螺旋埋弧焊管焊縫形狀的計算機控制

高 鋒，王高峰，高 聰

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065)

螺旋埋弧焊管焊縫形狀的計算機控制

高 鋒1，王高峰2，高 聰1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065)

為進一步改進埋弧焊焊縫形狀及提高焊接質量，分析了影響埋弧焊焊縫形狀控制的五個工藝措施，建立了焊縫形狀曲線的數(shù)學模型，利用VB語言編制描述焊縫形狀的模塊，對焊縫形狀分段描述并得到描述的擬合方程，再建立焊縫形狀評價系統(tǒng)，對擬合效果及焊縫形狀進行評價，最后利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，進行焊接參數(shù)優(yōu)化，選出最合理、最理想的焊接方案，最終實現(xiàn)焊縫形狀的改進和焊接質量的提高。焊縫形狀控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和專家系統(tǒng)還可用于現(xiàn)場埋弧焊焊接工藝的優(yōu)化。

焊接；焊縫形狀；焊接工藝參數(shù)；最小二乘法；擬合曲線

0 前 言

螺旋埋弧焊管是用厚度6～16mm熱軋鋼帶，在專用成型機上卷曲成型，并在卷曲過程中進行焊接而成的，整個生產過程是連續(xù)的，被焊接的鋼管既前進又旋轉。先進行鋼管內部焊縫焊接，然后再進行鋼管外部焊縫焊接，內外兩個焊頭相距半個或一個半螺距。由于螺旋埋弧焊管具有許多特點和優(yōu)點，在工業(yè)生產上得到了廣泛應用[1]。但在實際生產中，對于焊縫形狀的描述沒有一個標準，而且大多數(shù)研究都是從影響焊縫形狀的各種因素入手，找出影響焊縫形狀的幾個關鍵因素，利用正交試驗方法，探討、確定、回歸各關鍵工藝參數(shù)與焊縫形狀描述參數(shù)，但是往往由于試驗條件和實際生產線條件相差太遠而得不到切合實際的標準的焊縫形狀描述參數(shù)[2]。因此試驗結果在工業(yè)生產上的應用效果不太理想。

本研究通過建立一套螺旋埋弧焊管焊縫形狀計算機控制系統(tǒng)軟件，可以對實際焊縫進行描述并記錄相關工藝參數(shù)以及圖形，在眾多焊縫試樣中尋找出較理想的焊縫形狀，并在此基礎上對相關參數(shù)進行優(yōu)化，得出更完美的焊接工藝組合，為在線螺旋埋弧焊管的生產提供幫助。

1 控制焊縫形狀的工藝措施

1.1 焊接材料

螺旋埋弧焊管所用焊絲、焊劑對焊縫形狀具有較大的影響，其中以焊劑影響最大。它從化學冶金和熔渣的物理性質兩個方面影響著焊縫形狀和內部質量。為了保證焊道成型良好，所使用的焊劑必須有優(yōu)良的工藝性能，與母材過渡平緩，又有較好的穩(wěn)弧性能，可降低表面張力，增強抗氣孔能力，且渣殼容易脫落，表面光滑，冶金性能良好[3]。

1.2 焊接規(guī)范

確定焊接規(guī)范的主要目的是找出焊接電流、焊接電壓和焊接速度的合理匹配，這3個工藝參數(shù)對焊縫形狀的影響最直接，最有效。

1.3 焊接工藝因素

焊接工藝因素包括焊絲傾角(前傾、后傾)、工件斜度(上坡、下坡)、焊絲伸出長度和多絲焊時兩兩焊絲間的距離等，這些參數(shù)都會對焊縫形狀參數(shù)(如熔深、熔寬、余高及咬邊量等)產生影響[4]。

1.4 焊接結構因素

焊接結構因素主要包括接頭形式和坡口尺寸。在其他因素不變的情況下，增加坡口的深度和寬度對降低焊縫高度有顯著效果，在生產線上對坡口進行適當微調，對保證較小的余高及合理的熔合比具有重要意義[5]。

1.5 其他因素

焊接網(wǎng)絡電壓及焊接周圍磁場的變化等對焊縫形狀也有一定影響，可以采用相關措施對其進行控制。

2 焊縫形狀的計算機控制

以生產和科研實踐為基礎，以計算機數(shù)值模擬、圖像處理、數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)等技術為手段，以焊接工藝參數(shù)[6-7]的優(yōu)化為目的，實現(xiàn)埋弧螺旋焊管的焊縫形狀的全方位、多參數(shù)的描述與評價，進而建立焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化及嚴格的工藝控制系統(tǒng)。

