本發(fā)明屬于海工裝備領(lǐng)域，具體涉及到一種超大型海工裝備低應(yīng)力無余量焊接方法和裝置。

背景技術(shù)：

由于世界各國對(duì)能源的依賴度越來越高，因此海底蘊(yùn)藏的豐富油、氣資源已成為各國主要的開采目標(biāo)，并逐漸向深海水域發(fā)展。海工平臺(tái)是各種海上移動(dòng)式或固定式油氣鉆采平臺(tái)的總稱，是海洋石油和天然氣開采領(lǐng)域的關(guān)鍵重型鋼結(jié)構(gòu)，承載著海洋油、氣資源開發(fā)所需的總質(zhì)量達(dá)數(shù)百萬噸的各種設(shè)備。隨著開采水域的加深，海工平臺(tái)承受的海洋環(huán)境更為惡劣，其鋼結(jié)構(gòu)日趨大型化和專業(yè)化，更加嚴(yán)格的焊接質(zhì)量要求成為保證平臺(tái)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

焊接應(yīng)力，是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場(chǎng)以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場(chǎng)尚未消失時(shí)，焊件中的這種應(yīng)力和變形稱為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形；焊接溫度場(chǎng)消失后的應(yīng)力和變形稱為殘余焊接應(yīng)力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會(huì)影響焊件的功能和外觀，因此是設(shè)計(jì)和制造中必須考慮的問題。

消除焊接應(yīng)力的方法有自然時(shí)效、熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、TIG重熔和錘擊工藝、振動(dòng)焊接、超聲沖擊、爆炸法等技術(shù)。焊后正火屬于熱時(shí)效的一種，是將焊接的工件加熱到臨界溫度以上，然后在空氣中冷卻下來的過程稱為正火。正火的目的是要消除焊接時(shí)材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力，消除焊接材料產(chǎn)生裂紋的可能性。正火熱源有火焰加熱、感應(yīng)加熱、激光加熱等方法，這幾種加熱方法均存在受熱不均勻的缺點(diǎn)。雖然正火能夠降低焊接應(yīng)力，但是也存在一些缺點(diǎn)。據(jù)論文《火焰正火對(duì)鋼軌焊接接頭金相組織及力學(xué)性能的影響》(鐵道工程學(xué)報(bào)，2002年04期)報(bào)道，正火處理會(huì)使焊縫的屈服強(qiáng)度下降，降低了焊縫抗疲勞性能。使用超聲沖擊可以改善由于正火導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度下降的問題。 超聲沖擊可以在焊縫的周圍產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力的存在可以提高焊縫的力學(xué)性能。如果對(duì)焊縫周邊區(qū)域進(jìn)行面沖擊，而不是對(duì)需要沖擊的區(qū)域進(jìn)行沖擊，則沖擊效率比較低，且能耗大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明針對(duì)激光加熱不均勻以及面超聲沖擊效率低、能耗大等問題，提供了一種超大型海工裝備低應(yīng)力無余量焊接方法和裝置，用以對(duì)海工普通焊接過程和去應(yīng)力過程進(jìn)行定量控制。本發(fā)明能夠有效地降低焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力；提高超聲沖擊的效率和降低去應(yīng)力的能耗。

本發(fā)明的方法技術(shù)方案如下：一種超大型海工裝備低應(yīng)力無余量焊接方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：通過吊裝設(shè)備將需要焊接的鋼板拼接在一起；

步驟2：通過焊接裝置，按照一定的間隔進(jìn)行點(diǎn)焊，將需要焊接的鋼板進(jìn)行定位和固定；

步驟3：通過視覺導(dǎo)引頭得到焊接車前方焊縫處的軌跡信息；

步驟4：焊接控制系統(tǒng)將復(fù)合焊接頭運(yùn)動(dòng)到焊接位置；

步驟5：焊接控制系統(tǒng)設(shè)置焊接參數(shù)，并啟動(dòng)激光器和焊機(jī)電源，進(jìn)行焊接；

步驟6：安裝在焊接車尾部的熱成像儀獲取焊縫處的熱分布圖像；

步驟7：焊接控制系統(tǒng)中內(nèi)置的正火插值程序?qū)岱植紙D像進(jìn)行插值處理，得到加熱區(qū)域的坐標(biāo)、功率和加熱時(shí)間信息；

