检查界面动态的下一个步骤。利用插入管件焊接电极中的两个管件，就象一个典型的焊接试验，在电流脉冲持续的整个时间内保持管件上的初始载荷恒定。以这种方式，没有生产坚固焊缝所需的加压，就能检查界面电压和电阻。恒定载荷试验的输入参数表示在表5中。
                     表5恒定载荷试验(试验NSF4.2)的输入参数
输入参数     数值     单位
 Hpg
存储的初始能量(rpm)     1980.6(2375)   千焦(rpm)
对于时间的磁场     0.66恒定   特斯拉
焊接试样
材料     Sch.160X52低碳钢面积＝2.716E3平方米＝4.21平方英寸 na
界面几何形状     平的   na
表面准备     63车床车   有效值
电极距离     0.5(12.7)   英寸(毫米)
锻接过程
初始载荷     13.5(60)   kip(kN)
加压载荷     无   kip(kN)
加压时间     无     秒
变形(可靠的挡块)     无   英寸(毫米)
na＝不适用
比起连续管件试验来，增大了放电转速的值，因为发现在连续管件试验中加热小于期望产生坚固焊缝的加热。这些结果表示用来量化适当焊接参数的过程。象连续管件试验那样，在最后加压焊接参数已经确定之后，以最后加压焊接参数进行一个另处的恒定载荷试验。
与连续管件(图7)相比，图11中表示界面电压的增高，这是因为在恒定载荷试验中增加了界面。界面的存在还对体积电压产生了显著影响。在体积电压达到其峰值之后，体积电压比界面和电极电压下降得慢，因为管件增高的体积温度造成电阻增大。由于在界面或电极电压测量时基本上没有体积加热，所以这两条曲线紧紧地跟随着电流脉冲。在大约0.7处界面和体积电压曲线的稍微弯曲，通常表示在工件中电流分布和以后加热模式的某些不均匀性。
对于连续管件和恒定载荷试验的数据提要表示在表6中。即使在恒定载荷试验(NSF4.2)中采用了较高的放电转速，但看到峰值电流还是低于在连续管件试验中所产生的。这是因为界面导致总的电路电阻有足够的增大而减小了生成的电流。这种增大可以通过在峰值电流处比较界面电阻而看到。还看到内部HPG电阻表现出增大，这会进一步减小电流输出，内部HPG电阻是单极发电机的固有(或内部)电阻。在整个试验的进行中都看到了HPG电阻的这种变化，并且认为这是发电机中电刷接触力的变化。尽管对两个试验沉积的体积能量保持在初始存储能量的9％，但界面能量从连续管件中的2％增加到恒定载荷试验中的7％。如在图12中所示，由于界面的加热，补偿位移也变大。
                         表6把连续管件(SP6.5)试验与恒定载荷(NSF4.2)试验相比较的标准数据提要。
描述   单位     日期     数据
试验号试验日期试验类型     SP6.53/25/92连续     NSF4.23/17/92恒定载荷
转子速度(设定点/实际)初始转子能量 rpmkJ 2200/20001404.6 2500/23751980.6
电流Pk/时间脉冲长度 kA/秒秒     278/Ω.1122.2     267 /0.1222.8
电压
HPG峰值/时间电路峰值/时间电极峰值/时间 伏/秒伏/秒伏/秒     5.0/0.01 53.3/0.0220.28/0.105     5.3/0.0153.3/0.0200.35/0.110
体积峰值/时间界面峰值/时间 伏/秒伏/秒     0.86/0.1300.18/0.200     0.88/0.1600.79/0.160
在峰值电流处的电阻
HPG电路电极体积界面 μΩμΩμΩμΩμΩ     16.28.71.03.10.6     19.98.71.33.32.9
功率
HPG峰值/时间电路峰值/时间电极峰值/时间体积峰值/时间界面峰值/时间 千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒     ------------240/0.12048/0.138     ------------233/0.130209/0.130
界面能量沉积
表6(接下表)
描述    单位   数据   数据