2.1 螺旋埋弧焊管焊縫形狀的描述

2.1.1 建立數(shù)學模型

比較理想的焊縫形狀，采用標準曲線來描述可以方便地得到其焊接規(guī)律，并可對以后進行焊縫分析提供依據(jù)。

對于焊縫熔深處可采用分段曲線來描述。因為在最大熔深處的鄰域邊界范圍內焊縫的形狀用拋物線來描述最為恰當，這同在較遠處用雙曲線來描述一樣，都是利用最小二乘法[8]得出的，所以用此兩種線型來描述誤差最小，擬合效果最好。對于焊接不太規(guī)范的焊縫，可以采用多種線型來描述，例如：對數(shù)曲線、橢圓曲線等。

拋物線型在焊縫截面形狀描述中使用最為普遍，因為直觀看上去焊縫截面形狀中余高部分、熔深部分都非常接近拋物線。本研究以拋物線型為例進行最小二乘法擬合。

在這里，將拋物線方程y=ax2+bx+c中的變量、參數(shù)逐一替換，令

則拋物線方程可化為

由此可得出拋物線的回歸方程為

對于其他曲線，都可以通過換元、一元線性回歸和二元線性回歸得到其擬合方程，在這里就不再贅述。

2.1.2 程序編制及焊縫形狀描述

由于VB語言簡單明了，且使用較為廣泛，因此利用VB進行編程[9-15]。在VB中建立圖1所示的焊縫形狀描述界面。之后對界面中各功能按鈕、列表框及文本框進行編程，實現(xiàn)各控件的內部關聯(lián)。

圖1 焊縫形狀描述界面

通過此軟件調入焊縫實物照片，利用“打點”功能選擇焊縫融合線合適部位進行打點，之后選擇最佳的線型 (拋物線、雙曲線或橢圓等)進行描述，然后對剩下的焊縫融合線依次分段進行描述，最后對描述后的焊縫進行擬合。

對擬合效果的分析可以兩部分來討論：①直觀效果，即用肉眼可以直觀地觀察出來，例如觀察打出來的n個點的走向呈拋物線型，但操作者卻選擇了對數(shù)曲線，當將曲線描繪出來時就會發(fā)現(xiàn)相差太遠，所選線型不合適，需重新選擇；另一種情況就是所選線型合適，但卻觀察到在兩個曲線的連接處產生了跳躍，這是由于曲線描述的長度范圍選擇不恰當，所以需重新選擇范圍。②非直觀效果，即用肉眼觀察不出缺陷時，就要用概率中的線性回歸方法來檢驗，并得到相關系數(shù)σ，一種線型得到一個σ，當嘗試了幾種線型后就可得到幾個σ值，然后從中選擇一個σ值最小的線型，此即“最接近n個點的曲線”。

由此便描繪出了最佳的焊縫截面實際形狀(如圖2所示)，再對其進行質量參數(shù)測量，質量參數(shù)主要包括熔深、熔寬、余高、熔合量、內焊中凹、外焊中凸、側面角和中心偏移量等以及熔寬比、熔深比和余高比等，這些都是需要評價的內容。

圖2 焊縫形狀評價界面

根據(jù)這些焊縫形狀參數(shù)以及在工程中的相關經(jīng)驗，找出最佳焊縫形狀及其組合曲線方程，再以此為標準制定指標。例如對于余高，可以認為將其控制在1.5～2mm是較理想的，對于一次焊的熔深比，將其控制在60％以上，焊縫的熔寬比控制在1～1.1等等。把焊縫形狀量化，并嚴格地控制，從而得到理想的焊縫形狀。

2.2 建立焊縫形狀與工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫

簡單地說，數(shù)據(jù)庫是一個特定的包含大量信息的數(shù)據(jù)集合，其結構設計便于查找需要的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)庫文件包含關于文件結構的信息和數(shù)據(jù)查找的索引信息，可以將管道焊接的基本情況逐級分類。