步驟8：焊接控制系統(tǒng)控制安裝在尾部的激光加熱頭移動(dòng)到需要加熱的區(qū)域；

步驟9：焊接控制系統(tǒng)打開光閘，將激光照射在需要加熱的區(qū)域，并保持所需時(shí)間；

步驟10：循環(huán)步驟4～9，直到需要焊接的區(qū)域全部焊接好為止；

步驟11：焊接車返回焊接起點(diǎn)，等待焊縫完全冷卻；

步驟12：焊縫完全冷卻后，視覺導(dǎo)引頭獲取焊接車前方的焊縫位置信息；

步驟13：焊接控制中的去應(yīng)力參數(shù)生成算法根據(jù)內(nèi)應(yīng)力分布算法得到焊縫周圍的內(nèi)應(yīng)力分布信息；

步驟14：去應(yīng)力參數(shù)生成算法在焊縫周圍產(chǎn)生位置坐標(biāo)、沖擊功率和沖擊次數(shù)信息；

步驟15：焊接控制系統(tǒng)將超聲波沖擊頭移動(dòng)到?jīng)_擊位置；

步驟16：焊接控制系統(tǒng)設(shè)置沖擊功率和沖擊次數(shù)信息，并發(fā)出控制命令；

步驟17：超聲波沖擊頭完成沖擊處理；

步驟18：重復(fù)步驟12～步驟17，直到整個(gè)焊接區(qū)域完成沖擊處理為止。

優(yōu)選的，步驟7中，正火插值程序方法為：

步驟71：對(duì)熱成像儀獲取的彩色圖片按照預(yù)先設(shè)定的色彩范圍進(jìn)行區(qū)域分割處理；

步驟72：提取分割區(qū)域的外輪廓信息；

步驟73：對(duì)提取的輪廓信息利用二維網(wǎng)格進(jìn)行分割，網(wǎng)格長寬尺寸等于激光光斑的直徑；

步驟74：根據(jù)網(wǎng)格在圖像中的位置以及網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的色彩范圍和存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的材料特性數(shù)據(jù)庫，生成坐標(biāo)信息、激光功率和加熱時(shí)間；

步驟75：將生成的信息以數(shù)據(jù)包的形式，存放在控制系統(tǒng)緩存中。

優(yōu)選的，步驟13中，去應(yīng)力參數(shù)生成計(jì)算流程為：

步驟131：控制系統(tǒng)通過安裝在焊接車上的位移傳感器陣列獲取焊縫兩側(cè)的高度信息；

步驟132：控制系統(tǒng)內(nèi)置的軟件通過高度信息進(jìn)行擬合插值處理，得到連續(xù)的高度曲線；

步驟133：根據(jù)高度曲線、焊接材料的特性和焊接平板尺寸信息，通過內(nèi)置的內(nèi)應(yīng)力分布算法得到焊縫兩側(cè)區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力分布數(shù)據(jù)；

步驟134：根據(jù)內(nèi)應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，生成去應(yīng)力參數(shù)，包括沖擊位置的坐標(biāo)、沖擊次數(shù)、沖擊功率。

本發(fā)明還提供了一種超大型海工裝備低應(yīng)力無余量焊接裝置，該裝置包括視覺導(dǎo)引頭、待焊鋼板、焊縫、激光電弧復(fù)合焊接頭、磁力輪、車體、控制器、電焊機(jī)、激光發(fā)生器、超聲波發(fā)生器、激光加熱頭、超聲波沖擊頭、熱成像儀、位移傳感器陣列；

車體通過磁力輪吸附在待焊鋼板上，激光電弧復(fù)合焊接頭和視覺導(dǎo)引頭設(shè)置于車體前部，激光電弧復(fù)合焊接頭位于車體上方，視覺導(dǎo)引頭位于激光電弧復(fù)合焊接頭上方，且與視覺導(dǎo)引頭相對(duì)設(shè)置，激光電弧復(fù)合焊接頭和視覺導(dǎo)引頭通過固定板相連，該固定板一端與車體相連；激光電弧復(fù)合焊接頭下方是待焊鋼板之間的焊縫；視覺導(dǎo)引頭用于糾正焊接過程中的位置偏移；

