焊接优化范文
焊接优化范文（精选8篇）
焊接优化 第1篇
关键词：薄钢板,风管焊接,自动焊接
0 引言
薄板风管制造中, 最难控制的是焊接。目前薄钢板焊接中大多采用焊条电弧焊或氩弧焊技术, 在产品制造中有成功的经验, 也有许多失败的教训。本文通过将半自动CO2气体保护焊机与半自动切割装置相整合, 可实现薄板风管长直焊缝的自动焊接, 提高了焊接效率;通过焊接工艺研究, 优化工艺参数, 解决了薄板焊接易出现的焊接变形及焊接中烧穿等问题。
1 工艺原理
薄板风管自动焊焊接工艺主要是在半自动CO2气体保护焊焊接基础上, 为实现自动焊接技术, 加装了半自动切割机的自动行车装置, 利用半自动切割机的自动行车装置能够沿焊接方向连续匀速行进, 从而实现焊接过程的自动化。设备见图1 CO2气体保护自动焊设备。
2 薄板自动焊焊接工艺操作要点
2.1 选择适合的焊接材料及焊接设备。
以钢板厚度2mm, 角铁∠30×3, 材质为Q235的风管为例。选择焊丝型号ER50-6规格准0.8、准1.0、准1.2三种;CO2气体;二氧化碳焊机型号HB400-04;半自动切割机型号CG1-30。
2.2 制订2mm薄板钢板的自动焊焊接方案;研制出合格的焊接工艺评定。
(1) 加工薄板钢板试件。Q235厚度2mm钢板加工成600×200mm试件;∠30×3角铁加工成600mm试件。 (2) 焊接薄板钢板试件。将半自动CO2气体保护焊枪固定在半自动切割机上, 调试二氧化碳焊机、半自动切割机;使用牌号为ER50-6, 直径分别为准0.8、准1.0、准1.2三种规格的焊丝进行施焊试验, 确定合适的焊接参数见表1。
(3) 焊接工艺措施。1) 焊接时焊接位置采用平角焊 (横焊) , 焊枪调整角度为45°施焊。2) 引弧前首先按焊枪上的控制开关, 点动送出一段焊丝, 焊丝伸出长度小为12-15mm, 超长部分应剪去。若焊丝端部出现球状时, 必须先剪去, 否则引弧困难。3) 引弧时, 将焊机置于自锁状态, 再将焊枪放在引弧处, 保持45°倾角和喷嘴高度, 然后按焊枪上的控制开关, 焊机自动提前送气, 延时接通电源, 保持高电压、慢送丝, 当焊丝碰撞工件短路后, 自动引燃电弧。4) 引燃电弧后, 焊接过程中, 焊工应根据熔池的形状、飞溅的大小、电弧的稳定性和焊缝成形的好坏, 判断焊接工艺参数是否合适。若焊接过程中, 熔池平稳, 飞溅较小, 电弧稳定。同时, 可观察到周期性的短路, 听到均匀的周期性的啪啪声, 而且焊缝成形较好, 说明参数合适。否则应调整焊接工艺参数。5) 收弧时, 先停车后断弧保证填满弧坑, 应让焊枪在弧坑处停留几秒钟, 以保证熔池凝固时得到可靠的保护。
2.3 对焊接试件进行加工取样。
对分别采用三种规格焊丝施焊的焊接试件进行焊缝外观检查、无损检测、宏观金相检验等, 试验及合格标准执行GB228, 根据试验数据出具焊接试验报告。试件见图2。
2.4 对分析结果进行汇总, 确定焊接工艺的可行性。
对三组焊接试验数据进行综合, 分析焊缝外观记录、焊缝缝表面无损检测记录及焊缝金相试验报告, 最后确定可行焊接工艺 (见表2) 。
3 培训CO2气体保护自动焊焊工
依据优化的焊接工艺, 对施工现场风管焊接的施焊焊工进行培训, 使其能熟练掌握本项操作技能, 保证焊接质量。
4 薄板风管自动焊焊接工艺在产品中试用的操作要点
(1) 施焊时技术措施:焊接时焊枪为不摆动;喷嘴直径准20mm;焊丝伸出长度12-15mm:熔滴过渡形式为短路过渡。 (2) 施工现场每个施焊工位要有防风措施, 以保证CO2保护气体的稳定。 (3) 为防止焊枪导电嘴和喷嘴粘着飞溅物, 焊前应在导电嘴和气体喷嘴表面涂以硅油或其它防飞溅剂。 (4) 焊前检查焊接电源, 送丝机、控制器、指示仪表和焊枪等是否正常。如出现异常现象, 应及时通知有关部门检修, 以保证焊接过程的稳定性。
5 薄板风管自动焊焊接工艺的优点
薄板风管自动焊焊接工艺相对于传统的薄板风管手工焊接而言, 具有以下优点: (1) 解决焊接时极易出现烧穿、变形等焊接缺陷, 有利于对进度、质量控制。 (2) 变手工操作为自动施工, 减轻劳动强度, 提高工效。 (3) 节约焊接材料, 减少焊接接头焊材消耗, 从而节省施工费用。 (4) 随着焊接线能量减小, 焊接变形量也减小, 使薄板风管施工过程中受力均匀, 提高安装精度。 (5) 施工不受场地限制, 操作简单, 方法实用。 (6) 与传统风管制造相比, 采用薄板风管自动焊焊接工艺风管的生产效率提高了2倍, 见表3。
6 总结
利用薄板风管自动焊接工艺, 提高了CO2气体保护焊的效率, 有效地控制了焊接变形。该技术主要适用于大型通风空调工程1-3mm风管制作行业。随着城市地铁的大量使用, 采用薄板制造的风管越来越多, 因此推广应用前景广阔。
参考文献
[1]张欣, 赵峰.新型薄壁钢制高杆插接长度的研究[J].铁道工程学报, 1996 (04) .
[2]姚建伟, 王海燕.大截面薄钢板焊接风管施工技术[J].青岛理工大学学报, 2006 (06) .
[3]彭桂蒸, 张纪刚, 韩建, 邓文艳.大面积薄钢板焊接残余应力的试验研究[J].低温建筑技术, 2010 (08) .
[4]谭标瑞.薄钢板风管保温施工质量问题及预防措施[J].机电信息, 2010 (12) .
[5]林文华, 李华林.薄钢板风管保温中常出现的问题及预防措施[J].山西建筑, 2004 (05) .