在最后的25％处的时间在最后的50％处的时间     秒秒   0.1930.372   0.2050.410
在最后的75％处的时间  秒   0.660     0.755
能量
电刷最后/最后的％HPG最后/最后的％电路最后/最后的％电极最后/最后的％体积最后/最后的％界面最后/最后的％ kJ/％kJ/5kJ/％kJ/％kJ/％kJ/％   244/17643/46304/2234/2121/928/2     366/19912/46374/1952/3181/9134/7
能量预算 kJ/％   32/2     (-)38/(-)2
补偿位移/最后 密耳/英寸   1/0.0     9/0.0
拉伸强度
有加压唇边无加压唇边失效的wrt焊缝 ksiksi   na80/90na     ntntnt
说明     nt＝没有试验
备注     na＝不适用
加压焊接试验实例
进行这一系列试验的目的在于，在通过增大发电机放电转速来增加沉积在界面处的能量的同时，保持所有的过程控制参数恒定。这就以界面处不足的加热开始(放电转速，或存储的能量太低)，并以稍大于足够加热(放电转速，或存储的能量高于必需的)结束，而产生一系列焊接。是否出现足够加热的确定是根据焊接接缝的拉伸强度，和接缝是否在焊缝处或外侧失效。尽管单靠拉伸强度不能明确地表示焊接质量，但目的在于用一种对比焊接试验的标准、量化方法。表7表示用于加压焊接系列试验的输入参数。
                      表7用于加压焊接试验(NSF4.3-4.8)的输入参数。
输入参数   数值     单位
HPG
存储的初始能量(rpm)   增大     千焦耳(rpm)
磁场对于时间   0.66恒定     特斯拉
焊接试样
材料 Sch.160X52低碳钢面积＝2.716E-3平方米＝4.21平方英寸 na
界面几何形状   平的     na
表面准备   63车床车     有效值
电极距离   0.5(12.7)     英寸(毫米)
锻接过程
初始载荷   13.5(60)   kip(kN)
加压载荷 84.2(375) kip(kN)
加压时间   1.0     秒
变形(可靠的挡块)   0.063(1.6)   英寸(毫米)
na＝不适用
根据焊接区域应该达到约1100℃的假设来选择加压载荷。标准的锻接实践(金属手册，第9版，卷14)列出了在1100℃下的最佳锻接压力是20ksi(这对应于4.21平方英寸的84.2kip)。加压时间预定发生在焊接区域的峰值温度附近，由温度测量和以前恒定载荷试验的录象确定。为了在这系列试验期间开始检查数据的趋势，首先表示数据提要(表8)。
                       表8对比五种加压焊接试验(NSF4.3至4.8)的标准数据提要。
描述   单位     数据     数据     数据     数据     数据
试验号试验日期试验类型     NSF4.44/1/92加压焊接     NSF4.33/1 8/92加压焊接   NSF4.54/2/92加压焊接   NSF4.64/2/92加压焊接   NSF4.85/1/92加压焊接
转子速度(设定点/实际的)初始转子能量   rpmkJ     2400/23711974.1     2500/25002194.6   2600/25652310.2   2700/26202410.4   2800/28202792.4
电流Pk/时间脉冲长度   kA/秒秒     269/0.1252.9     282/0.1243.1   288/0.1253.0   302/0.1203.5   360/0.1102.7
电压
HPG峰值/时间电路峰值/时间电极峰值/时间体积峰值/时间界面峰值/时间   伏/秒伏/秒伏/秒伏/秒伏/秒     5.1/0.0153.2/0.0220.32/0.1000.70/0.1800.83/0.100     5.4/0.0153.3/0.0210.29/0.1150.85/0.1800.82/0.150   5.5/0.01 53.4/0.0200.41/0.1100.83/0.1650.80/0.110   6.0/0.0153.7/0.0200.34/0.0900.95/0.4250.81/0.200   7.4/0.0154.5/0.0150.4 3/0.0901.17/0.2001.01/0.130
