（化工过程机械专业论文）高频焊管焊接温度监控系统及其影响因素分析.pdf

h i 曲- f r e q u e n c yw e l d e dp i p et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m a n d a n a l y s i so fi n f l u e n c i n gf a c t o r s b y x ud e h u a i b e ( y a ns h a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i e e r i n g c h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh es h i q u a n m a y , 2 0 1 1 硕士学位论文 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名。橛续、怀 日期：肿r 月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 秤穗晰日期：叫年t 月岁口日 日，1 年厂月知日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 】 i 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 国内外发展现状。2 1 3 课题的来源和研究思路6 1 3 1 课题来源6 1 3 2 研究思路6 1 4 本章小结7 第2 章高频焊管基础研究8 2 1 焊管高频焊接原理8 2 2 1 高频焊接的基本原理8 2 2 2 高频焊接设备的结构和工作原理9 2 2 3 高频焊接质量控制的要点1 1 2 3 高频焊管的生产工艺1 1 2 3 1 生产工艺流程。1 l 2 3 2 高频焊接工艺参数1 4 2 4 高频焊接的方法1 6 2 5 高频焊接过程18 2 5 高频焊接的优缺点1 9 2 5 1 优点1 9 2 5 2 缺点1 9 2 6 本章小结19 第3 章红外测温技术原理2 1 3 1 红外测温技术的工作原理2 1 3 1 1 黑体辐射定律一2 1 3 1 2 物体的辐射率对温度的影响2 3 3 2 红外测温仪的基本理论2 4 高频焊管温度监控系统及其影响因素分析 3 2 1 比色测温仪的基本原理2 4 3 2 2 红外测温仪的性能2 6 3 2 3 红外测温仪正确选择2 6 3 2 4 红外测温仪的基本组成2 8 3 2 5 红外测温的主要优点2 9 3 3 使用红外测温仪应该注意的问题3 0 3 4 仪器的维护。3 0 3 5 本章小结3 1 第4 章高频焊管温度监控系统的设计3 2 4 1 问题的提出。3 2 4 2l a b v i e w 简述_ 3 3 4 3 红外测温仪的选型3 4 4 4 高频焊管温度监测系统的设计3 5 4 4 1 高频焊管温度采集系统总体结构3 6 4 4 2 虚拟仪器软件结构v i s a 3 6 4 4 3 监测程序的的编写。3 7 4 5 高频焊管温度监控系统的设计4 0 4 5 1p i d 控制简介4 1 4 5 2 高频焊管温度监控系统结构和方法。4 1 4 5 3 高频焊管温度监控系统程序的编写一4 2 4 6 本章小结4 3 第五章系统应用及影响因素分析4 3 5 1 工况环境介绍4 5 5 2 系统应用及影响因素分析4 5 5 3 本章小结5l 结论与展望一5 2 结论5 ：! 展望5 2 参考文献。5 4 致谢5 8 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文。5 9 硕士学位论文 摘要 随着我国经济建设的高速增长石油和天然气等能源开发，特别是以 西气东输工程为标志的天然气管网建设，对油气输送钢管的需求达到了 前所未有的高峰。旺盛的需求使我国焊接钢管制造业，特别是直缝高频 电阻焊接钢管，都得到了空前的发展，大大促进了我国焊管企业大规模 的装备技术改造，推动了我国管线钢和焊接钢管生产技术的发展，西气 东输国产化大口径焊接钢管的实物质量已达到国际先进水平。我国焊接 钢管的生产能力、制造技术和装备水平得到了极大的提高。 高频焊焊接温度是焊管生产的重要工艺参数，直接关系到焊接过程 是否能正常建立，并直接影响到焊缝质量。在传统的高频焊接过程中， 焊接温度是仅凭操作工人的观察和人工调节高频电源输出功率或焊接速 度来实现的，因此焊管的质量得不到保证。 在高频焊管生产过程中对焊接温度进行实时监控，对提高焊接质量 有重大的意义。为了获得更好的焊管质量，维持稳定的温度是重要的方 法之一。