焊接优化 第2篇
关键词：LDWS522组装机；焊接电源；改造；工艺优化
中图分类号：TD421.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0004-03
1 电阻点焊的工作原理及影响焊接的因素
LDWS522型组装机所使用的焊接电源是电阻点焊机。焊接方式，如图1所示，电阻点焊方法是一种利用工件自身的电阻、施加在工件上的加压力和通过的大电流，在工件接触部位产生焦耳热（公式如下所示）而进行熔融的金属连接方法。
Q=KI2RT（1）
其中：K为系数；
R为焊接部位的电阻（Ω）；
I为焊接电流（A）；
T为焊接时间（sec）。
1.1 电阻R 及影响R 的因素
电极间电阻包括引线本身电阻R1，电容端面喷金层本身电阻R2，引线与喷金层间接触电阻R3，电极与引线间接触电阻R4。即：
R=R1+R2+R3+R4（2）
当工件和电极一定时，工件的电阻取决与它的电阻率.因此，电阻率是被焊材料的重要性能.电阻率高的金属其导电性差（如不锈钢），电阻率低的金属其导电性好（如铝合金）。因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金时产热难而散热易.点焊时，前者可用较小电流（几千安培），而后者就必须用很大电流（几万安培）。电阻率不仅取决与金属种类，还与金属的热处理状态、加工方式及温度有关。
接触电阻存在的时间是短暂，一般存在于焊接初期，由于工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物质层，会使电流遭到较大阻碍。过厚的氧化物和脏物质层甚至会使电流不能导通。
1.2 焊接电流的影响
从公式（1）可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大。
因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。
焊接电流可以如下方法比较简单地求得。最初设定较低的焊接电流，如果逐渐增大焊接电流，会发生飞溅。比发生飞溅时的电流值稍低的电流值就是适当的电流。电流值根据焊接机加压系统的追随性的不同而不同。焊接机的追随性愈好，愈容易施加较小的加压力和大的导通电流，即获得最佳的焊接效果。
1.3 焊接时间的影响
为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充。
为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称硬规范），也可采用小电流和长时间（弱条件，也称软规范）。选用硬规范还是软规范，取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。
对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下限，使用时以此为准。
1.4 电极压力的影响
电极压力对两电极间总电阻R有明显的影响，随着电极压力的增大，R显著减小，而焊接电流增大的幅度却不大，不能 影响因R减小引起的产热减少。
因此，焊点强度总随着焊接压力增大而减小。解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊接电流。
1.5 电极形状及材料性能的影响
由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。
随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。
1.6 工件表面状况的影响
工件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。
氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性，引起焊接质量波动。因此彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件。
2 常见焊接电源的种类与控制模式
2.1 常见焊接电源的种类及特性
常见的电阻焊接电源的焊接波形图，如图2所示。接下来我将对这些焊接电源特点进行一一介绍。
①交流式焊接电源。
这种焊接电源就是我们现在使用的电源，它的特点是：最普遍使用的焊接电源，构造较简单，操作简单并且价格低廉，但是热效能不是很好，容易发生热影响，控制精度差，不适合超精密度焊接，相比较而言适用于容易焊接的材料。
②电容储能式焊接电源。
特点：电容器充电后，流出大电流，适用于热传导性能优越材料如铝镍、铜等。电容充电后即使输入电源容量变小了也能进行稳定地焊接。但从焊接波形图中我们可以看到因为电流急速上升不能控制其倾斜角，容易产生飞溅，所以该焊接电源不适合我们使用。
③晶体管式焊接电源。
特点：电流通过晶体管能够细微的调整电流，能抑制飞溅，能进行超精密焊接，电流的控制速度很快，所以可以在极细线（电灯的灯丝等）的焊接上使用，最适合于高阻焊材质，因我们是焊接铜、锡材料，属于低阻焊材质，因此晶体管式焊接电源也不太适合我们使用。
④直流逆变式焊接电源。
特点：热效率好，焊接时间短（能够控制到1 ms，甚至更短），热影响少，而且通过逆变式高速回路控制，能够有效防止飞溅，保证焊接品质，适用于超精密焊接。因此该类型焊接电源适用我司焊接需求。
2.2 焊接电源控制模式及特性
目前常见的焊接电源一般采用恒电压、恒电流这两种控制模式，特性如下：
①恒电压控制模式。
指在整个焊接过程中电压保持一致，这种控制模式设计简单但存在缺陷，根据公式：I=U/R 的原理，R变大，I就会变小，导致整个焊接回路电流变小，在R大到一定值时，甚至无法保证有效回路的形成，导致产品虚焊。
②恒电流控制模式。
指在焊接过程中电流输出保持不变，通常情况下能够确保焊接的有效，但是根据公式一，如果回路中焊接点存在氧化层或污秽，导致回路中电阻变大，焊点电压过高，一旦回路击破，容易产生飞溅，导致虚焊。
3 LDWS522组装机焊接系统的优缺点
3.1 优 点
目前LDWS522组装机选用的是恒电压控制的交流焊接机，交流焊接机是最普遍使用的焊接电源，这种焊接电源优点是构造较简单，操作方便并且价格低廉。
3.2 焊接电源的控制精度低，控制方式存在缺陷，无法满 足小型化产品需求
交流焊接机有其优点，但是缺点也同样很明显。
缺点1：该类型焊接电源输出只能以整数个周波数来设定，一个周波数的输出是20 ms，也就是说这种电源控制的精度是20 ms，在小型化产品越来越多的今天，这种粗放的控制模式已无法满足生产需求，我们的维修人员在生产调机中往往发现多一个周波数会出现焊的太死，而少一个周末又会虚焊的问题。
缺点2：该类型焊接电源采用恒电压控制方式，根据前面分析，回路电阻足够大时，产品容易虚焊。
4 LDWS522组装机焊接系统的改进
以上分析了常用焊接电源的工作原理以及各自的优缺点，从我公司的焊接小芯子产品的实际要求考虑，本次改造设计用直流逆变式焊接电源，且采用恒功率控制模式，接下来分析一下直流逆变式焊接电源的原理及特性。
4.1 直流逆变式的工作原理
电路图，如图3所示。
从该电路图可以看出逆变电焊机的基本工作原理：先将工频（50 Hz）交流电，经三相桥式整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件IGBT，逆变成几10 kHz的中高频交流电，同时经变压器降至适合于焊接的低电压，再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。
其变换顺序可简单地表示为：工频交流（经整流滤波）→直流（经逆变）→中频交流（降压、整流、滤波）→直流。即为：AC→DC→AC→DC。
该电路中用到的开关电子元件IGBT为双极型绝缘效应管，其开关频率在20～30 kHz之间，并且它可以通过大电流（100 A以上），而且由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。
4.2 直流逆变式焊接电源的高精度控制特性
焊接波形图，如图4所示。
从焊接波形可以看到该焊接电源分两段波形输出，且可以对每段波形单独设置电流上升的斜率、焊接时间及冷却时间，控制精度达到1 ms，比原来的20 ms提高了20倍。
4.3 直流逆变式焊接电源的恒功率控制特性
恒电压、恒电流控制都存在一定的缺陷，为了达到更好的控制，本次改造我们设计用恒功率控制模式， 恒功率焊接就是通过电流和电压的闭环，控制恒定的输出功率。即同时建立输出的电压、电流反馈闭环控制，实时监测输出功率，这样即保证了足够高的击穿电压，又保证了建立有效电回路所需的焊接电流，而且有效防止飞溅的产生。其电压电流和功率示意图，如图5所示。
4.4 焊接参数的确定
前面我们完成了硬件方面焊接系统的设计改进，同时也完成了整个电路的接线，PLC控制器的编程，接下来就是工艺参数的重新确定，在这个过程中我们做了大量的实验，最终确定了能够保证稳定焊接的工艺参数，见表1。
5 结 语
LDWS522组装机焊接电源改造后电流控制精度度提升至1 mm级，同时采用高可靠性的恒功率控制模式，通过这两项改造使我们的焊机达到了国内领先水平，有效解决了小芯子电容在LDWS522组装机上的焊接难题，焊接效果得到明显的改善，经过近半年的数据统计：焊接不良率由改造前的平均0.58%，下降到改造后的0.1%。按我厂每年生产6亿只产品计算，每年可多增加【60 000万*（0.58%-0.1%）=288万】只合格产品，节约生产成本约57.6万元/年。
LDWS522组装机焊接系统改造成功，不仅节约了生产成本，更重要的是保证了产品质量，提高了产品竞争力。该创新在公司2012年度创新奖评比中得到专家组的肯定，获公司创新一等奖。
参考文献：
[1] 张光先.逆变焊机原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] L-CDG1BN32-440，L-CDG1BN32-430，气动元件产品目录[S].