在峰值电流处的电阻
表8(接上表)
描述  单位     数据     数据   数据     数据     数据
HPG电路电极体积界面 μΩμΩμΩμΩμΩ     20.28.71.22.53.1     20.48.61.03.02.9   20.78.41.42.92.8     19.29.01.13.02.6     15.39.01.23.12.8
功率
HPG峰值/时间电路峰值/时间电极峰值/时间体积峰值/时间界面峰值/时间 千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒千瓦/秒     1472/0.110647/0.09086/0.115186/0.140223/0.115     1988/0.18715/0.08683/0.117237/0.143231/0.133   1728/0.108724/0.088118/0.115236/0.140232/0.125     1965/0.130846/0.085101/0.105278/0.150242/0.130     2015/0.0951220/0.075156/0.100410/0.145361/0.120
界面能量沉积
最后25％处的时间最后50％处的时间最后75％处的时间   秒秒秒     0.2180.4370.772     0.2330.4630.812     0.2260.4570.801     0.2230.4440.769     0.1840.3650.673
能量
表8(接上表)
描述 单位 数据 数据 数据 数据 数据
电刷最后/最后的％HPG最后/最后的％电路最后/最后的％电极最后/最后的％体积最后/最后的％界面最后/最后的％ kJ/％kJ/％kJ/％kJ/％kJ/％kJ/％     365/19945/48383/1946/2141/7155/8     410/191079/49430/2049/2194/9172/8     429/191192/52454/2064/3198/9172/7     445/181193/49527/2255/2264/11177/7   399/141139/41553/2063/2267/10204/7
能量预算 kJ/％   (-)61/(-3)  (-)138/(-)6   (-)199/(-)9   (-)251/(-)10   168/6
补偿位移/最后 密耳/英寸     7/0.028     0.0/0.069     7/0.084     13/0.107     19/0.113
拉伸强度
有加压唇边无加压唇边失效的wrt焊缝     ksiksi     8.8/9.4nt在焊接处     63/62nt在焊接处     74/68nt在焊接处     88/8790/90外侧     not89/90外侧
说明     nt＝没有试验
备注     na＝不适用
图13表示用于五种加压焊接试验的电流曲线的比较。可以看到每一个具有一个逐渐增高的峰值，试验4.8具有明显比其他高的峰值。脉冲长度与转子中存储的初始能量似乎没有关系。
图14表示位移曲线，其中能够为每个试验确认后退和加压位移。另外，试验4.6和4.8都显示，在加压前有较大的补偿位移，并且在输出加压载荷之后迅速升高到可靠的挡块处。由于补偿位移是工件中升高温度的直接指示，所以试验5.6和4.8表示有更高的温度(于是有更多的能量沉积)。这通过加压位移来验证，由于只有锻接载荷大于工件的体积强度时才能迅速发生锻接变形。试验4.3、4.4、和4.5的加压位移表示，在特定的能量沉积以下不发生充分的变形。详细检查试验4.3、4.4、和4.5的加压位移曲线表明，工件迅速开始变形，但在很小的变形之后就遇到了较冷的材料。当遇到较冷的材料时，变形速度就显著地降低。