以比色测温仪为传感器结合l a b v i e w 软件编写高频焊管温度监 控系统，能够有效的检测和控制温度并使温度稳定在4 - 3 0 范围内。重点 对监控得到的4 种结果进行分析，得出影响高频焊管温度监控系统的2 大类因素，国产机组需要改进和软件参数的确定。 文中还总结了高频焊管和红外测温的国内外发展现状，高频焊管的基 本理论分析，红外测温仪的理论基础和基本原理，以及影响红外测温仪 正常测温的各种因素，并在实验的基础上，对所采集到的焊接温度进行 分析研究，影响高频焊管温度监控系统的因素，并提出改进建议。给出 了影响高频焊管焊接质量的几个方面的因素。 关键词：比色测温仪；高频焊管；监控系统；影响因素 高频焊管温度监控系统及其影响因素分析 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fc h i n a se c o n o m i cc o n s t r u c t i o no fo i la n dn a t u i mg a s ，e n e r g y d e v e l o p m e n t , e s p e c i a l l yn a t u r a lg a sp r o j e c ta sas y m b o lo ft h en a t u r a lg a sp i p e l i n en e 咖r ! k c o n s t r u c t i o n , t h ed e m a n df o ro i la n dg a st r a n s m i s s i o np i p eh a sr e a c h e du n p r e c e d e n t e dh e i g h t s s t r o n gd e m a n df o rt h em a n u f a c t u r i n go fw e l d e ds t e e l ，e s p e c i a l l yh i g h - f r e q u e n c yr e s i s t a n c e s t r a i g h ts e a mw e l d e ds t e e lp i p e ，h a v eb e e na nu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t , c o n t r i b u t e dg r e a t l y t oc h i n a sk g e s c a l ee q u i p m e n t , p i p eb u s i n e s st r a n s f o r m a t i o n , p r o m o t e dt h ep r o d u c t i o no f s t e e la n dw e l d e ds t e e lt e c h n o l o g y ，n a t u r a lg a sl a r g ed i a m e t e rw e l d e ds t e e lp i p em a d eo ft h e p h y s i c a lq u a l i t yh a sr e a c h e di n t e r n a t i o n a la d v a l l c e dl e v e l w e l d e ds t e e lp i p ep r o d u c t i o n c a p a c i t yi nc h i n a , m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n th a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d w e l d i n gt e m p e r a t u r eo fh i g h - f r e q u e n c yw e l d i n gp i p ei sa ni m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ， t h ew e l d i n gp r o c e s si sd i r e c t l yr e l a t e dt ow h e t h e rt h en o r m a lb u i l d , a n dd i r e c t l ya f f e c tt h e w e l dq u a l i t y i nt r a d i t i o n a lh i g h - f r e q u e n c yw e l d