控制器、電焊機(jī)、激光發(fā)生和超聲波發(fā)生器分別單獨(dú)安裝在車體上；激光加熱頭、 超聲波沖擊頭和熱成像儀分別安裝在焊接車的尾部；

控制器對(duì)視覺導(dǎo)引頭、激光電弧復(fù)合焊接頭、電焊機(jī)、激光發(fā)生器、超聲波發(fā)生器、激光加熱頭、超聲波沖擊頭、熱成像儀和位移傳感器陣列進(jìn)行控制；在控制器中安裝有計(jì)算機(jī)，控制程序運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明能夠有效地降低焊接應(yīng)力，甚至在焊接區(qū)域的表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高了大型海工平臺(tái)抵抗海浪施加在平臺(tái)上的交變應(yīng)力的能力。

(2)本發(fā)明在正火時(shí)利用熱分布圖形技術(shù)有效地利用了焊接時(shí)的余熱，并消除了熱分布的不均勻性，提高了能量的利用率。

(3)本發(fā)明利用視覺導(dǎo)引技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，將焊接、正火去應(yīng)力和超聲去應(yīng)力等過程結(jié)合在一起，提高了焊接和去應(yīng)力的效率。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖2本發(fā)明焊接車結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3焊接熱成像插值示意圖；

圖4焊縫區(qū)域高度分布示意圖；

圖2中：1、視覺導(dǎo)引頭 2、待焊鋼板 3、焊縫 4、激光電弧復(fù)合焊接頭 5、磁力輪 6、車體 7、焊接控制器 8、電焊機(jī) 9、激光發(fā)生器 10、超聲波發(fā)生器 11、激光加熱頭 12、超聲波沖擊頭 13、熱成像儀 14、位移傳感器陣列；

圖3a是焊接溫度場(chǎng)圖；

圖3b是提取的輪廓；

圖3c是拆分的網(wǎng)格；

圖3d是圖3a中不同區(qū)域?qū)?yīng)的溫度顏色分量；

圖4中：1、焊縫 2、擬合的焊縫兩側(cè)的高度曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種超大型海工裝備低應(yīng)力無余量焊接方法和裝置，焊接時(shí)先對(duì)待焊鋼板點(diǎn)焊定位，然后在焊接引導(dǎo)頭的導(dǎo)引下進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊接。通過熱成像儀獲取焊縫區(qū)熱分布，得到正火參數(shù)，并對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行正火處理，以便減輕焊接應(yīng)力。去應(yīng)力 處理程序通過計(jì)算得到焊縫區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力分布，控制超聲波沖擊頭對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行去應(yīng)力沖擊。本發(fā)明能夠有效地降低焊接應(yīng)力、降低能耗和提高去應(yīng)力效率。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種超大型海工裝備低應(yīng)力無余量焊接方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：通過吊裝設(shè)備將需要焊接的鋼板拼接在一起；

步驟2：通過焊接裝置，按照一定的間隔進(jìn)行點(diǎn)焊，將需要焊接的鋼板進(jìn)行定位和固定；

步驟3：通過視覺導(dǎo)引頭得到焊接車前方焊縫處的軌跡信息；

步驟4：焊接控制系統(tǒng)將復(fù)合焊接頭運(yùn)動(dòng)到焊接位置；

步驟5：焊接控制系統(tǒng)設(shè)置焊接參數(shù)，并啟動(dòng)激光器和焊機(jī)電源，進(jìn)行焊接；

步驟6：安裝在焊接車尾部的熱成像儀獲取焊縫處的熱分布圖像；

步驟7：焊接控制系統(tǒng)中內(nèi)置的正火插值程序?qū)岱植紙D像進(jìn)行插值處理，得到加熱區(qū)域的坐標(biāo)、功率和加熱時(shí)間信息；

步驟8：焊接控制系統(tǒng)控制安裝在尾部的激光加熱頭移動(dòng)到需要加熱的區(qū)域；

步驟9：焊接控制系統(tǒng)打開光閘，將激光照射在需要加熱的區(qū)域，并保持所需時(shí)間；

步驟10：循環(huán)步驟4～9，直到需要焊接的區(qū)域全部焊接好為止；

步驟11：焊接車返回焊接起點(diǎn)，等待焊縫完全冷卻；

步驟12：焊縫完全冷卻后，視覺導(dǎo)引頭獲取焊接車前方的焊縫位置信息；

步驟13：焊接控制中的去應(yīng)力參數(shù)生成算法根據(jù)內(nèi)應(yīng)力分布算法得到焊縫周圍的內(nèi)應(yīng)力分布信息；

