[发明专利]一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于海工装备领域，具体涉及到一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置。

背景技术

由于世界各国对能源的依赖度越来越高，因此海底蕴藏的丰富油、气资源已成为各国主要的开采目标，并逐渐向深海水域发展。海工平台是各种海上移动式或固定式油气钻采平台的总称，是海洋石油和天然气开采领域的关键重型钢结构，承载着海洋油、气资源开发所需的总质量达数百万吨的各种设备。随着开采水域的加深，海工平台承受的海洋环境更为恶劣，其钢结构日趋大型化和专业化，更加严格的焊接质量要求成为保证平台安全生产的关键因素。

焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。

消除焊接应力的方法有自然时效、热时效、振动时效、TIG重熔和锤击工艺、振动焊接、超声冲击、爆炸法等技术。焊后正火属于热时效的一种，是将焊接的工件加热到临界温度以上，然后在空气中冷却下来的过程称为正火。正火的目的是要消除焊接时材料内部产生的热应力，消除焊接材料产生裂纹的可能性。正火热源有火焰加热、感应加热、激光加热等方法，这几种加热方法均存在受热不均匀的缺点。虽然正火能够降低焊接应力，但是也存在一些缺点。据论文《火焰正火对钢轨焊接接头金相组织及力学性能的影响》(铁道工程学报，2002年04期)报道，正火处理会使焊缝的屈服强度下降，降低了焊缝抗疲劳性能。使用超声冲击可以改善由于正火导致的屈服强度下降的问题。 超声冲击可以在焊缝的周围产生残余压应力，残余压应力的存在可以提高焊缝的力学性能。如果对焊缝周边区域进行面冲击，而不是对需要冲击的区域进行冲击，则冲击效率比较低，且能耗大。

发明内容

因此本发明针对激光加热不均匀以及面超声冲击效率低、能耗大等问题，提供了一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法和装置，用以对海工普通焊接过程和去应力过程进行定量控制。本发明能够有效地降低焊接过程中产生的焊接应力；提高超声冲击的效率和降低去应力的能耗。

本发明的方法技术方案如下：一种超大型海工装备低应力无余量焊接方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：通过吊装设备将需要焊接的钢板拼接在一起；

步骤2：通过焊接装置，按照一定的间隔进行点焊，将需要焊接的钢板进行定位和固定；

步骤3：通过视觉导引头得到焊接车前方焊缝处的轨迹信息；

步骤4：焊接控制系统将复合焊接头运动到焊接位置；

步骤5：焊接控制系统设置焊接参数，并启动激光器和焊机电源，进行焊接；

步骤6：安装在焊接车尾部的热成像仪获取焊缝处的热分布图像；

步骤7：焊接控制系统中内置的正火插值程序对热分布图像进行插值处理，得到加热区域的坐标、功率和加热时间信息；

步骤8：焊接控制系统控制安装在尾部的激光加热头移动到需要加热的区域；

步骤9：焊接控制系统打开光闸，将激光照射在需要加热的区域，并保持所需时间；

步骤10：循环步骤4～9，直到需要焊接的区域全部焊接好为止；

步骤11：焊接车返回焊接起点，等待焊缝完全冷却；

步骤12：焊缝完全冷却后，视觉导引头获取焊接车前方的焊缝位置信息；

步骤13：焊接控制中的去应力参数生成算法根据内应力分布算法得到焊缝周围的内应力分布信息；

步骤14：去应力参数生成算法在焊缝周围产生位置坐标、冲击功率和冲击次数信息；

步骤15：焊接控制系统将超声波冲击头移动到冲击位置；

步骤16：焊接控制系统设置冲击功率和冲击次数信息，并发出控制命令；

步骤17：超声波冲击头完成冲击处理；

步骤18：重复步骤12～步骤17，直到整个焊接区域完成冲击处理为止。

优选的，步骤7中，正火插值程序方法为：

步骤71：对热成像仪获取的彩色图片按照预先设定的色彩范围进行区域分割处理；

步骤72：提取分割区域的外轮廓信息；

步骤73：对提取的轮廓信息利用二维网格进行分割，网格长宽尺寸等于激光光斑的直径；