1、在我国锅炉、压力容器和管道制造行业中,各大中型企业的焊接机械化和自动化程度相对较高,像哈锅,上锅这样的企业已达到 80%以上。不过,在国际上对焊接机械化和自动化作了重新定义。焊接机械化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成,焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操作工监视和手工调整。焊接自动化是指焊接过程自启动至结束全部由焊机的执行自动完成。无需操作工作任何调整,即焊接过程中焊头的位置的修正和各焊接参数的调整是通过焊机的自适应控制系统实现的。而自适应控制系统通常由高灵敏传感器,人工智能软件、信息处理器和快速反应的精密执行机构等组成。按照上述标准来衡量,我国锅炉,压力
2、容器和管道焊接的自动化率是相当低的。极大多数仅实现了焊接生产的机械化。因此,为加速本行业焊接生产现代化的进程,增强企业的核心竞争力,应尽快提高焊接自动化的程度。按照当前中央提出的“以人为本”的理念。焊接自动化具有更深刻的意义。它不仅仅是提高了焊接生产率和稳定了焊接质量,而更重要的是使焊工远离了有害的工作环境,减轻或消除了职业病的危害。以下列举几个在压力容器和管道制造中已得到实际应用现代化自动焊接装备实例。以说明其基本结构和功能以及在焊接生产中所发挥的作用。1 厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备德国 Babcock-Borsig 公司与瑞典 ESAB 公司合作于 1997 年开发了一台大型龙门
3、式全自动自适应控制埋弧装备。专用于、厚壁容器筒体纵缝和环缝的焊接。自 1998 年正式投运至今使用状况良好,为了型厚壁容器对接缝的自动埋弧焊开创了成功的先例。该装备配置了串列电弧双丝埋弧焊焊头,由计算机软件控制的 ABW 系统(Adaptive Batt Welding)和激光图像传感器。在焊接过程中激光图像传感器连续测定接头的外形尺寸,测量数据通过计算机由智能软件快速处理,并确定所要求的焊接参数和焊头位置。也就是说每焊道的尺寸和焊道的排列是由系统的软件以自适应的方式控制的。系统软件可调整每一填充焊道的 4 个焊接参数:焊接速度,焊接电流,焊道的排列和各填充层和盖面层的焊道数。因此,该系统可使
4、实时焊接参数自动适应接头整个长度上横截面和几何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同区域内的熔敷金属量,而焊接电流是控制焊道的高度和熔敷金属量。焊道的排列是决定每层焊道间的搭接量。每层的焊道数则取决于每层的坡口宽度。该设备的主控制器和监视器以 PC 机为基础。多年的使用经验表明,该装备不仅大大提高厚壁容器的焊接生产率,而且确保形成无缺陷的厚壁焊缝,同时显著降低了焊工劳动强度,改善了工作环境。2 厚壁管件全自动多站焊接装置火力和核电站的主蒸汽管道,其壁厚已超过 100mm,焊接工作量相当大,迫切需要实现焊接生产的全自动化,以提高生产率。每个焊接工作站由焊接操作机,翻转机构,滚轮架,夹紧装置和焊接机头及焊
5、接电源等组成。所有的焊接工作站由中央控制器集成控制。适用的管径范围为 139558 mm,壁厚18100 mm.管件长度大于 1800 mm.可全自动焊接直管对接,直管与弯管接头,直管与法兰以及直管与端盖对接接头。焊接方法采用窄坡口热丝 TIG 焊。在该自适应控制系统中,采用黑白摄像机检测坡口边缘的位置。采用彩色摄像机监控电弧和填充丝的位置。通过检则焊丝加热电流控制填充丝的垂直方向的位置。这种控制方法是利用黑白摄像机的图像,经过计算机图像处理,确定内外边缘的照度差。当焊接条件变化时,系统将自动调整摄相机快门的曝光时间。以达到给定的照度,使焊枪始终保持在焊接开始时调整好的位置。壁厚管件全自动多焊
6、接装置基本上实现了焊接作业无人操作。只需要一名操作人员在主控制室内设置管件的原始条件并在焊接过程中进行监控。这种全自动焊接装置已在日本三菱重工公司投入生产试用。3 大直径管对接全位置自 TIG 焊机大直径管对接的全位置 TIG 焊是一项难度很大的焊接作业,培养一名技能高度熟练的焊工需要耗费大量的人力和物力,而且产品的焊接质量还取决于焊工自身多年积累的生产经验。为了克服对焊工技能的依赖性,消除人为因素对产品焊接质量的不利影响,产生了开发模拟高级熟练焊工的智能和操作要领的全自动焊管机的想法。该自动焊管机可用于直径 1651000mm,壁厚 7.035.0 mm 的不锈钢管环缝的全位置焊,并采用窄间
7、隙填丝 TIG 焊(单层单道焊工艺)。焊机的自动控制系统采用了视觉和听觉传感器,由计算机程序控制执行机构,模仿熟练焊工的反应和动作。自适应控制和质量监控系统的作用原理为,自适应控制主要是通过视觉传感器实时检测的信息和计算机图像处理,按模糊逻辑规则,实时控制钨极相对于坡口边缘的位置,填充焊丝相对于钨极的位置以及决定焊接熔池尺寸的焊接参数。而焊缝质量的监控系统则按照激光视频传感器,听觉传感器和电流传感器的信息实时修正焊接熔池尺寸,焊道形状,钨极尖端的形状,电弧燃烧的稳定性和焊接电流,以保证焊缝质量的一致性。在自适应控制系统中,安装在焊枪前侧的视觉传感器(摄像机)起主要作用,将所摄取的对接区图像输入
8、到计算机,根据计算机软件图像处理结果,可以定量检测钨极相对于坡口边缘的位置,填充焊丝相对于钨极的横向位移,以及焊接熔池的尺寸及钨极的损耗。激光视频传感器是由摄像机和激光聚光灯组成,安装在焊枪的后侧。所形成的图像可用来测定焊道边缘的润温角,即焊道表面与坡口侧壁之间的角度。控制系统根据这些信息,对焊接参数进行自适应控制。自适应计算方法的工原理如下。焊接过程中,为调整钨极的位置,引用了模糊逻辑理论,即所谓奇数理论。当前节距内钨极位置的修正速度是按所测定的钨极位移量和前一节距内的修正速度计算的,以此来保证修正精度。上述大直径管全自动全位置焊管机已在电站锅炉安装工程中得到实际的应用,取得了令人满意的效果