i n gp r o c e s s ，w e l d i n gt e m p e r a t u r ei so b s e r v e d o n l yb yt h eo p e r a t o ra n dt h em a n u a la d j u s t m e n to f w o r k e r sh i g h - f r e q u e n c yp o w e ro u t p u tt o a c h i e v ep o w e ro rw e l d i n gs p e e d , a n dt h e r e f o r ec a nn o tb eg u a r a n t e e dt h eq u a l i t yo f p i p e i nt h eh i g h - f r e q u e n c yw e l d i n gp i p ep r o d u c t i o np r o c e s sf o rr e a l - t i m em o n i t o r i n gt h e t e m p e r a t u r e ，t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fw e l d i n gh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i no r d e rt oo b t a i nb e t t e r w e l d e dp i p eq u a l i t y , i ti so n eo ft h em e t h o d st h a tm a i n t a i nas t a b l et e m p e r a t u r e i ti sa h i g h - f r e q u e n c yw e l d e dp i p et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m t h a tc o m b i n a t e db yt h e c o l o r i m e t r i cp y r o m e t e rf o rs e n s o ra n dt h el a b v i e ws o r w a r e ，a n di tc a ne f f e c t i v e l yd e t e c t a n dc o n t r o lt e m p e r a t u r ea n ds t a b i l i z et h et e m p e r a t u r ew i t h i n4 - 3 0 f o c u s e d0 1 1t h e4 m o n i t o r i n gr e s u l t s ，i t c a no b t a i n 2c a t e g o r i e sf a c t o r sa f f e c t i n gw e l d e dp i p et e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gs y s t e m , o n en e e d i n gi m p r o v et h ed o m e s t i cu n i t s ，a n o t h e rd e t e r m i n i n gt h es o f t w a r e p a r a m e t e r s t h ep a p e ra l s os u m m a r i z e st h eh i g h - f r e q u e n c yw e l d e dp i p ea n dt h ed e v e l o p m e n to f i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta th o m ea n da b r o a d , t h eb a s i ct h e o r yo fh i 曲一f r e q u e n c y w e l d e dp i p e ，i n f r a r e dt h e r m o m e t e ra n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h et h e o r e t i c a lb a s i s ，a sw e l la s t h en o r m a lt e m p e r a t u r eo ft h ev a r i o u si n f r