步驟14：去應(yīng)力參數(shù)生成算法在焊縫周圍產(chǎn)生位置坐標(biāo)、沖擊功率和沖擊次數(shù)信息；

步驟15：焊接控制系統(tǒng)將超聲波沖擊頭移動(dòng)到?jīng)_擊位置；

步驟16：焊接控制系統(tǒng)設(shè)置沖擊功率和沖擊次數(shù)信息，并發(fā)出控制命令；

步驟17：超聲波沖擊頭完成沖擊處理；

步驟18：重復(fù)步驟12～步驟17，直到整個(gè)焊接區(qū)域完成沖擊處理為止。

步驟7中，正火插值程序方法為：

步驟71：對(duì)熱成像儀獲取的彩色圖片按照預(yù)先設(shè)定的色彩范圍進(jìn)行區(qū)域分割處理；

步驟72：提取分割區(qū)域的外輪廓信息；

步驟73：對(duì)提取的輪廓信息利用二維網(wǎng)格進(jìn)行分割，網(wǎng)格長寬尺寸等于激光光斑的直徑；

步驟74：根據(jù)網(wǎng)格在圖像中的位置以及網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的色彩范圍和存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的材料特性數(shù)據(jù)庫，生成坐標(biāo)信息、激光功率和加熱時(shí)間；

步驟75：將生成的信息以數(shù)據(jù)包的形式，存放在控制系統(tǒng)緩存中。

步驟13中，去應(yīng)力參數(shù)生成計(jì)算流程為：

步驟131：控制系統(tǒng)通過安裝在焊接車上的位移傳感器陣列獲取焊縫兩側(cè)的高度信息；

步驟132：控制系統(tǒng)內(nèi)置的軟件通過高度信息進(jìn)行擬合插值處理，得到連續(xù)的高度曲線；

步驟133：根據(jù)高度曲線、焊接材料的特性和焊接平板尺寸信息，通過內(nèi)置的內(nèi)應(yīng)力分布算法得到焊縫兩側(cè)區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力分布數(shù)據(jù)；

步驟134：根據(jù)內(nèi)應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，生成去應(yīng)力參數(shù)，包括沖擊位置的坐標(biāo)、沖擊次數(shù)、沖擊功率。

本發(fā)明還提供了一種超大型海工裝備低應(yīng)力無余量焊接裝置，該裝置包括視覺導(dǎo)引頭1、待焊鋼板2、焊縫3、激光電弧復(fù)合焊接頭4、磁力輪5、車體6、控制器7、電焊機(jī)8、激光發(fā)生器9、超聲波發(fā)生器10、激光加熱頭11、超聲波沖擊頭12、熱成像儀13、位移傳感器陣列14；

車體6通過磁力輪5吸附在待焊鋼板2上，激光電弧復(fù)合焊接頭4和視覺導(dǎo)引頭1設(shè)置于車體6前部，激光電弧復(fù)合焊接頭4位于車體6上方，視覺導(dǎo)引頭1位于激光電弧復(fù)合焊接頭4上方，且與視覺導(dǎo)引頭1相對(duì)設(shè)置，激光電弧復(fù)合焊接頭4和視覺導(dǎo)引頭1通過固定板相連，該固定板一端與車體6相連；激光電弧復(fù)合焊接頭4下方是待焊鋼板之間的焊縫3；視覺導(dǎo)引頭1用于糾正焊接過程中的位置偏移；

控制器7、電焊機(jī)8、激光發(fā)生器9和超聲波發(fā)生器10分別單獨(dú)安裝在車體6上；激光加熱頭11、超聲波沖擊頭12和熱成像儀13分別安裝在焊接車的尾部；

控制器7對(duì)視覺導(dǎo)引頭1、激光電弧復(fù)合焊接頭4、電焊機(jī)8、激光發(fā)生器9、超聲波發(fā)生器10、激光加熱頭11、超聲波沖擊頭12、熱成像儀13和位移傳感器陣列14進(jìn)行控制；在控制器7中安裝有計(jì)算機(jī)，控制程序運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中。

在實(shí)施例中，首先通過吊裝設(shè)備將需要焊接的鋼板2拼接在一起，然后通過電焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊定位。定位后的鋼板在浮態(tài)制造時(shí)，就不會(huì)海浪的沖擊而錯(cuò)位。通過安裝在焊 接車前方的視覺導(dǎo)引頭1獲取焊縫3的軌跡信息。視覺導(dǎo)引頭的攝像頭安裝設(shè)定的時(shí)間間隔拍攝焊接車前方的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，本發(fā)明采用4*4的矩陣進(jìn)行中值濾波。然后對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，得到二值圖像，二值化時(shí)采用如下的公式：