在图14中另外感兴趣的一点是在试验4.3中不存在补偿位移。电测量(表8)表示，试验4.3与试验4.5在工件中具有同样多的能量沉积，然而在加压之前却没有经历任何热膨胀。这是非均匀电流(和加热)分布的特性，其中能量沉积在界面处较小的地方区域中，而不是均匀地围绕着管件周缘。为了实现补偿位移，在界面处由于热膨胀造成的载荷增大，必然增加由载荷传感器测得的载荷。这就迫使伺服阀使液压缸位移向后，以便保持设定点载荷。在界面处的热膨胀表现为局部压力的增大，因此，载荷的有效增大正比于经受热膨胀的总面积。如果小于管件的总横截面积的区域进行热膨胀(如在非均匀电流分布的情况下所发生的那样)，则会检测到补偿位移的减小。
这就导致确认焊接质量指示的有意义发现。因为补偿位移在电流脉冲期间测量，并且非常可靠地指示了能量沉积数量和均匀性，所以可以用作实时过程控制参数。另外，补偿位移还能有条件地用于焊接的过程后估计。只要伺服阀液压系统不有意地限制变形速度，则在施加加压载荷之后也能从位移发现界面处(和周围)清晰指示的加热程度。
密切对应于位移曲线，图15表示用于五种试验的工件上的载荷。在电流脉冲开始之后(在时间＝0处)，能立即看到载荷的少量增大，给出了伺服控制系统响应时间的指示。但是，在起始增大之后，载荷被可靠地保持直到输出加压载荷。随着加压期间载荷增大，试验4.6和4.8表现出明显不同于其他试验的响应。在达到加压载荷之前在试验4.6和4.8的曲线中的弯曲，表示遇到了软材料，发生迅速的变形，并且液压缸不能输出规定的加压载荷。但是，在达到可靠的挡块之后，实现了加压载荷。试验4.3、4.4和4.5表示在加压载荷曲线中没有弯曲，因为工件材料的体积强度已不再显著减小，并且液压缸能够立即输出加压载荷。尽管工件载荷曲线比位移难以量化，但其形状也给出了焊接性能的某些指示。焊接质量的过程估计与破坏性估计的关系
五种加压焊接(NSF4.3-4.8)都对拉伸强度进行了试验，作为量化其有关质量的一种方法。五种系列的后两种焊接证明与母金属一样坚固，并且在焊缝外侧断裂(表8，(Haase，1993))。无损伤估计的目的在于，确定一组可测量参数，这些参数把后两种试验(NSF4.6和4.8)同前三个(NSF4.3、4.4和4.5)区分开。已经表示的两种坚固焊接，性质方面呈现不同的特点，如同通过作为时间函数的位移和工件载荷所指示的那样(分别见图14和15)。如下信息利用总结在标准提要(表8)中的数据，来检查发现相同显著特征的更加量化的方法。
图16表示五种焊接系列(试验4.3-4.8)的拉伸试验数据。根据允许在试验系列中变化的单一参数：放电转速(或，在转子中存储的初始能量)，以上升的顺序布置横轴。调整表示试样失效处拉伸强度的纵轴，从而使轴上的最小值对应于试验系列中的最小值。类似地，最大坐标值是最大的试验值。在如下曲线中，与拉伸强度相比较的参数以类似的方式绘在右侧轴上，其比例对应于该具体参数的试验值。在这种方式，可以把每个参数与拉伸强度直接比较，以确认焊接强度对要估计参数的相对灵敏性。此外，在试验4.5与4.6之间表现出测得值的百分比差，这两个试验限定了最弱与最强之间的区分。进行这一工作的目的是为了提供“阈值”比较，其中感兴趣的参数必须得到指示坚固焊接的阈值。使用该阈值和直接比较，进行关于拉伸强度与过程中测得数据之间关系的有效性的计算。
图17表示拉伸强度与放电转速之间的比较。一般地说，期望的结果表明，增大存储的能量相当于增大焊接的强度。但是，与强弱焊接(分别为试验4.5和4.6)差别有关的放电转速的微小差别，表明了在单极焊接中密切控制发电机速度的重要性。
图18把拉伸强度与在放电电路中的峰值电流相比较。由于峰值电流正比于放电速度，所以在拉伸强度与峰值电流之间出现相似的对应，如图17中所示。也如同对于放电转速那样，在试验4.5与4.6之间相当小的电流峰值增量就能使拉伸强度明显不同。同样，这表明了密切控制放电转速(而且还有磁场电流)的重要性。图18表明，能把峰值电流用来近似地指导生产坚固焊接。在这些具体的过程条件下，峰值电流至少必须为交流300kA(相当于4。21平方英寸焊接横截面的交流70kA每平方英寸)。
图19把拉伸强度与由电路电流和界面电压导出的界面功率相比较。如早先所提出的那样，图19表示与其他试验相比试验4.8是如何供给过大功率的。尽管在拉伸强度与界面功率之间没有表明什么关系，但象在放电转速和峰值电流的情况下那样，一个报告坚固焊接可接受窗口下边缘的阈值似乎是存在的。对于出现在这种具体材料和焊接几何形状中的坚固焊接，峰值界面功率应该至少约为240kW。