a r e dt h e r m o m e t e rf a c t o r sa f f e c t i n gt h eb _ i g h - f r e q u e n c yw e l d e dp i p ew e l dg i v e nt h eq u a l i t y o fs e v e r a lf a c t o r s o nt h eb a s i so ft h e e x p e r i m e n t , c o l l e c t e df o rt h ea n a l y s i so f t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n c y w e l d e dp i p e t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ef a c t o r s ，a n ds u g g e s ti m p r o v e m e n t sr e c o m m e n d a t i o n s k e yw o r d s ：t h ec o l o r i m e t r i cp y r o m e t e r ；h i g h - f r e q u e n c yw e l d e dp i p e ；c o n t r o ls y s t e m ； i n f l u e n c i n gf a c t o r s n 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 自上世纪5 0 年代高频焊接技术开始应用于焊管生产以来，由于它有 着厚度均匀的管壁、光洁的表面和强度较高的焊缝，以及高效率、高质 量、低成本等优点，在建筑、石油化工、汽车、军事等领域迅速得到广 泛的应用。可以说在民用钢管产品中，目前大多都是采用高频焊接方法 生产。在焊接方法上，也由高频接触焊接发展到高频感应焊接，特别在 小直径的管件焊接中，基本上都采用了高频感应焊接方法。在各个工业 发达的国家中，焊接钢管在钢管业中的生产比重，有着增长的趋势，总 产量已经超过6 0 ；其中尤其以直缝电焊钢管的发展更为迅速，其应用 范围逐年扩大，并可代替部分价格昂贵的无缝管，如石油管、锅炉管和 结构管等【1 1 。 随着我国经济建设的高速增长石油和天然气等能源开发，特别是以 西气东输工程为标志的天然气管网建设，对油气输送钢管的需求达到了 前所未有的高峰。旺盛的需求使我国焊接钢管制造业，无论是螺旋埋弧 焊接( s s a w ) 钢管还是直缝埋弧焊接( l s a w ) 钢管和直缝高频电阻焊 接( e r w ) 钢管，都得到了空前的发展，大大促进了我国焊管企业大规 模的装备技术改造，推动了我国管线钢和焊接钢管生产技术的发展，西 气东输国产化大口径焊接钢管的实物质量已达到国际先进水平。我国焊 接钢管的生产能力、制造技术和装备水平得到了极大的提高。 但是我国目前的板管比大大低于发达国家的水平，焊管的生产发展 还具有很大的上升潜力；同时由于缺少统一的规划、合理分配和正确的 引导，我国的焊管生产依然受到工艺技术、焊管质量和品种的束缚，使 得我国国内市场上低质量焊管供大于求，而相当数量的高质量焊管需要 依靠进口 2 - 3 】。 高频直缝焊管( e l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l d i n g 简称e r w ) 是电阻焊的 一种形式【4j ，是将热轧板经过成型机成型后，使钢卷变形为圆滑的圆筒 状管坯，当高频电流通过开口管坯的v 形负载回路时，由于其强烈的趋 肤效应和邻近效应，迫使高频电流高度地集中在管坯加热边部，进而通 过热能将焊接区迅速地加热到焊接状态，在挤压辊顶锻力作用下，圆筒 的熔化两边缘熔合在一起，经冷却就达到焊接在一起的效果，形成钢管， 高频焊管温度监控系统及其影响因素分析 刮去焊缝的外毛刺，再经过定径、矫直、定尺切断，最终成为带有直缝 的焊接钢管。 高频直缝焊管主要原料是低碳钢热轧板卷、热轧带等，在冶金、石 油、建筑、煤矿、港口、汽车、机械等行业主要用作低压水煤气输送、 石油天然气输送、矿用流体输送、带式输送机托辊、汽车传动轴等等。 与无缝钢管相比，直缝焊管主要有投资少、效率高、精度高、壁厚均匀、 成本低等特点【5j 。 近些年来，非接触方式测温在工业领域得到了越来越广泛的应用， 由于工业温控领域环境要求各不相同，尤其是在实时温度监测控制领域 选择一种精度高、速度快的测温器件是整个温控系统的关键所在。 生产实践证明，高频焊管焊接温度是生产过程中的一个重要的工艺 参数6 1 。