焊接优化 第3篇
为降低该类焊合件的生产制造难度, 轻松达到量产目的, 我们对这种传统结构形式的飞轮焊合件进行了改进设计。改进后的飞轮焊合件结构由1轮轴、2刀盘、3风叶、4风叶衬板、5风叶定位盘, 焊合成形 (如图2) 。刀盘、风叶、风叶衬板、风叶定位盘, 均为钣金件, 由激光切割成形。目前国内激光切割机的使用已较普及, 对此类钣金构件的制作非常方便。各构件焊合的相互位置关系全靠自带定位榫、孔结构保证 (如图3) 。其中增加的风叶定位盘对风叶和风叶衬板的形位及焊后形变控制起到很好的作用。
改进后的结构还能实现构件拼装自定位, 基本不需要利用焊接拼装工装;同时通过设定合理的焊接位置, 优化焊接顺序后, 其焊后变形对焊后动平衡的影响非常小, 甚至于可以不作动平衡校正, 就能直接满足设计要求。
我们简单分析一下风叶定位盘在拼装中所起的定位作用与原理。如图2各构件拼装成形后, 假设四片风叶中检测某一片与刀盘的垂直度存在偏斜, 由于风叶定位盘上的榫孔对其于三片产生的牵制作用, 导致其于三片必定存在着同方向的偏斜, 而这样的偏差对于中心对称的飞轮结构来说是不会产生不平衡的影响的。这便是增加风叶定位盘的设计目的和所起的重要作用。
压力容器焊接质量的优化对策探究 第4篇
压力容器的质量受其焊接工艺的影响巨大, 焊接过程很大程度上直接决定了压力容器的质量和安全性能, 同时对生产制造过程中的成本和生产效率都有极大的影响。
就目前我国压力容器制造现状来看, 压力容器因焊接造成的质量缺陷从变现上看主要有内外两种缺陷, 具体上讲主要有焊接尺寸不合格、表面飞溅、咬边、气孔、裂纹、熔合度差等。外部缺陷一般在焊接接头的位置出现, 通常肉眼就能看出来, 一般表现为焊缝尺寸偏差大、焊缝截面不规整、焊缝过小或过大、表面有气孔甚至裂纹。裂纹对压力容器的影响非常大, 压力容器通常承受着较大的压力、压强, 同时伴随着腐蚀性气体或液体的影响, 裂纹极易扩大, 最后造成整体的崩溃, 严重时可能造成极大的安全事件事故, 影响群众是生命财产安全, 造成社会经济损失。
压力容器焊接过程中的内部缺陷主要由于人为操作和其它因素造成。气孔作为焊接过程中较为常见的焊接质量问题, 造成气孔的原因很多, 例如在焊接过程中, 焊机熔渣中以及焊接表面有油污时, 可能造成气孔, 此外如果焊接过程中由于操作不当, 熔池过快也会造成气孔。周围环境对焊接过程也会造成一定的影响, 在潮湿的环境中, 空气中的水汽或液体在熔渣中形成气泡导致焊接过程中的质量影响, 严重的内部缺陷最后可能导致压力容器在高压环境下演变成裂纹, 形成巨大安全隐患。
二 压力容器焊接质量的优化策略
1.优化焊接材料
焊接材料是直接影响压力容器焊接质量的主要因素, 焊接材料的好坏从根本上决定了焊接过程中的焊接质量, 再好的焊接工艺和焊接操作方法以及环境, 如果没有符合标准的焊接材料作保障, 都会影响压力容器的焊接质量。焊接材料在选择过程中必须严格按照国家标准要求进行选材, 选用符合国家相关标准的产品, 选择有质量保证书的材料。如果要求焊缝的力学性能不低于原材料的力学性能, 应当选择高强度的焊接材料, 焊接过程中, 对承力、承压要求高的部位应当选择高强度焊接材料。焊接材料的选择还要综合考虑结构、刚度和工艺因素等的特点, 如冷冲压卷要求焊接接头有较高的塑性变形能力, 热卷或热处理则要求焊接接头经高温热处理后仍保证所要求的强度与韧性, 不锈钢要保证其焊缝有与母材一样的耐腐蚀性能, 因此应选用合金成分较高的焊材。压力容器通常母材的厚度较大, 焊件的体积较大, 因此应当优先选用抗裂性能较好的焊接材料。
2.优化焊接工艺与工艺评定控制
作为指导焊接过程、规范焊接操作、将焊接流程标准化的重要工艺文件焊接工艺, 是控制焊接质量的重要技术标准。焊接工艺又叫焊接工艺规程, 包括焊接的使用材料、焊接操作方法、母材的型号、焊接接头的形式、焊接操作的技术规程、以及焊接质量验收方法等等参数, 几乎包含了焊接过程中的全部质量参数。针对压力容器焊接过程中的难点和关键点, 要制定有针对性的焊接工艺规程, 根据压力容器的母材厚度和压力容器的用途科学选择合理的焊接材料, 根据压力容器的使用特性选择焊接接缝的坡度、焊缝形状;同时由于压力容器对焊接质量的较高要求, 在焊接过程中, 要对焊接质量的控制方法和验收标准提高要求。同时在编制焊接工艺规程时, 要精确所有焊接参数, 要将所有焊接性能参数优化, 以重理论上充分保证压力容器焊接过程的科学、严谨。焊接过程中对焊接工艺的评定能够对焊接工艺进行控制。通过焊接工艺评定的过程保证了焊接过程符合焊接工艺规程中要求的各项技术参数, 保证焊接操作人员各道工序严格按照焊接工艺规程的要求, 避免将缺陷带入下一道工序。
3.优化焊接质量检验
焊接质量检验是控制焊接质量的最后一道防线。通过材料、工艺、操作规程、工艺评定重重工序, 焊接质量的优劣与否就需要焊接质量检验来掌握控制。焊接质量检验包括焊前、焊中、焊后三道检验。焊前检验主要检验焊件的装配质量和焊接口的材料特性、焊缝间隙等;焊中检验要检测中间工序的焊接质量, 焊缝是否工整焊接过程是否严格执行焊接工艺规程和焊接操作规程, 以及焊接要求是否符合图纸尺寸和技术要求;焊后检验是通过外观检查、无损探伤检查、压力试验、外观检查等方式现场检查焊接后工件的焊接质量。针对压力容器的特殊用途, 对焊接后的质量检查应当采用多层次、多角度、多方法的检查方式对其进行全面检查, 一旦发现焊接缺陷立即采取补救措施, 返修或直接报废。
三 结论
综上所述, 在压力容器制造的过程中, 焊接是一种比较特殊的重要工艺, 其质量的优劣直接影响到压力容器的使用寿命。因此, 在焊接压力容器时, 要从细微处着眼, 避免违规操作, 以提升压力容器的制造质量。
参考文献
[1]田立志.压力容器焊接质量分析及控制[J].应用技术, 2012 (08)
[2]刘彩梅.压力容器焊接质量控制[J].化学工程与装备, 2010 (08)
焊接优化 第5篇
目前来说, 我国的大部分企业的焊接设备现状都是不太乐观的, 这与其企业的日常设备应用方案的优劣是分不开的。通过对焊接设备过程中出现的问题, 展开优化分析, 促进其焊接设备系统的健全, 促进其内部各个环节的有效协调, 促进企业的工作质量效率的提升, 满足现实工作的需要。
1 关于焊接设备现状的分析
1.1 这几年来说, 我国的经济建设蓬勃发展, 促进其电焊机设备
的广泛应用, 但是和世界的发达国家的焊接设备应用情况相比, 我国企业在工作过程中, 仍然存在一系列的问题, 需要积极展开优化方案的应用, 保障电焊机产业同质化环节的发展, 保证其企业的产品构成环节、市场取向环节的优化, 避免其价格的恶性竞争的情况, 从而实现电焊机运作环境的稳定运行。随着我国经济建设规模的不断扩大, 电焊机的厂家规模也在不断的扩大, 实现了一定程度的电焊机产业同质化体系的发展。在此环节中, 由于我国市场环境的影响, 出现了一系列的价格的不合理竞争的情况, 这是不利于电焊机行业利益的有效维护的。生产电焊机的厂家是非常多的, 但是这些电焊机场自身的产业链条不健全, 不能形成良好的市场竞争力。并且知识经济的发展, 对于电焊技术设备有了更高的要求, 如果电焊机企业不能实现其自身核心技术的应用, 是难以满足企业的稳定发展的需要。企业在扩张过程中, 容易出现其不合理的扩张现象, 正是由于这些不合理扩张活动的开展, 才导致电焊机企业的内部经营环节的不协调运作。目前来说, 我国的大量企业片面追求扩张规模, 采用粗犷式生产方式提高产量以求大的市场占有率, 大都难以筹措大量资金进行高端产品的研制开发, 产品的拷贝抄袭现象严重, 在知识产权日益受到重视的今天, 企业的发展后劲不足。