体积功率(图20)表示对拉伸强度的一种较强阈值关系。如由在试验4.5和4.6之间的百分比增大所证明的那样，在响应体积功率曲线方面有更明显的灵敏性。
通过把界面功率和体积功率都与拉伸强度放在同一张曲线图上，会产生令人感兴趣的结果(图21)。第一试验(4.4)表示界面功率大于体积功率，并且导致非常薄弱的焊接。其次两个试验(4.3和4.5)表示界面和体积功率相对平衡，并产生较强的，但仍然薄弱的焊接。最后两个试验(4.6和4.8)表示体积功率增大到大于界面功率，并导致坚固的焊接。这表明在一种给定的电流脉冲条件下，界面功率似乎达到了一种功率任何另外的增加都必然会单独地沉积进管件体积材料中的饱和极限。界面的这种饱和极限可能与Holm描述为熔化电压极限的现象有关。那么，在界面与体积功率之间的平衡可能会导致焊接强度的早期指示。
积分界面和体积功率，把沉积的各种能量表示在图22(A)、图22(B)、图22(C)和图22(D)中。图22(A)把界面能量与拉伸强度相比较，并且在曲线之间表现出相似性，但仍没有界面能量对拉伸强度变化的充分响应性好。在图22(B)中的体积能量曲线表明对拉伸强度的响应性非常好，即使对于拉伸强度在达到其材料极限的同时到达的沉积极限点也是如此。另外，体积能量表示第一种较强的阈值关系，其中在试验4.6处的百分比增加大于拉伸强度的增加。
类似于图21，图22(C)分开表示界面和体积能量，但在与拉伸强度相同的曲线图上。按照与功率相同的情况，在试验4.4中界面能量大于体积能量，并导致薄弱焊接。然后，在试验4.3和4.5中的界面和体积值又相对相等，并且按照同一趋势。但是，在试验4.6和4.8中能量平衡明显不同。在试验4.5与4.6之间体积能量显著增加，而界面能量保持相对恒定。同样，象在界面与体积功率之间的平衡那样，界面似乎达到了一种任何另外的能量都必然会沉积进管件材料体积中的饱和极限。注意这会导致工件加热效率的明显提高，其中放电转速非常小(2％)的增大(或存储能量的4％增大)会使体积加热有较大(33％)增加。
和试验4.5与4.6之间的差别相反，试验4.6与4.8的比较表明，当体积能量保持稳定时界面能量增加。在试验4.8中高而尖的峰值界面电压似乎可以直接看作界面能量的较大增加。而且，象对于界面和体积功率那样，能量之间的平衡导致焊接强度的良好指示。
图22(D)再次表示易于测得的界面和体积能量的组合。同样，尽管体积和界面能量的组合更容易测量，但最好把两者分开观察焊接动态。
如以前在图14中表示的那样，位移曲线产生一种对焊接拉伸强度的定性关系。图23和24通过分离由热膨胀产生的补偿位移和由锻接变形产生的最终位移，来量化这种关系。图23表示，补偿位移产生对拉伸强度最强的阈值关系。由于在试验4.6与4.8之间的百分比变化大于以拉伸强度发现的三倍，所以可以认为后位移是焊接强度的一种很强的阈值指示。但是，应该注意，补偿位移并不产生对拉伸强度很强的直接关系。补偿位移直觉上应该是工件中沉积能量的一种直接关系，但图22(D)的检查表明，这不是对于两种较低能量试验的情形。有两种原因可能引起缺乏直接关系：非均匀的电流分布和离开焊接区域的轴向温度梯度。在试验4.3中缺少补偿位移是非均匀电流(和加热)分布的特征。然而，如图22(D)中所示，试验4.3具有与试验4.5类似的能量沉积，但明显没有补偿位移。因此，考虑到能量沉积和电流均匀性，可以认为补偿位移在焊接质量的“完全”指示以外。
如以前描述的那样，在锻接期间位移曲线的斜率指示了焊接质量。当焊接区域材料由加热变得足够软时，位移曲线的斜率是足够的，加热在锻接位移期间不明显影响管件的运动。如在试验4.6和4.8中所看到的那样，在锻接位移期间(在试验4.6中约以每秒0.3英寸测得)，液压伺服回路是对管件运动的唯一限制。
在试验之间轴向温度梯度变化的存在，是补偿位移不对拉伸强度产生直接关系的另一个原因。如在图22(C)中所示，界面与体积能量沉积之间的平衡取决于输送给工件的总能量(即，转子中存储的初始能量)。在界面与体积能量之间的平衡还在补偿位移中产生差别，该补偿位移必然归结为由于所有的能量沉积造成的总位移。因为界面能量沉积更加集中，所以导致更多的加热、和更大的热膨胀。换句话说，体积能量沉积更分散，导致较小的热膨胀。因此，能量沉积的平衡作为对拉伸强度的一种直接关系还影响补偿位移。但是，关于补偿位移作为一种阈值指示的有效性却没有任何疑问。