9、。大型钢结构屋架焊接应力释放研究摘 要 在大型钢结构屋架平台施工中,焊接是重要工序.如何消除焊接应力,控制焊接变形,是保证工程质量的关键.针对大型钢结构屋架平台焊接变形问题,施工前应分析出影响变形的主要因素并预见变形的方向,制定预防、矫正变形、释放焊接应力的措施.本文通过对大型钢结构屋架平台施工经验的总结,提出可操作性防变形措施,在文中主要针对的是大型钢结构屋架的焊接应力进行探讨,提出了相应的解决方案。 关键词大型 钢结构 组装 焊接 变形 应力 控制 措施 一、焊接应力与释放概述 1.焊接应力概述 焊接应力:是焊接过程中焊件内产生的应力。它是导致结构变形,形成裂纹的主要原因。焊接应力可分为瞬
10、态热应力和焊接残余应力。焊接应力的危害可从两方面考虑: (1)对结构完整性的影响 焊接热应力可促使焊缝产生热裂纹,残余应力导致焊后延迟裂纹的形成。 (2)对结构服役性能的影响 焊接残余应力可以加速疲劳破坏,导致应力腐蚀开裂(包括硫化物引起的开裂和碱脆破坏),产生低温脆断破坏,促进材料的腐蚀磨损等,压缩残余应力还会造成薄板结构或细长杆件的压曲失稳,产生面外变形。 应力释放(stress relief)是指物体内某一点的应力由于释放能量而降低的现象;确切地说是能量释放。应力释放一般有两种情况:其一,在应力集中的部位,如断裂端点和交叉部位等处发生形变或破坏,导致应力释放。其二,并非应力集中的地区岩质
11、相变、岩石力学性质变化或其他原因,致使强度降低,也会发生形变或破坏,造成应力释放。 二、焊接应力减小与释放的研究 在焊接过程当中,由于焊接点的好坏,往往会出现焊接残余应力,焊接残余应力和残存变形将影响构件的受力和使用,并且是形成各种焊接裂纹的因素之一,应在焊接、制造和设计时加以控制和重视。因此在焊接大型钢结构屋架的时候,由于我们需要对焊接应力进行详细的分析与研究,将焊接应力所产生的影响降低到最小的限度。一般来说,焊接的方式主要分为几种,热时效、加载法、超声冲击与锤击。以下就这几种方式进行探讨。 1.大型钢屋架不应采用热时效方法 对重要焊接构件先进行整体热时效,然后在现场与其它构件进行组合拼焊的
12、工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。在焊接很多大型钢结构建筑物的时候,我们一般都是采用整体热时效,然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果,通过热时效的焊接方式,可以具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。在焊接过程当中,一般认为热时效的消应力效果为 40-80%,能有效的保证焊接的效果完整。 但是对于本论文案例大型钢结构屋架来说,在现场采用的拼焊的方式,很容易导致残余的应力依然保存在钢的结构当中,无法再焊接的过程中消除,加上现场无法采用进一步的热时效的方式对屋架进行处理,仅采用局部的热时效无法达到消除整个残余应力的要求,加上局部的热效应在加热的边缘还会出现新的残余应力无
13、法得到清除。因此现场采用局部热时效的方式建议在焊接过程当中作为焊接小型的钢材为主。焊接大型钢结构的屋架建议考虑其它补充、替代工艺。 2.建议采用加载法 加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力,使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形,与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分,达到松驰应力的目的。这种方式可以在一定程度上进行进行大型钢结构屋架的焊接。由于在焊接前先将所焊接的钢彩进行拉伸。在焊接完毕之后,钢材能够在恢复时抵消焊接应力的影响,并且能够有一定的伸缩度,提高屋顶的承重能力。因此焊接大型钢结构屋架应该主要采用这种方式。 3.焊接过程中补充使用超声冲击与锤击的方法 超声冲击消
14、应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出,近年引入我国,已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消应力工艺的特点是:在超声频率(16KHz)下应用束状冲头,在对焊趾和焊缝表面进行冲击;从实验的数据来看: 超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果,在采用对焊道全覆盖冲击时,被冲击的表面会形成压应力,对 24mm 深度层消应力效果可达 3455%。 采用焊趾冲击法,可以快速修复焊趾的缺陷,降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力,下降率达19%,对提高接头的疲劳寿命有明显作用。 由于冲击工艺处理的特点,仅可以用于冲击工具可达的外表面,其工作效率约为 1200mm2/min。 冲击工艺一般采用的应压力的方式将焊接应力随着振动的方式进行消除,这种工艺一般适用于短焊接的局部处理。例如修补焊接口,小配件焊接方式等。焊接后容易产生延迟冷裂纹的情况。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。