我国的大多数学校的焊接专业都是不系统的, 这就导致其电焊机从业人员的技术水平的高低不平。而电焊机的应用, 又是一个非常注重技术的环节。只有实现其信息技术管理技术、电子机械应用技术的有效协调, 从而满足电焊机企业的稳定发展。但是由于我国教育国情的影响, 电焊机专业人才是比较缺乏的。对行业标准、质量管理体系, 环境对设备的要求等认识不深, 对出口、参与国际竞争的焊接设备的国际标准和要求了解不够, 且一些企业对标准、认证等工作只停留在形式和表面, 仅为了应付检查, 而在日常生产中的执行力不够。
1.2 为了满足实际工作的需要, 要针对电焊机整体运作情况及
其运作趋势, 进行相关措施的优化, 首先要进行我国电焊机运作现状的分析。由于国际电焊机市场竞争的激烈性, 社会对于电焊机的环保性的要求日益高涨。但是现实情况是, 由于相关焊接技术的缺乏, 经常出现焊接技术人员自身工作能力不达标的情况, 这直接影响了日常产品焊接工作的稳定发展, 急需进行电焊机技术应用环节的优化, 从而促进其生产质量效率的提升。在焊接自动化运作过程中, 进程出现一些企业的自动化焊接体系的缺乏, 数字化焊接技术的实现是比较困难的。需要进行其PLC为中心的开关量编组的有效控制, 保证其技术水平的进一步提升。焊接装备环保、新技术和重点发展项目的主要技术指标和性能、行业和地域需求节能降耗的环保型焊接设备;优质高效的熔化极气体保护焊接设备;基于数字控制技术的自动化焊接装备;超精密或超大型的焊接专机和辅机具;适应国家重大工程领域需求的专用焊接装备;符合行业技术标准的自动化焊机的辅机具;焊接机器人技术的研究和推广应用。高效节能焊接装备将强势增长, 在石化、造船、锅炉、铁路等行业得到快速推广。国内焊接自动化装备将进入高速发展阶段, 自动化程度高、性能优良、可靠性好的各种自动化专用成套焊接设备、焊接机器人工作站和焊接生产线, 其市场容量相当大, 发展前景乐观。
2 焊接设备优化模式的分析
2.1 为了满足我国的现代化电焊机设备的有效应用, 要针对该
行业的市场运作情况, 实现其行业结构的有效调整。这要按照国家的相关工业化建设政策, 进行企业的内部管理应用体系的健全。促进其产业结构的不断优化调整, 保障其管理体系的更新, 实现现代化企业运作体系的健全, 促进其公司内部结构的不断优化, 这就有利于的提升了企业的市场竞争力。目前来说, 我国的电焊机行业的发展情况是不平衡的, 其电焊机企业的发展参差不齐。针对这些情况, 要进行该行业的行业格局的优化, 保证其核心技术的优化, 实现系统集成体系的健全, 比如行业共性技术服务平台体系的健全, 促进其自主设计环节的正常发展, 实现其研发环节与生产技术环节的有效协调。坚持市场竞争和政策引导相结合, 建立并完善电焊机行业标准体系, 营造良好的市场环境, 充分发挥市场在资源配置中的基础性作用, 促进企业有序竞争;加强协会的组织领导和宏观调控, 发挥行业指导作用, 避免低水平重复建设, 对国家重点项目的技术研发给予必要的政策支持。对具有前瞻性、涉及国家安全、西方国家对我国技术封锁并亟待解决的关键技术, 坚持走自主化发展之路, 集中全国的行业精英, 明确牵头单位, 落实配套资金, 组织相关行业研究机构、大专院校和企业开展联合项目攻关及配套实施, 从整体上集约利用各种资源, 以达到在一定时期内迅速提高行业水平的目标。掌握核心技术, 造就一批拥有自主知识产权和品牌产品。
2.2 企业要进行自主创新体系的构建, 保障其科研投入力度的
提升, 解决目前行业发展过程中的各个问题。从而实现其电焊机设备检测环节、制造环节、开发环节及其试验环节的协调, 促进相关制度体系的创新, 实现其研究开发主体环节、技术创新环节的优化。该技术创新活动要实现市场导向的积极控制, 满足现代化的电焊机的应用需要。要进行装备产品技术标准环节、新技术应用环节等的协调, 实现新技术、新设备、新材料的普及, 淘汰落后产品, 跟踪国际先进技术发展趋势, 注重与国际标准接轨, 积极参与国际标准制订工作, 促进自主创新产品进入国际市场。在将适合我国国情的国际标准转化为国内标准的同时, 积极参与国际标准的制修订工作, 加强对国际标准草案的研究和利用, 改变以往被动采标的局面, 并充分利用获得的国际标准草案, 在各个起草阶段认真进行研究, 提出反映我国国情和利益的提案, 为国际标准的转化奠定基础。
在应用过程中, 要保证其焊接人员的自身技术水平的提升, 企业要构建专业人才队伍。通过相关方式的应用, 实现与我国高校相关专业学生培养环节的协调, 以培养一系列的高素质人才, 实现其行业技术研究环节、管理环节及其应用环节的协调。要保证政府的相关职能的有效转变, 以满足企业的内部经营管理的需要, 实现其行业结构的优化, 稳定该行业的发展环境。行业协会要积极协助建设行政主管部门开展行业调查研究、制定发展规划;引导企业增强质量意识, 建立健全质量保证体系;制定并与各个会员单位签订行业自律公约, 监督其执行情况;推广新技术、新设备和开发应用新工艺、新产品;积极为政府和企业提供信息服务, 协调行业内部的矛盾, 树立行业的良好形象, 维护行业的合法权益。
3 结束语
焊接设备的正常生产、投入、应用, 离不开相关人员的重视, 保证其企业的内部生产环节、管理环节、经营环节的协调, 实现其整体运作体系的健全, 从而满足我国的现代化经济建设的需要。
摘要：为了满足日常工作的需要, 要针对其焊接设备的现状展开分析, 通过其发展方案的优化健全, 保障实际操作环节的优化。该环节的开展, 需要综合各种因素进行考虑, 因为影响焊接设备稳定运行的条件是比较多的, 比如焊接设备的技术问题、焊接工人问题、施工环境等, 都一定程度影响焊接设备工作的稳定运行。
焊接优化 第6篇
焊接机器人已经被广泛地应用到白车身焊接生产线上, 它可以降低劳动强度和制造成本, 缩短生产加工时间, 提高焊接质量和生产率[1]。一个白车身通常由300～500个形状复杂的薄板冲压件组成, 在装配过程中需要焊接的点有4000～6000个。如何快速而准确地完成全部焊点的加工, 即如何规划机器人焊接路径是目前汽车制造企业迫切需要解决的问题。
传统的机器人焊接路径规划方法是根据设计人员提供的工位上的焊点数量与焊接顺序, 由工艺人员根据经验, 设计加工工艺, 编写程序输入到相应设备中, 在实验室里预操作。不同的工作者技术背景不同, 可能制订不同的焊接方案, 这种路径规划方法缺乏严格的数学理论依据, 制订出的焊接规划方案存在很大的随机性, 经常发生机器人焊接作业顺序不合理、生产周期长的问题, 影响整条生产线的生产。如果涉及多机器人协同加工, 往往会出现机器人间或机器人和工件之间发生碰撞的现象, 这就需要在实验室中采用步进式通进方法配合专家经验加以解决, 以免发生碰撞而损坏设备。
