单极脉冲焊接质量控制和检验制造技术

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。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
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。本专利技术一般与焊接领域和焊接设备有关。更具体地说，本专利技术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。本专利技术证明，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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术人已经发现，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。本专利技术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，在本专利技术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，本专利技术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。本专利技术设想，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，本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：米切尔·W·哈维勒，威廉姆·F·威尔顿，
申请(专利权)人：德克萨斯州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：