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(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065)

螺旋埋弧焊管焊縫形狀的計(jì)算機(jī)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(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065)

為進(jìn)一步改進(jìn)埋弧焊焊縫形狀及提高焊接質(zhì)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(xué)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(jià)系統(tǒng)，對擬合效果及焊縫形狀進(jìn)行評價(jià)，最后利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)焊縫形狀的改進(jìn)和焊接質(zhì)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(jī)上卷曲成型，并在卷曲過程中進(jìn)行焊接而成的，整個生產(chǎn)過程是連續(xù)的，被焊接的鋼管既前進(jìn)又旋轉(zhuǎn)。先進(jìn)行鋼管內(nèi)部焊縫焊接，然后再進(jìn)行鋼管外部焊縫焊接，內(nèi)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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，對于焊縫形狀的描述沒有一個標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)鍵因素，利用正交試驗(yàn)方法，探討、確定、回歸各關(guān)鍵工藝參數(shù)與焊縫形狀描述參數(shù)，但是往往由于試驗(yàn)條件和實(shí)際生產(chǎn)線條件相差太遠(yuǎn)而得不到切合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)的焊縫形狀描述參數(shù)[2]。因此試驗(yàn)結(jié)果在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件，可以對實(shí)際焊縫進(jìn)行描述并記錄相關(guān)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(chǔ)上對相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(chǎn)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(xué)冶金和熔渣的物理性質(zhì)兩個方面影響著焊縫形狀和內(nèi)部質(zhì)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(qiáng)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(chǎn)生影響[4]。

1.4 焊接結(jié)構(gòu)因素

焊接結(jié)構(gòu)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(chǎn)線上對坡口進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，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(luò)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(guān)措施對其進(jìn)行控制。

2 焊縫形狀的計(jì)算機(jī)控制

以生產(chǎn)和科研實(shí)踐為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、圖像處理、數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)等技術(shù)為手段，以焊接工藝參數(shù)[6-7]的優(yōu)化為目的，實(shí)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(jià)，進(jìn)而建立焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化及嚴(yán)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(xué)模型

比較理想的焊縫形狀，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線來描述可以方便地得到其焊接規(guī)律，并可對以后進(jìn)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?yàn)樵谧畲笕凵钐幍泥徲蜻吔绶秶鷥?nèi)焊縫的形狀用拋物線來描述最為恰當(dāng)，這同在較遠(yuǎn)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?yàn)橹庇^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(jìn)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(jìn)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(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)各控件的內(nèi)部關(guān)聯(lián)。

圖1 焊縫形狀描述界面

通過此軟件調(diào)入焊縫實(shí)物照片，利用“打點(diǎn)”功能選擇焊縫融合線合適部位進(jìn)行打點(diǎn)，之后選擇最佳的線型 (拋物線、雙曲線或橢圓等)進(jìn)行描述，然后對剩下的焊縫融合線依次分段進(jìn)行描述，最后對描述后的焊縫進(jìn)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(diǎn)的走向呈拋物線型，但操作者卻選擇了對數(shù)曲線，當(dāng)將曲線描繪出來時就會發(fā)現(xiàn)相差太遠(yuǎn)，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(chǎn)生了跳躍，這是由于曲線描述的長度范圍選擇不恰當(dāng)，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(yàn)，并得到相關(guān)系數(shù)σ，一種線型得到一個σ，當(dāng)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(diǎn)的曲線”。

由此便描繪出了最佳的焊縫截面實(shí)際形狀(如圖2所示)，再對其進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)測量，質(zhì)量參數(shù)主要包括熔深、熔寬、余高、熔合量、內(nèi)焊中凹、外焊中凸、側(cè)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(jià)的內(nèi)容。

圖2 焊縫形狀評價(jià)界面

根據(jù)這些焊縫形狀參數(shù)以及在工程中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，找出最佳焊縫形狀及其組合曲線方程，再以此為標(biāo)準(zhǔn)制定指標(biāo)。例如對于余高，可以認(rèn)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(yán)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于查找需要的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)庫文件包含關(guān)于文件結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)因素、焊接規(guī)范和其他情況等，將這些參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、記錄，并采集相關(guān)參數(shù)，再用動態(tài)集從多個表提取和更新相關(guān)數(shù)據(jù)，再設(shè)計(jì)相關(guān)的算法，得到焊縫形狀的質(zhì)量參數(shù)，如熔深、熔寬、余高、熔合量、內(nèi)焊中凹、外焊中凸、側(cè)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(dāng)遇到一個參數(shù)時，只要找到其相關(guān)類型并進(jìn)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(jìn)行相關(guān)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(jìn)行相關(guān)的參數(shù)分析，找出在一定條件下焊縫主導(dǎo)影響因素并作相關(guān)紀(jì)錄。

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

總之，數(shù)據(jù)庫的建立、實(shí)測數(shù)據(jù)的分析、參數(shù)的優(yōu)化以及模擬試驗(yàn)為專家系統(tǒng)指導(dǎo)實(shí)踐提供了可靠的保證。專家系統(tǒng)可以在最短的時間內(nèi)根據(jù)現(xiàn)有的焊接條件找出最有效的若干個焊接實(shí)施方案，并且對于每一個實(shí)施方案能夠建立專家評分系統(tǒng)，將其按照可行性進(jìn)行方案的排隊(duì)，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(jié) 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(jìn)行描述和記錄，再結(jié)合焊接材料、焊接規(guī)范、焊接工藝因素、焊接結(jié)構(gòu)因素等對焊縫質(zhì)量進(jìn)行分析，再做一系列的科學(xué)試驗(yàn)，在生產(chǎn)上進(jìn)行步進(jìn)式調(diào)整，然后進(jìn)行精確的計(jì)算機(jī)技術(shù)的描述評價(jià)、分析對比以及優(yōu)化預(yù)測等，建立一套詳細(xì)、完整的數(shù)據(jù)庫，把研究成果與計(jì)算機(jī)有效管理緊密結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)焊縫形狀的改進(jìn)和焊接質(zhì)量的提高。

埋弧焊焊縫形狀控制系統(tǒng)可以從技術(shù)管理和技術(shù)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(jìn)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(yàn)以及新工藝、新材料的應(yīng)用作出客觀評價(jià)；有利于嚴(yán)格的焊接工藝管理、焊縫質(zhì)量的考核和生產(chǎn)工藝參數(shù)的穩(wěn)定；有利于減少在生產(chǎn)線上因工藝參數(shù)的調(diào)整給生產(chǎn)帶來的損失，降低試驗(yàn)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(shè)施的設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作。

2014-10-21

黃蔚莉