近年来, 模糊控制、神经网络和遗传算法等优化理论被广泛用于机器人的路径规划[2,3]。在实际的焊接过程中, 影响机器人焊接路径的因素很多, 在用上述算法求得优化的路径后, 可最大限度地模拟实际的工作环境对其进行模拟仿真, 这种仿真可以增加安全性, 缩短机器人不工作时间和降低成本等[4]。
本文在对机器人焊接生产线进行研究的基础上, 建立焊接路径数学模型, 采用自适应性遗传算法求解, 对作业顺序进行优化, 并在eM-power平台上建立虚拟焊接生产线, 模拟焊接机器人的焊接过程。
1 焊点分配的约束分析及约束解决的准则
1.1 约束分析
目前, 国内许多汽车生产厂的车身装焊车间都采用流水线生产作业方式, 为了获得较高的流水化程度, 必须根据产品结构充分利用有效的车间生产场地, 合理划分装焊工位, 还要尽可能减少装夹的次数, 一次装焊成形, 保证装焊精度与整体刚性, 减小变形量, 提高尺寸精度。一次装焊存在以下几种约束:①焊接的顺序约束。不同的焊接顺序产生的焊接热变形对焊接质量的影响不同, 为了减小变形量, 必须选择合理的焊接顺序。②焊接的空间约束。焊接一般是多台机器人同时焊接, 焊点的中心间距远小于焊枪所占的空间, 在同时焊接时一定要考虑同时焊接的两个点的距离。③焊接的时间约束。在给多台机器人分配任务时, 保证分配的任务均匀, 基本能同时完成。
1.2 约束解决准则
如果出现两台机器人发生干涉的情况, 则分析在该点处两台机器人手臂前端3个自由度的活动空间, 确定出各自焊枪的活动范围, 选出非重合区时机器人的位姿, 通过改变机器人位姿避免碰撞。如果两台机器人手臂在该点处活动空间重合过多, 则为焊点分配优先权, 使机器人在同一时刻在不同的位置进行焊接。并且将重合区的焊点分配给直线距离最短的机器人。没有该点优先权的机器人应该绕过该点选择其他的点, 如果在该时刻必须通过此点, 则在该点等待, 待动态障碍过后, 再沿各自预定轨迹移动。另外, 在规划前也应先比较各机器人经过轨迹的重合情况, 对于某两台机器人运动轨迹重合过多的情况, 可从时间上加以错开或重新选取其中某台机器人的加工轨迹。
2 白车身焊接顺序优化的数学模型
多机器人的焊点分配是一个多约束问题, 在实际的焊点规划中, 必须充分考虑各种约束条件, 才能保证焊接的质量, 并且在焊接过程中不发生碰撞, 顺利完成焊接任务。在满足上述前提条件下, 均衡各机器人的焊点任务, 寻找最短的工位焊接时间。焊接作业分配可以表述为n个焊接机器人焊接m个焊点。已知机器人集P={p1, p2, , pn}, 焊点集G={g1, g2, , gm}, 焊点作业时间集T={t1, t2, , tm}, 焊接顺序约束集E={ei j|i, jm}, 其中, ei j表示焊点i是否在焊点j之前焊接:
焊接任务的数学模型可以表示为
式中, xk i j为决策变量;Tk为机器人k所用的焊接时间;td为等待时间。
完成一个工位的最短焊接时间为
Tmin=max{T1, T2, , Tn}
3 自适应遗传算法设计
3.1 编码方法
设有m个焊点待分配给n个焊接机器人作业, 基因编码为一串长为m的数字串, 每一个基因座的序号对应一个焊点序号, 基因座的基因值为分配该点的相应机器人的编号, 图1表示了10个焊点分配给3个机器人的一个基因编码串。机器人1负责焊接点2、3、9、10, 焊接的顺序是23910。机器人2负责焊接点1、5、6。机器人3负责焊接点4、7、8。
3.2 选择和遗传操作
(1) 适应度函数。
在遗传算法中, 适应度函数必须取正值。目标函数是求焊接的最短时间, 适应度函数为时间的倒数, 即f=1/Tmin。
(2) 算子的选择。
把优化的个体 (或解) 直接遗传到下一代或配对交叉产生新个体再遗传到下一代。在遗传算法中, 有好几种算子选择方法, 本文采用轮盘赌选择的方法。在该方法中, 个体的选择概率和其适应度成比例。个体适应度越大, 其被选择的概率就越高。选择概率的公式为
(3) 交叉。
从选择出的个体中随机选择两个个体, 交叉概率取Pc。本文采用常规两点交叉。
(4) 变异。
将一个个体的基因序列打乱重新排列, 变异概率取Pm。本文中是通过取两个不同的随机数, 并对这两个数确定的基因区间进行随机排序来实现变异的。
3.3 自适应性的交叉、变异参数选择
传统遗传算法的交叉概率和变异概率是固定的, 在搜索过程早期容易陷入局部最优, 在搜索的后期又不易收敛在最优解[5]。本文采用自适应算法, 该算法具有以下优点:①在进化初期有较强的全局搜索能力和较弱的局部搜索能力, 防止“早熟”现象, ②在进化后期全局搜索能力减弱, 局部搜索能力增强, 保证找到最优的个体。交叉概率和遗传概率的计算公式如下:
式中, Pc_max为最大的交叉概率;Pc_max为最小交叉概率;nmax为最大代数;ner为当前的代数;favg为种群平均适应度;f′为交叉的两个个体中较大的适应度值;f为要变异的个体适应度值。
4 优化程序开发与仿真
4.1 焊接路径生成
确定好遗传算法的各个步骤以后, 可以得到基于遗传算法的白车身焊点规划流程图, 见图2, 利用Visual C++开发单文档应用程序, 输入焊点坐标、焊接条件约束矩阵、待分配的机器人数。输入迭代次数、种群数目、最大交叉概率、最小交叉概率、最大变异概率、最小变异概率, 搜索结束后会在对话框中显示最短的焊接路径和焊接路径距离。
4.2 实例仿真验证
eM-power数字化规划系统是按照虚拟制造原则开发的系统, 它可为企业规划制造的数字化提供了从设计、工艺、制造、装配到分析等全过程的仿真分析, 是企业实现虚拟制造的强有力的工具。在eM平台下进行仿真的具体流程如图3所示。
在eM平台下验证上述求解的机器人焊点的分配方案。焊接仿真的基础是建立焊接生产线三维模型。为有效进行焊装生产线工艺布局, 我们提出, 在二维视图环境下进行布局, 在三维视图环境下进行浏览与查看, 以便及时修改工艺布局中的不妥当之处, 消除各个制造资源之间的干涉问题。
焊接生产线布局方案如图4所示, 首先在eM平台上建立资源树, 资源树包括在焊接仿真中要使用的各种零件和资源, 资源树的每一个节点对应着这些零件的三维和二维模型;其次借助功能模块实现零件或资源的二维图形与三维图形的关联, 这样, 在二维视图环境下改变零件的位置时, 计算机系统将自动在三维视图环境下相应改变同一零件的位置, 而且在产品零件树或资源树的综合标签内更改零件或资源的垂直方向上的坐标时, 这种改变也会在三维视图环境下表现出来。
利用三维工艺布局可以对焊接工艺进行仿真分析, 以确保生产线实际工作时, 不会出现不可焊点或焊接时有干涉发生。输入各个机器人要加工的焊接点, 右击要进行仿真的工位就可进行仿真。如发现机器人焊接该焊点时, 焊枪和零件有干涉现象 (图5) , 我们可以通过调整焊点的优先级来改变焊枪进入轨迹 (即可以将焊接的点分配给别的机器人, 或者改变此机器人的焊接顺序, 不通过与零件干涉位置来进行下个点的焊接) , 从而实现正常焊接。调整后焊枪和零件不再干涉, 如图6所示。如果调整焊点优先级还不能解决干涉问题, 可以调节零件的装夹位置。但是如果装夹位置发生变化, 整个焊点的坐标也会相应地发生变化, 需要重新配置参数进行优化, 需要的时间会长一点。其中一个机器人的路径优化过程如图7所示。应用该系统对多机器人焊接任务进行优化并仿真, 焊接工位时间由原来的120s缩短到现在的100s, 并且提高了焊接的可靠性。