首先將焊接基本情況分為：管徑、壁厚、材質和其他因素等。然后根據(jù)基本情況再確定其工藝參數(shù)，包括焊接材料、工藝因素、結構因素、焊接規(guī)范和其他情況等，將這些參數(shù)進行統(tǒng)計、記錄，并采集相關參數(shù)，再用動態(tài)集從多個表提取和更新相關數(shù)據(jù)，再設計相關的算法，得到焊縫形狀的質量參數(shù)，如熔深、熔寬、余高、熔合量、內焊中凹、外焊中凸、側面角等。

至此，就可以得到一系列完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，當遇到一個參數(shù)時，只要找到其相關類型并進行查詢就可以了。

2.3 建立焊縫形狀專家系統(tǒng)

建立埋弧螺旋焊管焊縫形狀專家系統(tǒng)的第一步工作就是研究、分析數(shù)據(jù)庫搜集起來的所有重要參數(shù)。需要整理出在相同條件下得出的焊縫截面形狀圖形，將其進行相關原理的回歸性分析，然后取出處于正態(tài)分布區(qū)的圖形數(shù)據(jù)，將其列表進行相關的參數(shù)分析，找出在一定條件下焊縫主導影響因素并作相關紀錄。

然后再采用步進式方法將焊接參數(shù)逐一改變來進行研究，找出焊縫形狀變化的趨勢與規(guī)律，并作相關記錄。之后采用相關的數(shù)值處理法、圖表法來進行評價、分析，得出比較理想的焊縫參數(shù)組合并記錄下來，進行優(yōu)化，同時由于焊接參數(shù)與焊縫的成形之間是強耦合關系，焊縫的成形過程將變得非常復雜，可以通過焊縫形狀預測系統(tǒng)來改善焊縫的質量并預測焊縫的成形。

總之，數(shù)據(jù)庫的建立、實測數(shù)據(jù)的分析、參數(shù)的優(yōu)化以及模擬試驗為專家系統(tǒng)指導實踐提供了可靠的保證。專家系統(tǒng)可以在最短的時間內根據(jù)現(xiàn)有的焊接條件找出最有效的若干個焊接實施方案，并且對于每一個實施方案能夠建立專家評分系統(tǒng)，將其按照可行性進行方案的排隊，正確選擇工藝參數(shù)，最終選出最合理、最理想的焊接方案。

3 結 語

本研究通過對焊縫形狀的分析，提出了采用曲線擬合方程對焊縫形狀進行描述和記錄，再結合焊接材料、焊接規(guī)范、焊接工藝因素、焊接結構因素等對焊縫質量進行分析，再做一系列的科學試驗，在生產上進行步進式調整，然后進行精確的計算機技術的描述評價、分析對比以及優(yōu)化預測等，建立一套詳細、完整的數(shù)據(jù)庫，把研究成果與計算機有效管理緊密結合起來，最終實現(xiàn)焊縫形狀的改進和焊接質量的提高。

埋弧焊焊縫形狀控制系統(tǒng)可以從技術管理和技術改造兩個渠道解決焊縫形狀問題，能夠更好地對焊縫形狀進行描述、評測與控制。焊縫形狀控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)，有利于對工業(yè)性試驗以及新工藝、新材料的應用作出客觀評價；有利于嚴格的焊接工藝管理、焊縫質量的考核和生產工藝參數(shù)的穩(wěn)定；有利于減少在生產線上因工藝參數(shù)的調整給生產帶來的損失，降低試驗研究成本。

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Computer Control of Weld Shape for Helical Submerged-arc Welding(SAW)Pipe

GAO Feng1，WANG Gaofeng2，GAO Cong1
(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.，Tianjin 300452,China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710065,China)

In order to further improve the weld shape of SAWH pipe and welding quality,it analyzed 5 process measures affecting SAWH pipe weld shape control in this article,and set up mathematical model of the weld shape curve.It used VB language to establish the module of the description of the welded joint shape,described weld shape subsection,obtained the fitted equation,and set up weld shape evaluation system.It utilized database system and expert system to optimize welding parameter,and select the most reasonable and the most ideal welding scheme,finally realized the weld shape improvement and welding quality enhancement.The database system of weld shape control and expert system can also be used for on-site submerged arc welding process optimization.

welding；weld shape；welding process parameters；least squares method；fitted curve

TE973

B

1001-3938(2015)03-0057-04

高鋒(1983—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事油氣處理設施的設計技術研究工作。

2014-10-21

黃蔚莉