能实时监测高频焊管的温度是提高焊管质量的途径之一 7 - 8 。目 前，焊接温度的控制大多采取现场操作员根据经验实施，很难做到及时、 准确调节一步到位【9 】。通过计算机控制焊管生产中的各焊接工艺参数， 可大幅度提高检测精度，确保焊接质量【l0 1 。稳定的温度值可以获得较好 的焊管质量，而红外测温技术减小了传统焊接过程中因操作工人通过人 工观察和经验造成的误差。因此，针对高频焊管生产环境复杂，测温环 境恶劣，提出使用比色测温法进行高频焊管的温度测量，并介绍高频焊 管焊接温度监控系统的构建过程。实验证明，监控系统能够有效的检测 并控制温度，提高了焊管的质量。 1 2 国内外发展现状 全世界钢管发展的总趋势是：焊管产量增长速度快于无缝管的增长 速度；焊管产量在比例上远远大于无缝管；在各个领域( 例如：油套管) 向无缝管的市场逼进；在焊管管型中，e r w 焊管在产量上占主导地位， 而且在油气长输管线、城市燃气管线的使用领域内向直缝埋弧焊管和螺 旋埋弧焊管的市场逼进。 在西方发达国家，着力于拓宽e r w 焊管的使用领域，北美以美国为 代表重点在开发e r w 油井管应用范围，例如2 0 世纪8 0 年代已在30 0 0 m 深的井中普遍采用e r w 套管，近代又开发出连续油管等等；亚洲以日本、 韩国为代表，几乎全面开发e r w 焊管的应用范围，例如韩国，焊管占全 国钢管总产量的9 8 以上，而e r w 焊管又占焊管总产量的9 0 以上； 日本在e r w 焊管的开发上在世界上也是首屈一指，例如油套管的应用上 已经将e r w 焊管用于深井、含硫井、低温( 高寒) 井用和某些高抗挤井 用套管，以及深海海底用的输送油气管。 2 硕士学位论文 中国钢管发展总趋势是：焊管产量增长速度快于无缝管的增长速度， 焊管产量在比例上远远大于无缝管；同时在各个领域( 例如油套管等) 向无缝管的市场迈进：在焊管管型中，e r w 焊管在产量上占主导地位； 而且在油气长输管线、城市燃气管线的中小直径使用领域内向直缝埋弧 焊管和螺旋焊管的市场逼进。中国近年来e r w 焊管的迅速崛起得力于热 轧带卷的迅速发展以及焊接技术和探伤技术的进步。因此，使得e r w 焊 管的市场在扩张，与无缝管和埋弧焊管形成新一轮竞争态势。中国与西 方先进国家相比较，中国e r w 钢管工业起步比较晚，在发展阶段上是属 于“追赶阶段 ，处于发展的上升期，我国的技术基础、物质基础还比 较薄弱。 厶 _ 口 巡 矮 蹙 嗵 年份 盘嬲l 国际管线管研发激= 嚣国内管线管研发 图1 1 国内外管线钢研究应用对比图 1 国际管线管研发情况2 国际管线管应用情况 3 国际管线管研发情况4 国际管线管应用情况 温度是确定物质状态的最重要参数之一，它的测量与控制在国防、 军事、科学实验及工农业生产中具有十分重要的作用。特别是高温测量 在航天、材料、能源、冶金等领域中占有极重要地位。温度的测量方法 3 高频焊管温度监控系统及其影响因素分析 大致可分为两种：接触法和非接触法。在接触测温法中，热电偶和热电 阻温度计应用最为广泛，该方法的优点是设备和操作简单，测得的是物 体的真实温度等，其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被 测物体的温度分布有影响，且不能应用于甚高温测量。目前非接触测温 法仍以辐射测温法为主，在过去相当长的时间里，辐射测温法的可靠性 和抗干扰性都不太高，且测量范围往往仅限于较高温度。但近二十多年， 由于电子技术的飞快发展，半导体材料的进步及计算机技术的发展与应 用，又由于辐射温度计具有无测量上限，响应速度快及不接触被测对象， 因而不影响被测温场等特点，辐射测温技术得到长足的进步和发展。仪 器的制造水平、性能指标已有了显著提高，辐射真温测量研究、标定技 术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果。 近三十年来，红外测温技术得到迅速发展，较满意地解决了非接触 测温要求。红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要门类。红外 测温具有测温范围广、响应速度快和不明显破坏被测对象温度场的特点， 因而被广泛应用于工业、农业和交通运输等几乎各个行业，例如在高炉 生产中的应用【11 1 ，在铸坯表面温度检测系统中的应用【1 2 1 等。 红外测温时通过检测物体表面发射的能量来测量其温度的。因此， 红外测温一直围绕着如何测准来自被测物体的温度这两项技术进行研究 和发展的。与这两项技术有关，涉及到温度计的测量范围、精度、距离 和目标大小、响应时间和稳定性。在实际应用中，还涉及被测物体的光 谱发射的研究和辐射传递通路中的介质对辐射传递的影响的研究。 