5 结论
本文在描述一种方便可行的多机器人焊装加工路径优化算法的同时, 用自适应性遗传算法求解焊接路径。在eM-power平台上建立虚拟仿真生产线模型, 对优化的路径进行模拟, 如果在仿真中发生干涉, 可调整焊点优先顺序、调整焊点分配和机器人路径, 直至焊接全过程均不发生干涉。这种方法大大缩短了路径规划的时间, 同时也避免了在实际加工环境中因机器人与设备发生碰撞而损坏设备的情况发生。焊接机器人的虚拟仿真分析也增加了焊接系统的柔性。
虽然本文在一定程度上解决了多台机器人焊点分配问题和焊接路径优化的问题, 但仍存在很多难点有待研究。在焊接优化过程中, 影响因素很多, 尤其是设备布局对机器人焊接路径优化的影响尤为突出, 因为各台机器人固定不动, 只是机械手臂连带焊枪运动, 因此, 对夹持的零件位置稍微改变, 都将对整个焊枪的行进路径产生重大影响。所以, 对于车身焊装工位机器人加工轨迹的优化问题, 在进一步优化算法的同时, 也应兼顾设备的合理布局。
参考文献
[1]杨握铨.汽车装焊技术及夹具设计[M].北京:北京理工大学出版社, 1996.
[2]Reinhart G, Munzert U, Vogl W.A Programming Systemfor Robot-based Remote-laser-welding with Conventional Optics[J].Manufacturing Tech-nology, 2008, 57:37-40.
[3]胡世亮, 席欲庚.一种通用的移动机器人路径规划仿真系统[J].系统仿真学报, 2004, 16 (8) :1714-1720.
[4]郑笑红, 唐道武.工业机器人技术及应用[M].北京:煤炭工业出版社, 2004.
焊接优化 第7篇
《焊接与万用表装配》是高职高专电气类专业的一门实践性课程。目前, 很多学校只强调结果, 根据焊接的质量和问题解答进行考核, 这对于学生的能力培养有一定的作用, 但为了取得更好的效果, 我们还采取了过程考核和过程激励等优化措施。
一、根据专业要求确定能力目标
《焊接与万用表装配》课程任务是对学生进行电子焊接和万用表装配训练, 重点要求学生掌握基本电子焊接工艺、万用表整机焊接装配工艺以及故障诊断与排除方法。通过该实训应达到以下能力目标: (1) 掌握电烙铁等常用工具的使用方法和焊接技术; (2) 掌握万用表的结构、工作原理, 能正确使用万用表进行测量; (3) 掌握万用表的调试方法、进而了解电子产品的初步调试工艺; (4) 掌握整机装配工艺方法; (5) 能根据万用表原理图排除故障。科学地选择和编排实训的内容是实现上述实训能力目标的基本保证。
二、合理的实训内容是实现能力目标的保证
能力的形成一般要经历知识的理解与记忆, 然后到知识迁移, 最终使知识得到灵活运用并形成一种能力的这样一个过程。例如, 学生在电工基础中学习串联电阻的分压原理和并联电阻的分流原理, 掌握分压电阻越大分得的电压越多, 分流电阻越小分得的电流越多, 这就是知识的理解与记忆过程。随后, 在万用表装配中通过具体的电压表量程扩展和电流表量程扩展的操作, 训练培养学生正确运用分压原理和分流原理的能力, 这是知识的迁移。大量知识的积累和迁移便形成了综合分析的能力。
因此, 我们在遵循认知规律的同时, 从培养实训能力目标出发, 基于焊接技术培训、万用表的装配和使用这两大模块建立《焊接与万用表装配》实训的内容如下: (1) 焊接工艺的讲解与示范; (2) 焊接平面图形、焊接立体图形, 验收并评定; (3) 万用表测量电路原理讲解; (4) 识别万用表元器件, 并进行焊接, 整机焊接验收并评定; (5) 通电检查、仪器调校、排除故障; (6) 用万用表进行常用物理量及元件参数的测量以及对测量的结果进行研究。具体的实训安排如表1所示。
三、实训教学过程的控制是获得良好教学效果的保证
1. 焊接模块
(1) 认识焊接。主要通过对比法认识焊接质量的优劣, 分析劣质焊接的形成原因及其改进措施。我们在实施中采用分解焊接的方法, 首先进行平面图形焊接, 完成后以小组为单位进行评比和点评, 一方面通过评比让学生认识什么是优质焊接, 什么是劣质焊接?帮助学生树立信心和目标, 同时抓住年青人争强好胜的特点, 激励学生争当榜样。
(2) 认识自我。通过点评, 让学生了解自己在焊接中的长处和短处, 从而对如何保证焊接质量有更明确、更客观的认识。
(3) 能做什么。验收好平面图形后接着进行三、六以及八棱柱的焊接, 最后以八棱柱的焊接验收作为实训成绩的一部分。
通过焊接模块实训, 每位同学都有表现的机会, 无论是对焊接的认识、焊接的信心、操作能力还是焊接质量等各个方面都有了很大的提高。
2. 万用表装配和使用模块
(1) 元件识别与焊接。认识元件是装配的前提, 通过元件清单找到每一个元件, 然后再进行焊接。
(2) 故障排除能力的培养。仪器调校时特别强调故障的排除能力, 因为学生刚进入电类专业基础课的学习, 还没有读图的经历和根据原理图判别故障点的能力, 通过自已排除故障使学生读图能力有了很大的提高, 很多学生学会如何将电工基础中学的知识移植到原理图中, 如何分解原理图、读懂原理图, 以及根据故障现象结合原理图找到故障点。对于能自己排除故障的学生, 理论问答可不进行或少进行;对于没有故障的学生, 通过设置常见故障让其通过电路分析予以排除。
(3) 万用表使用能力的增强。通过自制的万用表测量台让每个学生掌握正确使用万用表, 能进行常用物理量的测量, 如直流电路中电压、电流, 正弦交流电路中电压;元件好坏以及参数的测量, 电阻值R、电感量L及电容量C的测量;二极管的测试、三极管测试等;以及测量现象的研究, 如电容的充电和放电现象等。通过对每个学生万用表使用能力的考核, 进一步发挥考核的“导向功能”, 将学生引向注重实践应用技能培养的方向, 这是我们长期以来一直思考、坚持和探索的问题。从执行的情况来看, 学生学习的积极性、主动性有了明显的提高。从专业实习指导老师反映的情况来看, 实施效果比较理想。
四、优化评分标准检验实训成果
实训考核的内容是学生学习的“指挥棒”。合理的考核安排有利于培养学生的学习兴趣, 增强学生的学习积极性, 营造良好的学习氛围。在教学改革中, 强调学生不仅能看懂电路原理图、能分析故障和排除故障, 还要求有一定的熟练程度和使用万用表的能力, 体现在考核中的自排故障和占整个实训考核的50%分值。具体评分标准如下:
教学改革实践中, 我们深深体会到:合理的实施过程和考核内容及手段在高职高专人才培养过程起到认识工作任务、知道自己会做什么、能做什么, 有利于为以后的职业竞争力的形成打下一个好的基础。
参考文献
[1]罗映红, 董文珍, 田莉.电工与电子技术考试改革的探讨与实施[J].电气电子教学学报, 2004, (1) .