最终位移(图24)在整个加压焊接试验系列中，对拉伸强度产生一种非常强的直接关系。而且，象在体积能量情况下那样，最终位移与拉伸强度同时达到极限。放在一起，补偿位移和最终位移值导致良好的过程焊接监视诊断。
总之，可以断定，在这种比较中测得和出现的参数分为两类：阈值关系和直接关系参数。阈值关系是其数值对产生坚固焊接必须有某一最小极限的参数，但在整个加压试验系列中不一定跟随拉伸强度的同一趋势。直接关系是在整个试验系列中密切跟随拉伸强度值的关系。参数的分离示于表9中。
                          表9过程中的比较、焊接质量估计参数，每个都分离成对于五种加压焊接试验的(NSF4.3-4.8)的拉伸强度的一种阈值或直接关系。
  参数     *阈值关系     直接关系
放电转速 2％
峰值电流     5％
界面功率     4％
体积功率 18％
界面功率/体积功率相关值     ……     有些
界面+体积功率     11％
界面能量     3％
体积能量 33％(强) 强
界面能量/体积能量相关值     ……     强
界面+体积能量     19％
补偿位移 86％(强)
最终位移     27％(强)     强
*＝这表示在试验4.5与4.6之间的测得值的百分比差。焊接强度在试验4.5与4.6之间经历了25％的增加，并且不认为一个参数是一种强的阈值指示除非它至少表现出与两个试验之间一样多的增加。过程估计标准的推广
这一节的目的在于，把在前节确定的焊接强度指示与一组新的加压焊接试验的拉伸强度相比较。这就提供了单极焊接过程估计生效所需数据基础的开端。在本节中与拉伸强度相比较的四个参数是：体积能量、体积和界面能量的相对值、补偿位移、及最终位移。图25(A)、图25(B)、图25(C)、和图25(D)表示输出参数的定量比较。左右比例分别表示下边界和上边界是该系列中的最小值和最大值。
以前焊接过程参数与焊接强度的比较表明，用体积能量、及补偿位移和最终位移可以建立一种强的阈值关系。另外，用最终位移、及界面和体积能量可以建立强的直接关系。还应注意，界面与体积能量之间的平衡对焊接强度产生了一种很强的关系，而且影响补偿位移的直接关系。为了更进一步检查界面和体积能量的平衡，并更密切地量化能量沉积的位置，用连续管件(试验10.1)和恒定载荷(试验NSF4.21)建立，进行了电压梯度试验。该电压梯度试验包括，把一根带状电缆安装(通过点焊)到电极之间的管件表面上，跨过界面。这种轴向电压探头排列，对把体积和界面集中元件分离成几个更小的集中元件有影响。通过用其各自的电压降来特征化较小集中元件的每一个，能对工件中的能量沉积进行更精密的检查。
为了计算在电压探头之间的每个分开间隔处沉积的能量，分离电压测量，如表10中所示。用测得的电流和仅取一半的电压降(以计算沉积进单一管件中的能量)，为连续管件和恒定载荷试验确定轴向能量梯度(图26和27)。表示在能量梯度中的是：各个能量、以及在体积电压探头与界面外侧最远的电压梯度探头之间沉积的能量(对于试验10.1为V3，对于试验4.21为V4)。在图中表示的还有，比较界面和体积能量(如通过标准电压探头测得的)之和与用电压梯度测量计算出的能量之和的能量平衡。由于这些能量在两个试验中都是平衡的，所以表示的电压梯度测量是有效的。
                        表10原电压梯度测量和从其计算出的能量的分离。计算出的能量是以各个电压探头之间的增量，在一个管件中沉积的能量。
    导出电压     由下式计算     导出的能量
    V101     0.5(V10)     E101
    V910     0.5(V9-V10)     E910
    V89     0.5(V8-V9)     E89
V78 0.5(V7-V8) E78
    V67     0.5(V6-V7)     E67
    V56     0.5(V5-V6)     E56
    V45     0.5(V4-V5)     E45
    V34     0.5(V3-V4)     E34
VB3 0.5(V体积-V3) EB3
焊接参数的确定
适当焊接参数的确定可以分成三步：连续管件试验、恒定载试验、和加压焊接试验。
连续管件试验在特征化一个单极焊接系统时为三个目的服务：