与传统测温方法相比，红外测温具有以下优点： ( 1 ) 不逊要接触被测物体即可测出其温度。红外测温是利用物体自 身的热辐射来测量物体的温度。在常见的工业测温温度范围( 5 0 2 0 0 0 ) 内，物体热辐射的峰值在0 8 15 微米红外波段内。测量这一波 段辐射强度即可测定物体温度。因此无需接触被测物体，不会影响被测 目标的温度分布。 ( 2 ) 反应速度快，感知温度变化不需像热电偶那样要与被测物体达 到热平衡。测温速度只取决于一起自身的响应时间。快速测温只需几微 秒到几十微秒；大部分仪器只需十分之几秒；反应慢的仪器也只需1 秒左 右。比一般热电偶测温反应速度高出一个数量级以上。 ( 3 ) 测温灵敏度高，能分辨o 1 以上的微小温度差。这对工业测温 要求己够满足。 ( 4 ) 测温范围宽。温度覆盖范围从零下5 0 度低温到三千度高温。几 乎工业测温所需要的范围均能满足。 4 硕士学位论文 由于微电子技术( 特别是单片机) 的应用和红外接收器件的发展， 红外测温仪得到很大的发展。单片机的应用使得不少复杂的电路可以由 软件代替；还可提高一起精度、扩充量程、增加功能、降低成本；使测 温仪智能化和小型化。国外红外测温仪工业化生产已比较成熟，有许多 定型产品。几家大公司占领大部分市场份额。如美国的i r c o n 公司、日 本的千野公司、英国的l a n d 公司等。国内的情况是科研发展较快。国 内不少科研单位开发不少新产品。但在生产上不成熟，至今没有一个生 产单位有较全的系列品种和较大的规模生产。只能利用国内产品在价格 上的优势占领一部分国内市场。在国内的研究单位和大学中，中国科学 院自动化所在开发红外测温仪产品方面处于领先地位。l9 8 5 年在国内率 先研制出带微机的红外测温仪，完成了系列化产品的开发；并已小批量 生产红外测温仪，供国内工矿企业和科研单位使用。 高频焊管生产中的焊接温度是关系到焊管质量的关键参数之一，控 制合适的焊接温度对保证焊管质量是至关重要的。在传统的高频焊管生 产过程中，焊接温度是凭操作者人工观察和人工调节高频电源输出功率 或焊接速度实现的，因此焊管质量受到诸多人为因素影响，其稳定性难 以保证。非接触的红外测温仪，为高频焊管的在线温度监控提供了一种 有效的技术手段。采用红外测温仪可以实现在线焊接温度检测，并且可 以进一步构成焊接温度自动控制系统。这种技术已经在一些工业发达国 家的高频焊管行业中应用，国内一些进口机组也带有焊接温度自动控制 功能。近年来，国内的工业红外测温技术已经成熟，在国产焊管机组上 也进行了这方面的技术开发研究，并取得了良好的效果，但在生产中长 期稳定使用方面还存在一些问题。 目前日本、韩国及欧美等国的高质量焊管机组，均采用自动热量输 入控制新技术。虽然采集信号的方式不同，计算控制模式不同，最终全 部以控制高频焊机的输出功率来实现 1 3 - 1 4 】。 自动热量输入控制的基本原理是：将焊接部位产生的火花形成的电 磁波转化为电信号，将其输入到火花信号处理器中，选择所需的信号、 分离振幅成分和频率成分并加工成规定的形态后，将信号输入到主控制 系统，主控制系统由信号处理模块和焊接机功率控制器组成，通过一定 的算法，由焊接机功率控制器来控制焊接机控制器输出的电流量和频率。 将焊接机控制器输出的电流量和频率输入到振荡器中，产生高频电流。 并将高频电流输入到被安装在被焊物体上的热产生器中，产生熔融热， 对焊缝温度进行实时补偿。同时，反馈接受火花信号并对焊接机功率进 行控制使之变成最佳焊接条件，形成一个闭环控制系统。 s 高频焊管温度监控系统及其影响因素分析 与工业发达国家相比，我国在高频焊接自动控制系统研发方面相对 落后。目前在我国焊管制造过程中，还存在着依靠操作者的经验来调节 焊接功率，控制焊接温度。近年来，国内的红外测温技术已经成熟，在 国产焊接机组上也进行了这方面的研究，并取得一定的效果，但是生产 中长期稳定使用方面还存在一些问题。 基于红外测温技术焊管高频感应自动温度控制系统的工作程序 15 - 1 8 】：通过工艺试验，确定焊缝的最佳焊接温度和允许波动范围。操作 者从红外测温仪控制面板上输入最佳的焊接温度值以及允许波动范围， 开机后测温仪根据从焊缝测得温度的变化，输出变化的电压反馈信号给 微机调压电源的控制系统，调节电压电源的输出电压，输出电压经升压 后加到高压硅堆上进行整流，然后再把整流后的高压直流通过电子管自 激振荡变成高频电流，由降压机构降压后送到工件上，由此通过高频功 率的变化来达到自动控制焊缝热量输入的目的。 1 3 课题的来源和研究思路 1 3 1 课题来源 焊接温度是衡量焊管质量的重要参数之一，然而在国产高频焊管的 生产中，一方面是通过工人的观察来调节高频焊机的输出功率来控制焊 管v 形口处的钢铁的熔融状态来保证焊管质量的。