焊接优化 第8篇
本文通过综合考虑管道焊接残余应力与内压的共同作用,模拟盗油孔管道应力应变分布,分析由于焊接以及应力集中对管道强度造成的影响情况,提出新的盗油孔修复方法模型,为管道盗油孔的修复措施提供参考。该研究将为盗油孔修复、管道安全运营提供一定的理论基础,对管道的极限承载力做出估计,减少事故发生率,提高管道生产输送能力。
1 内压作用下管道应力分析
输油管道上打孔盗油,使管道局部的截面形状和尺寸急剧改变,应力不再均匀分布,开孔处的局部区域内应力急剧增大,而稍远处的应力迅速减小并渐趋均匀。管体盗油孔的存在削弱了管道壁的强度,易成为输油管道的破坏源,因此,对盗油孔处的应力分布情况进行分析是输油管道强度计算的重要内容,是保证输油管道安全运行的重要因素。
1.1 内压作用下无盗油孔管道应力分析
输油管道内直径d=704 mm,外直径D=720 mm,壁厚δ=8 mm,在工程上属于薄壁圆筒,其应力分析方法与厚壁压力容器应力分析方法不同。当管体上没有盗油孔时,忽略其所承受的外压,仅受内压P作用时,管体环向应力[1]:
M1=PD/2δ
若取P=4 MPa,则M1=180 MPa。
1.2 内压作用下有盗油孔管道应力分析
盗油孔对管道应力分布的影响是明显存在的的,但由于结构、约束和载荷条件的复杂性,求得应力场的解析解较难。采用有限元方法进行数值模拟具有一定的作用,能获得一定的参考值,一般情况下工程中参考此值具有一定的安全性。利用ANSYS三维大型有限元计算软件,对存在盗油孔的输油管道应力分布进行有限元计算。
根据某输油管道盗油孔及管体螺旋焊缝的实际分布情况[2](见图1),采用节点三维实体单元solid45建立有限元计算的整体模型(见图3)。为分析管体螺旋焊缝的焊接残余应力,模型中包括了螺旋焊缝、盗油孔及其焊接修复焊帽(见局部放大图2)、盗油孔及焊帽局部网格图(图4)。整个模型轴向长度L=4 m,管体内直径d=704 mm,壁厚δ=8 mm,顶部分布有9个盗油孔及修复焊帽(图3中左起第1、2、3、9为大焊帽,其余为小焊帽),大焊帽内直径d1=160 mm,小焊帽内直径d2=107 mm。管体螺旋焊缝从左起第4、5盗油孔之间穿过。考虑到焊接区及其附近存在着较大的温度梯度,并且盗油孔局部应力分布极不均匀,为了保证精度又节省计算机时,在焊缝区和盗油孔及其附近区域单元划分较密,管体其他部位网格划分较稀,整个模型的节点数为48 294,单元数为33 825。忽略重力的影响,仅考虑模型承受内压的作用(P=4 MPa),分析盗油孔对输油管道应力分布的影响(焊接残余应力忽略)。
经计算分析可以得出管道盗油孔附近存在高应力区,这是由于盗油孔缺陷造成管道结构改变引起应力场发生变化[3]。随机提取管体上受盗油孔及边界约束影响较小的第44751号节点,其环向应力为:M2=173 MPa。可以看出,有限元分析结果和经典力学理论解比较接近,有限元分析与经典力学误差:
R=(M1-M2)M1
=(180-173)/180=3.8%
式中:M1无盗油孔状态下的管道环向应力;
M2无盗油孔状态下的管道环向应力。
利用ANSYS进行管道应力的有限元分析,采用实体单元建模是较好的计算工具。
盗油孔及焊帽主要对盗油孔局部存在影响,结构改变造成应力集中,内压作用时最大应力发生在孔边。通过提取ANSYS计算的数据,可以得出最大环向应力发生在盗油孔边缘处的7 490节点,Mmax=378.5 MPa,是无盗油孔情况下管体环向应力的2.1倍。为了便于与现场测试结果进行对比,在内压4 MPa时选取1、3、5、7号孔处的最大环向应力与无盗油孔存在普通管体处环向应力(180 MPa)进行比较,求得应力集中系数结果如表1所示。
结果表明最大应力集中系数为2.05。
通过计算分析发现,盗油孔局部应力增大不是由于横截面面积减小而引起的,即使横截面积只减小千分之几,盗油孔造成的局部应力集中也会使其最大应力增大若干倍,并且增大程度与孔的大小关联很小。图5表示环向应力和Mises应力随与盗油孔的距离的变化情况。可以看出:应力随着与盗油孔距离的增大而迅速减小;盗油孔焊帽的存在对管体应力分布影响较大,其根部的环向应力与Mises应力较小,但焊帽的影响范围很小,焊帽以外管体的应力迅速趋于无孔时的管体应力状态。
从模拟结果可以看出:盗油孔之间受两个盗油孔共同作用的位置,其应力分布与远离盗油孔的普通管体处基本一致,其影响基本可以忽略不计。
2 管道焊接残余应力分析
在对输油管道盗油孔缺陷进行修复焊接作业时,由于不均匀加热、冷却、相变、约束条件和现场作业等原因,会在焊接过程中和焊后产生相当大的残余应力和变形。它们常常是形成焊接裂纹的重要因素,又是造成热应变时效脆化的根源,严重影响管道结构的强度和使用性能,因此需要对其进行研究,以掌握其对管道整体强度的影响。
2.1 焊接残余应力产生的原因
在实际情况下,焊接残余应力的产生是相当复杂的,其应力大小、分布因焊接构件的形状、尺寸等不同而不同。其产生原因,一般可分三种情况。
2.1.1 焊接热源的移动性
焊接过程对金属构件进行局部的不均匀加热和冷却,在材料内部产生温度梯度。焊接作业区的温度高于周围温度而使材料产生膨胀,而周围低温区的材料将对其产生约束,从而产生压缩塑性变形;冷却时,其塑性压缩的压缩量不能自由地恢复。因此,在焊件内部产生相互平衡的拉伸和压缩应力。
2.1.2 约束应力
由于对焊件约束的不同,不均匀的作用力及构件内组织的浓度差或晶粒的位向差等,使各部分显示不同的屈服行为而引起构件的不均匀变形产生了约束应力。
2.1.3 相变应力
焊接过程对金属构件局部不均匀加热和冷却导致金属组织的变化而引起体积的变化,产生了相变应力,相变部分的宽度与残余应力产生状况直接相关。
2.2 焊接残余应力的有限元计算
在焊接分析中温度随着时间发生变化,温度的变化使材料的物理属性发生改变,并且产生热胀冷缩而产生残余应变和应力,所以这是一个多物理场的耦合分析过程。ANSYS进行耦合场分析有两种方法:直接耦合和顺序耦合。直接耦合法在整个分析过程中使用一个数据库,数据库中包含了所有物理分析所必须的节点、单元及其属性。顺序耦合法使用不同的数据库和结果文件,对多个物理场一个一个顺序分析,可以把一个结果文件读入到另一个数据库中。管道焊接残余应力分析选用顺序耦合的方法进行焊接的数值模拟:首先计算温度场,在计算应力场时读入温度场的结果作为其分析的载荷,计算流程见图6。
