[发明专利]单极脉冲焊接质量控制和检验

说明书

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。

本发明一般与焊接领域和焊接设备有关。更具体地说，本发明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。

本发明证明，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。本发明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，本发明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。

本发明人已经发现，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。本发明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，在本发明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。