在这种情况下，焊管 焊缝处容易发生漏焊，冷焊等焊接缺陷；另外一方面是高频焊接的焊接 现场环境比较恶劣。基于在这两种条件下，如何利用先进的设备仪器改 善人工误差和减少现场条件的影响以及如何建立测温仪器与高频焊接设 备成为研究的重点。国外在此项目的研究中，技术已经比较成熟，因此， 我们和浙江湖州金洲集团管道部共同开展了高频焊管测温系统的研究项 目，意义在于开发出适应国产高频焊管机组的红外测温系统，同时也提 高了焊管的质量。 1 3 2 研究思路 高频焊管在现代工业中起着至关重要的作用，高频焊管的生产是一 个很庞大的机械系统，成管率高，产量大，环境复杂，焊缝温度高，出 于高频焊管焊接环境复杂等条件的考虑，选择比色测温仪作为温度的捕 捉工具，不接触，抗干扰强，利用l a b v i e w 软件来设计提取和显示比色 测温仪温度的程序以及控制高频电源的输出功率，减少了人为因素引起 的误差，提高了焊管的质量。 具体的方案为：将比色测温仪安装在焊接v 形口的上方，调节好测 6 硕士学位论文 量角度和测量距离。比色测温仪电路板上输出的信号是电流信号，因此 并联一个阻值为2 5 0q 的高敏电阻将输出的电流信号转化为电压信号 ( 1 5 v ) 。电压信号经过p c i 6 2 21 数据采集卡通道，将模拟电压信号转 换为数字信号( a d ) ，同时对此信号进行滤波处理。处理后的电压信号 经过软件处理后显示在可视化的界面上，将此温度信号与目标温度进行 比较，采用p i d 控制算法来实现整个系统的控制。控制后的数字信号通 过数据采集卡通道转化为模拟电压信号( d a ) 再次输出到调压电源的控 制端，调节高频电源的输出功率，来控制高频焊的焊接温度。 1 4 本章小结 本章主要介绍了高频焊管和红外测温仪的国内外发展现状，以及红 外测温系统在高频焊管中的应用，相比之下，国内的研究和国外还有很 大的差距。所以，国内还有对此还有很大的市场和旺盛的需求，文中提 出了高频焊管温度监控系统的概念，并给出了课题的来源和设计思路， 本文将进行具体的探讨和研究。 7 高频焊管温度监控系统及其影响因素分析 第2 章高频焊管基础研究 2 1 焊管高频焊接原理 高频焊接主要是利用高频电流所产生的集肤效应和相邻效应，将钢 板和其它金属材料对接起来的新型焊接工艺。高频焊接技术的出现和成 熟，直接推动了直缝焊管产业的巨大发展，它是直缝焊管( e r w ) 生产 的关键工序。高频焊接质量的好坏，直接影响到焊管产品的整体强度， 质量等级和生产速度。在实践生产过程中，焊接装置的设计以及工艺参 数的选择是必须要考虑的。 2 2 1 高频焊接的基本原理 所谓高频，是相对于5 0 h z 的交流电流频率而言的，一般是指5 0 k h z - - - 4 0 0 k h z 的高频电流。高频电流通过金属导体时，会产生两种奇特的效应： 集肤效应和邻近效应。高频焊接高频焊接是根据电磁感应原理和交流电 荷在导体中的趋肤效应、邻近效应和涡流热效应，使焊缝边缘的钢材局 部加热到熔融状态，经滚轮的挤压，使对接焊缝实现冶金结合，从而达 到焊缝焊接之目的【l9 1 。 集肤效应是指以一定频率的交流电流通过同一个导体时，电流的密 度不是均匀地分布于导体的所有截面的，它会主要向导体的表面集中， 即电流在导体表面的密度大，在导体内部的密度小，所以我们形象地称 之为：“集肤效应 。集肤效应通常用电流的穿透深度来度量，穿透深度 值越小，集肤效应越显著。这穿透深度与导体的电阻率的平方根成正比， 与频率和磁导率的平方根成反比。通俗地说，频率越高，电流就越集中 在钢板的表面；频率越低，表面电流就越分散。必须注意：钢铁虽然是 导体，但它的磁导率会随着温度升高而下降，就是说，当钢板温度升高 的时候，磁导率会下降，集肤效应会减小。电流的穿透深度与电流频率 厂，材料的电阻率p 及磁导率r 有关，其关系式是： a = 5 0 3 0 ( 2 1 ) 可见，随着电流频率的增加，电流透入深度减少，集肤效应显著。 不同的金属材料有不同的磁导率和电阻率，而且它们都和温度有关。 邻近效应是指高频电流在两个相邻的导体中反向流动时，电流会向 8 硕士学位论文 两个导体相近的边缘集中流动，即使两个导体另外有一条较短的边，电 流也并不沿着较短的路线流动，我们把这种效应称为：“邻近效应 ( 如 图2 1 ) 。邻近效应本质上是由于感抗的作用，感抗在高频电流中起主导 的作用。邻近效应随着频率增高和相邻导体的间距变近而增高，如果在 邻近导体周围再加上一个磁心，那么高频电流将更集中于工件的表层。 电源电源 a )b ) 图2 1 邻近效应的产生 a ) 直流或低频电流b ) 高频电流 这两种效应是实现金属高频焊接的基础。