焊接过程中一般没有外力作用,残余应力产生的主要原因是焊接过程的不均匀热循环,所以焊接瞬态温度场的计算是进行焊接残余应力分析的前提。由于含盗油孔输油管道的三维几何模拟相当复杂,且焊接温度随时间而变化,传统的解析方法不可能求得精确的温度场,采用有限单元法是解决此类问题的方便而有效的工具。
焊接残余应力的存在降低了管道的承载能力和抗腐蚀能力,且会导致管道结构早期失效,严重影响管道的使用寿命。通常采用焊后热处理,也就是应力退火来消除残余应力。管道焊接使材料在拉应力区受拉伸而发生屈服,压应力区则相应被压缩,退火时,发生蠕变而出现应力松弛。管道焊接参照构件退火的理想温度曲线见图7[4]。计算时设定退火温度660 ℃,当炉温升至300 ℃时放入焊件,以6 ℃/min升温到预定热处理温度,保温2 h后以3 ℃/min随炉冷却至300 ℃,然后将焊件移至空气中自然冷却。
管道被盗油分子焊接盗油支管后不会再去进行去应力退火,盗油孔焊接修复由于受现场施工条件的限制,也难以实行去应力退火处理。有限元计算方法与前述管道制造螺旋焊接模拟类似,没有退火处理过程。图8为焊帽焊接冷却结束时管道的温度分布,焊接修复后管道的最高温度Tmax =26.858 ℃(红色区域),最低温度Tmin=25.007 ℃(蓝色区域),基本与室温一致,可以认为已经冷却完全。
去应力退火能大幅度降低焊件的焊接残余应力,其产生变形和裂纹的可能性也会大大减少。管体退火前与退火后的Mises应力分布图分别见图9和图10,两者的应力分布趋势基本一致,但去应力退火使管体残余应力值大幅降低,残余最大Mises应力从409 MPa(深蓝色区域)降至34.1 MPa(浅蓝色区域),说明去应力退火对焊接残余应力消除作用相当明显,能满足输油生产的实际需要。
3 管道盗油孔缺陷修复方法的优化
3.1 内压作用下盗油孔缺陷修复的方法
对于被打孔的输油管道,由于小孔已穿透管壁,只能采用焊接的方法抢修。现场盗油孔缺陷焊接修复的方式通常有两种:一是在打孔的地方焊接一小截接管,将盗油分子非法焊接在管道上的一小截盗油支管封闭在里面,俗称“扣帽子”;二是在被打孔的管道外表面焊上一小块补板,这种方法需要将盗油分子焊接在管道上的盗油支管完全从根部处清除。由于焊接过程中的约束和局部加热、冷却的收缩效应及金属组织的变化因素,使输油管必然产生残余应力。管道在运行过程中,工作应力和残余应力相叠加,使得实际受力水平提高,承载能力下降,尤其是在焊缝和热影响区等局部高应力区极易产生疲劳破坏、应力腐蚀开裂和氢致开裂,严重影响管道的正常生产,缩短输油管道的服役寿命,甚至造成严重事故。除了传统的柱形焊帽和补板方法外,通过设计与计算,在盗油孔缺陷修复过程中设计了半球形焊帽,并求解各种修复方法产生的残余应力,分析内压作用下各种修复方式的管道应力分布,力求找到相对最优修复方法,提高管道运营的安全系数。
3.2 盗油孔缺陷修复方法比较优化分析
管道盗油孔修复之前,首先要被封住,然后进行修复。当内压较小不会破坏被堵的盗油孔时,内压对焊帽的影响不大。由于内压造成盗油孔处应力集中,当内压增大到一定程度,盗油孔处将屈服破坏,发生管内流体泄漏,从而使焊帽处承受内压作用,如果焊帽发生破坏泄漏,管道将会被破坏漏油,这是需要尽力预防的。盗油孔支管没有破坏时,管道内流体没有泄漏到修复焊帽中,焊帽应力受内压影响小,当盗油孔破坏,焊帽承受内压作用时,则必须分析焊帽顶部的焊接,各种盗油孔缺陷的修复方法以通过有限元计算得出的结果为参考,各种修复方式的有限元计算见图11～图14[5]。从红色到蓝色为应力递增。
通过有限元方法计算可以发现,各种盗油孔缺陷修复后焊接残余应力对管道本体有着很大的影响,焊接区都是高应力的危险区,容易成为破坏源。焊接区以外也可能出现高应力区。如图12所示,柱形焊帽(顶部没焊接)顶部中心以及焊帽柱内壁与顶部接触处也产生了较高的应力。由于材料本身的缺陷或者制造缺陷,结构破坏不一定发生在最大应力处,各高应力区都是容易破坏的危险区,所以高应力区越多,结构越不安全。表2对各修复方式进行了比较,可以看出:相同压力下,半球形焊帽修复方法的焊接残余Mises应力最小,危险区数量最少,结构相对较为安全[6]。
4 结 语
管道盗油孔缺陷焊接给输油管道带来较大的残余应力,其结果会导致管道的承压能力下降,容易发生管道泄漏、爆管等重大事故,焊接残余应力有限元数值模拟分析是确定焊接残余应力的有效方法之一。本文通过对管道盗油孔焊接残余应力及缺陷修复方法进行了比较分析和研究,得到了以下主要结论:
1)计算模型的运用问题。焊接过程的数值模拟可以简化为温度场和结构应力场的双场单向耦合,焊缝区有限元网格划分必须足够密,以满足高梯度的温度场与应力场精度要求。
2)焊接加热时焊缝区为压应力区,冷却阶段逐渐变为拉应力区,采用去应力退火能大幅度降低焊件的焊接残余应力,焊接残余应力消除作用相当明显,其产生变形和裂纹的可能性也会大大减少。建议进行管道缺陷修复时采用一定的保温退火措施,尽可能地消除焊接残余应力,以满足输油生产的实际需要。
3)盗油孔及其修补焊帽的存在造成了管道局部应力集中。在相同压力下,半球形焊帽修复方法的焊接残余应力最小,危险区数量最少,结构最为安全,为相对较优的盗油孔缺陷修复方法。
参考文献
[1]朱援祥,王勤,赵学荣,等.基于ANSYS平台的焊接残余应力模拟[J].武汉理工大学学报.2004,26(02):69-72.
[2]高安东,杨占品,王可中,等.鲁宁管道打孔盗油管段应力现场测试[J].油气储运,2009,28(02):64-67.
[3]卜文平,帅健,王晓明,等.打孔管道焊接修复结构的残余应力测试[J].中国石油大学学报(自然科学版),2006,30(03):81-84.
[4]董俊慧,林燕.数值计算模拟工艺参数对管道环焊缝残余应力的影响[J].焊接学报,2008,29(03):121-124.
[5]帅健,王晓明,卜文平.打孔管道焊接修复结构承压能力的全尺寸实验评价[J].石油学报,2007,28(06):133-137.
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