1.理解输入参数在放电转速与磁场电流之间的权衡
2.量化系统中的能量分布
3.为模型发展确定电气集中元件。
在放电电路中用连续管件(没有界面)作为工件载荷，确定改变磁场电流和放电速度对电流脉冲长度、工件中峰值电流、和电流峰值时间的影响。一般地说，通过增大功率输出(从发电机更快地释放能量)增大磁场电流，产生更大的电流和更短的脉冲长度。通过在发电机中存储更多的能量增大放电转速，导致更大的电流和更长的脉冲长度。对于这里描述的焊接程序，在所有试验中磁场电流都保持为用试验确定的恒定值。发现该磁场电流值(300A)产生足够慢的电流脉冲(到峰值大约为100毫秒，总脉冲长度为3秒)，以保证在工件处的均匀电流分布。作为用于峰值电流值的经验，在这一程序中的钢焊接要求70kA每平方英寸的最小值，以产生坚固焊接。
量化和平衡在系统中的能量分布，是一种确定数据探测系统精度的有用工具。如果在连续管件试验期间在能量平衡中发现错误，则在把界面引入放电电路中之前，提高数据探测和分析的精度比较容易。对于这里描述的焊接程序，如果在能量平衡中未计入的能量小于在转子中原始存储能量的10％，则认为测量是正确的。
为了确定在放电电路中的集中元件值，通过对RLC串联电路和跨过各个电路阻抗测得的电压使用闭式解法，能够量化每一个集中元件的电阻和电感。这些值形成用来开发状态可变模型的基础，以便对于变化的输入条件准确地预计系统性能。
恒定载荷试验用于三种目的：
1.提高输入参数的精度
2.确定工件冷却速度
3.确定加压计时。
提高输入参数精度一般对每种新的工件材料和几何形状是一个重复过程，然而在本研究中已经确认了某些指导原则。使用热膨胀造成的补偿位移配合电压梯度试验，测量是否有足够的能量沉积在界面处。对于这里给出的焊接中使用的具体材料、几何形状、表面光洁度、和初始载荷，发现最小补偿位移是13密耳。然而，重要的是应该注意到，这一补偿位移还高度取决于电极距离。电极距离越大，加热的体积材料越多，并且测得的补偿位移值变化越大。因此，对于每一种新的焊接几何形状，还必须特征化坚固焊接所需的补偿位移。
可以使用电压梯度试验，来检验在界面处的足够能量沉积。在本研究中发现，在坚固焊接界面0.025英寸的范围内，X-52钢管的能量密度是535kJ每立方英寸。如果在放电电路中产生适当的电流密度，则可以通过改变工件的初始载荷，来控制界面处的能量密度。这里给出试验的初始载荷保持为13.5kip的恒定值，因为以前的试验已经表明，这个值产生足够的能量密度，同时避免界面处的飞溅。
如在这里定义的那样，质量焊接是这样的焊接，焊接至少表现出与母金属具有同样大的拉伸强度，并且在拉伸试验中在焊缝外侧失效。应该认识到，提高输入参数的精度，以产生坚韧的接缝，使焊接具有工业可接收的冲击韧性，是本发明的特征。
                     表11一般化试验方法的总结。
Jw＝工件中的电流密度(KA每平方英寸)
Dbo＝工件的补偿位移(密耳)
Ew＝在界面0.025英寸范围内的能量密度(kJ每立方英寸)
    试验     目的     一般化的大事件*
连续管件试验   -输入参数权衡-能量分布集中元件确认     Jw≥70kA每平方英寸
恒定载荷试验   -提高输入参数精度工件冷却速度加压计时     Dbo＞13密耳Ew＞535kJ每立方英寸
加压焊接试验   进一步提高输入参数精度以与希望的焊接质量相配 取决于输入参数
这里作为实例描述的加压焊接试验，可以用来使焊接拉伸强度与焊接过程期间测得的多个输出参数发生关系。尽管几个参数产生了与拉伸强度的关系，但界面处热膨胀造成的补偿位移、工件锻接造成的最终位移、和沉积进界面周围管件体积材料中的电能，产生是否已进行坚固焊接的有力指示。由于已经在进行焊接之后估计最补偿位移和体积能量沉积，所以这两个参数最适合于焊接强度的过程后无损伤估计(NDE)。但是，由于在加压之前测量补偿位移，所以补偿位移很适合于焊接强度的实时控制。随着对焊接质量要求的精度提高(如，韧性加压唇边形状等)，也应该提高过程中NDE标准的精度。
根据本公开，不用过多的试验，就可以实现和执行这里公开和申请的所有方法。尽管利用最佳实施例已经描述了本发明的方法，但对于熟悉本专业的技术人员，显然可以对这里描述的诸方法以及方法的步骤或步骤的顺序进行变更，而不脱离本发明的概念、精神和范围。对于熟悉本专业的技术人员明显的所有替代和改进都认为在附属的权利要求书所限定的本发明的精神、范围和概念内。