高频焊接就是利用了集肤 效应使高频电流的能量集中在工件的表面；而利用了邻近效应来控制高 频电流流动路线的位置和范围。电流的速度是很快的，它可以在很短的 时间内将相邻的钢板边部加热，熔融，并通过挤压实现对接。 2 2 2 高频焊接设备的结构和工作原理 了解了高频焊接原理，还得要有必要的技术手段来实现它。高频焊 接设备就是用于实现高频焊接的电气一机械系统，高频焊接设备是由高 频焊接机和焊管成型机组成的。其中高频焊接机一般由高频发生器和馈 电装置二个部分组成，它的作用是产生高频电流并控制它：成型机由挤 压辊架组成，它的作用是将被高频电流熔融的部分加以挤压，排除钢板 表面的氧化层和杂质，使钢板完全熔合成一体。 高频发生器过去的焊管机组上使用高频发生器是三回路的：高频 发电机组；固体变频器；电子高频振荡器，后来基本上都改进为单回路 的了。调节高频振荡器输出功率的方法有多种，如自耦变压器，电抗法， 晶闸管法等。 9 一 高频焊管温度监控系统及其影响因素分析 馈电装置这是为了向管子传送高频电流用的，包括电极触头，感 应圈和阻抗器。接触焊中一般采用耐磨的铜钨合金的电极触头，感应焊 中采用的是紫铜制的感应圈。阻抗器的主要元件是磁心，它的作用是增 加管子表面的感抗，以减少无效电流，提高焊接速度。阻抗器的磁心采 用铁氧体，要求它的居里点温度不低于310 ，居里点温度是磁心的重要指 标，居里点温度越高，就能靠得离焊缝越近，靠得越近，焊接效率也越 高。 近年来，世界上一些大公司开始采用了固态模块式结构，大大提高 了焊接可靠性，保证了焊接质量。如e f d 公司设计的w e l d a cg 29 0 0 高频焊机由以下部分组成：整流及控制单元( c r u ) ，逆变器，匹配及补 偿单元( i m c ) ，c r u 与i m c 间的直流电缆，i m c 到线圈或接触组件。 机器的两个主要部分是c r u 及i m c 。c r u 包括一个带有主隔绝开关 及一个全桥二极管整流器的整流部分( 它把交流电转换为直流电) ，一个 带有控制装置及外部控制设备界面的控制器。i m c 包括逆变器模块，一 个匹配变压器以及一个用于为感应线圈提供必需的无功功率的电容组。 主供电电压( 3 相4 8 0 v ) ，通过主隔绝开关被送到主整流器中。在主 整流器中，主电压被转换为6 4 0 v 的直流电并且通过母线与主直流线缆相 连接。直流电通过由数个并联电缆组成的直流电输送线被送到i m c 。d c 线缆在i m c 单元母线上终止。逆变部分的逆变器模块通过高速直流保险 同d c 母线以并联方式连接在一起。d c 电容也与d c 母线连接在一起。 每个逆变器模块构成一个全桥i g b t 三极管逆变器。三极管的驱动电 路则在逆变器模块内的一个印刷电路板上。直流电由逆变器变为高频交 流电。根据具体的负载，交流电的频率范围在10 0 15 0 k h 范围之间。为 根据负载对逆变器进行调整，所有逆变器都以并联方式同匹配变压器连 接。变压器有数个并联的主绕组，及一个副绕组。变压器的匝数比是固 定的。 输出电容由数个并联电容模块组成。电容器以串联方式同感应线圈 相连接，因此输出电路也是串联补偿的。电容器的作用是根据感应线圈 对无功功率的要求进行补偿，及通过此补偿来使输出电路的共振频率达 到所要求的数值。 频率控制系统被设计用来使三极管始终工作在系统的共振频率上。 共振频率通过测量输出电流的频率确定。此频率随即被用来作为开通三 极管的时基信号。三极管驱动卡向每个逆变器模块上的每个三极管发送 信号来控制三极管何时开通，何时关断。 感应加热系统的输出功率控制是通过控制逆变器的输出电流来控制 1 0 硕士学位论文 的。上述控制是通过一个用来控制三极管驱动器的功率控制卡完成的。 输出功率参考值由i m c 操纵面板上的功率参考电位计给出，或者由 外部控制面板输出给控制系统。此数值被传送给系统控制器后，将与由 整流单元测量系统测量出的d c 功率数值相比较。控制器包括一个限定 功能，它可以根据参考功率值与d c 功率测量值的比较结果计算出一个新 的输出电流设定值。控制器计算出来的输出功率设定值被送到功率控制 卡，此控制卡将根据新的设定值来限定输出电流。 报警系统根据i m c 中报警卡的输入信号及i m c ，c r u 中的各类监视 设备发出的信号来工作。报警将显示在工作台上。 控制及整流器单元( c r u ) 。 逆变器，匹配及补偿单元( i m c ) 。 直流线缆，输出功率总线，线圈及接触头连接。 冷却系统安装在一个自支撑钢框架内，所有部件联结成为一个完整 的单元。系统包括：带有电机的循环泵，热交换器( 水水) ，补偿容器， 输出过程端( 次输出) 压力表，主进水口温度控制阀门，控制阀以及电 气柜。主进水口端的热交换器使用未处理的支流水作为冷