式中，x，y為像素點(diǎn)坐標(biāo)，f(x，y)為x，y處的顏色值。t為閾值，該值需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的鋼板顏色進(jìn)行設(shè)定。

求輪廓時(shí)對(duì)任意一個(gè)像素周圍的四個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行運(yùn)算，如果為1，則將其灰度值設(shè)置為0。然后對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行直線擬合，得到焊縫的位置。得到焊縫位置后，將焊接頭的位置與焊縫位置進(jìn)行比較，得到偏差值。焊接控制系統(tǒng)7發(fā)出信號(hào)，將激光電弧復(fù)合焊接頭4運(yùn)動(dòng)到與焊縫對(duì)齊。焊接控制系統(tǒng)7設(shè)置焊接參數(shù)，并啟動(dòng)激光器和焊機(jī)電源，進(jìn)行焊接；

在焊接過程中，同時(shí)進(jìn)行焊接正火處理。為了有效的利用焊接預(yù)熱以及提高正火加熱的熱均勻性，本發(fā)明使用安裝在焊接車尾部的獲取焊縫處的熱分布圖像，然后根據(jù)熱分布圖的熱量分布決定在不同的位置的加熱參數(shù)，加熱參數(shù)包括：加熱功率、加熱時(shí)間和加熱區(qū)域的坐標(biāo)，該過程是由正火插值程序完成的。工作示意圖如圖3所示，首先對(duì)熱成像儀獲取的彩色圖片按照預(yù)先設(shè)定的色彩范圍進(jìn)行區(qū)域分割處理，分割時(shí)使用如下的多值化算法：

圖像經(jīng)過多值化處理后，已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為只有5種色彩圖片，每一種色彩對(duì)應(yīng)不同的溫度，然后使用求輪廓算法得到外輪廓信息。如果要使加熱跟均勻，可以使用更多的分割區(qū)域。

在整個(gè)輪廓區(qū)域生成二維網(wǎng)格，網(wǎng)格的尺寸等于激光光斑的直徑。然后判斷每一小格位于哪一個(gè)輪廓內(nèi)，在判斷時(shí)為了提高搜索的速度，首先求分割區(qū)域的包圍盒，并建立RTree索引，判斷時(shí)先快速的判斷小格位于哪一個(gè)包圍盒，然后再使用“點(diǎn)在多邊形”的掃描線算法，得到小格位于得的分割區(qū)域，然后根據(jù)分割區(qū)域?qū)?yīng)的信息，得到該小 格的加熱溫度。將網(wǎng)格的坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)的色彩范圍存在控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。然后焊接控制系統(tǒng)控制安裝在尾部的激光加熱頭移動(dòng)到需要加熱的區(qū)域，打開光閘，將激光照射在需要加熱的區(qū)域，并保持所需時(shí)間。重復(fù)上述過程，直到全部焊好為止。焊接完畢后，焊接車返回焊接起點(diǎn)，等待焊縫完全冷卻。

焊縫完全冷卻后，進(jìn)行超聲波沖擊去應(yīng)力處理。首先視覺導(dǎo)引頭獲取去焊接車前方的焊縫位置信息，然后去應(yīng)力車沿著焊縫運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)安裝在去應(yīng)力車上的位移陣列傳感器14對(duì)焊縫兩側(cè)的高度進(jìn)行測(cè)量，由于位移傳感器測(cè)量是點(diǎn)位信息，要得到連續(xù)的形貌，需要對(duì)測(cè)量后的點(diǎn)進(jìn)行插值處理，得到連續(xù)的曲線，如圖4所示。焊接控制器7中的去應(yīng)力參數(shù)生成算法根據(jù)內(nèi)應(yīng)力分布算法得到焊縫周圍的內(nèi)應(yīng)力分布信息，并生成位置坐標(biāo)、沖擊功率和沖擊次數(shù)信息；然后焊接控制器7發(fā)送信號(hào)將超聲波沖擊頭移動(dòng)到?jīng)_擊位置，并設(shè)置沖擊功率和沖擊次數(shù)信息，并發(fā)出控制命令，超聲波沖擊頭完成沖擊處理。重復(fù)上述過程，直到整個(gè)焊接區(qū)域完成沖擊處理。