Claims (13)

1.一种在用于单极脉冲焊接的焊接质量控制系统中、用于实时焊接质量控制的方法，包括：
特征化一个单极焊接系统；
进行受控的焊接试验，以确定至少一个与焊接的满意焊接质量有关的过程参数；
至少确认一个所述至少一个过程参数，该参数可以用作实时焊接质量控制参数；及
利用所述至少一个实时焊接质量控制参数作为过程测得参数，以控制在单极脉冲焊接过程期间的焊接质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，过程焊接质量参数包括：放电转速、峰值电流、界面功率、体积功率、界面功率/体积功率相对值、界面功率与体积功率之和、界面能量、体积能量、界面能量/体积能量相对值、界面能量与体积能量之和、补偿位移、和最终位移。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，过程参数是补偿位移。
4.一种在用于单极脉冲焊接的焊接质量控制系统中、用于实时焊接质量控制的方法，包括：
确定与希望的焊接质量有关的补偿位移的希望值；
在单极脉冲焊接过程期间测量补偿位移；及
把所述测得的补偿位移输给一个控制系统，以控制到要焊接工件的能量，从而使所述补偿位移基本上等于补偿位移的所述希望值。
5.一种用于单极脉冲焊接的过程后焊接质量检验的方法，包括：
特征化一个单极焊接系统；
进行受控的焊接试验，以确定至少一个与焊接的生成焊接质量有关的过程参数；
至少确认一个所述至少一个过程参数，该参数可以用作过程后焊接质量检验参数；及
利用所述至少一个过程后焊接质量检验参数作为过程测得参数，以检验在单极脉冲焊接过程之后的焊接质量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，过程焊接质量参数包括：放电转速、峰值电流、界面功率、体积功率、界面功率/体积功率相对值、界面功率与体积功率之和、界面能量、体积能量、界面能量/体积能量相对值、界面能量与体积能量之和、补偿位移、和最终位移。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，过程后焊接质量检验参数是：体积能量、锻接位移、和位移曲线的斜率。
8.一种在用于单极脉冲焊接的过程后焊接质量检验的方法，包括：
确定体积能量沉积的希望值和与希望的焊接质量有关的最后锻接位移的希望值；
在单极脉冲焊接过程后，测量体积能量沉积和最后锻接位移；及
通过把所述测得的体积能量沉积和所述测得的最后锻接位移，与体积能量沉积的所述希望值和最后锻接位移的希望值相比较，来检验焊接质量。
9.一种在用来端对端地焊接两段导管的单极脉冲焊接系统中、用于实时焊接质量控制的方法，包括：
特征化该单极焊接系统；
进行特征化焊接系统的受控焊接试验，以确定至少一个与焊接的满意焊接质量有关的过程参数；
在单极脉冲焊接两段管件的同时，监视至少一个所述过程参数；及
保持监视的参数在一个值处足够的时间，以提供满意的焊接质量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，过程焊接质量参数包括：放电转速、峰值电流、界面功率、体积功率、界面功率/体积功率相对值、界面功率与体积功率之和、界面能量、体积能量、界面能量/体积能量相对值、界面能量与体积能量之和、补偿位移、和最终位移。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，过程参数是补偿位移。
12.一种用来端对端地焊接两根导管的方法，包括：
对接两根导管的端部以限定一个焊接界面；
把单极脉冲焊接能量传输给导管；
在这种传输期间监视界面处补偿位移的量；及
根据监视的补偿位移的量，控制传输给导管的焊接能量的量，以得到足够的补偿位移而使所述界面处的焊接有效。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，当出现所述足够的位移时，对导管施加锻接载荷。
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