（机械电子工程专业论文）旋转电弧水下焊接工艺的研究.pdf

摘要 摘要 基于旋转电弧传感器的水下焊接过程非常复杂，影响其焊缝成形的工艺参数包 括水深、焊接电流、焊接电压、焊接速度、保护气体流量以及电弧传感器的旋转频 率等。成功预测焊接成形情况是获得高质量焊接结构的重要举措。本课题对旋转电 弧传感器焊接过程中焊缝成形、水下焊接工艺参数优化设计以及水下焊接质量进行 了研究。 针对旋转电弧传感器水下焊接的特殊情况，以水下焊接机器人为平台，同时采 用旋转电弧作为传感器，建立了水下焊接机器人试验平台。该试验平台能模拟不同 水深( 主要是1 0 , - - 1 5 米水深) 并进行焊接试验。 通过对影响水下焊缝成形的6 个工艺参数，采用正交试验法安排水下焊接试 验。建立了b p 神经网络预测模型，即建立工艺参数与焊缝尺寸之间的关系，主要 是水深、焊接电流、焊接电压、焊接速度、旋转电弧旋转频率、气体流量与成形焊 缝熔宽、熔深、余高之间的关系，利用v c 开发出水下焊缝尺寸预测界面，该预测 界面操作方便、预测精度高，具有很大的优势。 针对旋转电弧传感器水下焊接的工艺参数优化配置问题，利用b p 和遗传算法 结合的方法求解焊接最佳工艺参数，为求取最佳工艺参数提供了高效、准确的求取 方法，适用于水下焊接工艺参数优化的研究。 结合水下焊缝成形的特点，分析了工艺因素对水下焊缝成形的影响情况，进行 了两类药芯焊丝水下焊接试验，并对其焊接效果进行了对比分析，包括焊缝的外观 分析、x 射线分析以及对焊缝内部气孔率统计方法分析。 论文的完成可为旋转电弧传感器的水下焊接工艺参数的选取提供理论基础，为 水下焊接质量的研究提供技术支持，可节省大量的时间和物质资源。 关键词：旋转电弧传感器；水下焊接；m a t l a b ：神经网络；遗传算法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu n d e r w a t e rw e l d i n gp r o c e s sb a s e do nt h e r o t a t i n g a r cs e n s o ri sv e r y c o m p l i c a t e d t h ew e l ds e a mi sa f f e c t e db ys o m ep r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha s ：w a t e rd e p t h , w e l d i n gc u r r e n t , w e l d i n gv o l t a g e ，w e l d i n gs p e e d ，g a sf l o wa n dr o t a t i o nf r e q u e n c yo fa r c s e n s o ra n ds oo i li no r d e rt og a i nt h eh i g h - q u a l i t yw e l d e ds t r u c t u r e ，t h er e s u l to f w e l d - f o r m i n gn e e d t ob ep r e d i c t e d s u c c e s s f u l l y i nt h ep r o c e s so fw e l d i n gt h e w e l d - f o r m i n g , o p t i m i z a t i o no fw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dw e l d i n gq u a l i t yb a s e do nt h e r o t a t i n ga r cs e n s o ri ss t u d i e di nt h i sp a p e r f o rt h es p e c i a ls i t u a t i o no fu n d e r w a t e rw e l d i n g ，at e s tp l a t f o r mb a s e do nu n d e r w a t e r w e l d i n gr o b o ta n dr o t a t i n ga r cs e n s o ri ss e tu pw h i c hc a ns i m u l a t ed i f f e r e n tw a t e r d e p t h ( 10 m5 m ) f o rw e l d i n gt e s t t h eu n d e r w a t e rw e l d i n ge x p e r i m e n ti sa r r a n g e dt h r o u g hc h a n g i n gt h e6p a r a m e t e r s a n do r t h o g o n a lt e s tm e t h o d e s t a b l i s h i n gb pn e u r a ln e t w o r km o d e lw h i c hi sa b o u tt h e r e l a t i o no fp a r a m e t e r sa n ds e a ms i z e ( b e t w e e nw a t e rd e p t h , w e l d i n gc u r r e n t , w e l d i n g v o l t a g e ，w e l d i n gs p e e d , r o t a t i n gf r e q u e n c yo f t h er o t a t i n ga r cs e n s o r ，g a sf l o wa n dw e l d w i d t h , w e l dp e n e t r a t i o n , w e l dr e i n f o r c e m e n t ) ，d e v e l o p i n gas e a ms i z ep r e d i c ti n t e r f a c eb y v ct 0 0 1 t h ei n t e r f a c ei se a s yt oo p e r a t ea n dh a st h eh i g hp r e d i c t i v ea c c u r a c ya n dg r e a t a d v a n t a g e s a i ma tt h ep r o b l e mo fo p t i m a ld i s t r i b u t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s t h eo p t i m u m w e l d i n gp a r a m e t e r si sg a i n e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fb pa n dg e n e t i ca l g o r i t h m e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fa c c u r a c ya n de f f i c i e n c yw h i c h a d a p tt ot h es t u d yo f u n d e r w a t e rw e l d i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e rs e a m , t h ei m p a c to fp r o c e s sf a c t o r s o nu n d e r w a t e rs e a mi sa n a l y z e di nt h i sp a p e r u n d e r w a t e rw e l d i n gt e s to nt w ot y p e so f f l u x - c o r e dw i r ei sd o n ea n dt h ew e l d i n ge f f e c t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw h i c hi n c l u d e t h ea n a l y s i so ns e a ma p p e a r a n c e ，x - r a ya n ds t a t i s t i c a lm e t h o d so ni n t e r n a ls e a mp o r o s i t y at h e o r e t i c a lb a s i cf o rs e l e c t i o no f w e l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sa n d t e c h n i c a ls u p p o r t f o rt h er e s e a r c ho nu n d e r w a t e rw e l d i n gq u a l i t ya r eb eg e tt h r o u g ht h i sp a p e r , s om u c h t i m ea n dm a t e r i a lr e s o u r c e sc a n b es a v e d k e yw o r d s ：t h er o t a t i n ga r cs e n s o r ；u n d e r w a t e rw e l d i n g ；n e u r a ln e t w o r k ：, m a t l a b ； g e n e t i ca l g o r i t h m i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名( - t - 写) ： 学位论文版权使 乙ai 恒 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或 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、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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 当前，在国内科学与技术长期规划的战略研究中，石油天然气部分的研究受到 了国家的高度重视，提出了“调整东部，发展西部，加快海上的总方针【l 】o 国内 海洋石油工业的发展方向与世界海洋石油发展的趋势相同，即都是走向深水【2 、3 】。 我国石油消费己成为世界第三大国，大量石油输运( 进口或国内运输) 要通过 海底或江河湖泊进行，如何在水下直接进行高效可靠自动化焊接以完成日益增加的 水下输油( 气) 管道铺设是迫切需要解决的难题。随着海洋的开发，海上石油平台、 海底输油、输气管线施工、海上船舰紧急维修、码头设施、水下矿产开发、水闸以 及核电设施等工程不断增多，这些水下工程建设、维护等对水下焊接技术也提出了 严峻的要求。同时我国己跃居世界第一船舶制造大国，大量的船舶制造与维护，迫 切需要直接在水下进行维修的焊接技术。因此，面向水下大型构件的焊接技术已成 为水下工程开发、建设和维修不可缺少的关键技术之一，是急需解决的重大技术难 题。 目前水下构件的焊接基本上处于人工焊接状态。由于水下工作的危险性和人 类生理的局限性，人不适宜长期、高强度地在水下施焊。所以发展水下机器人焊 接技术迫在眉睫。研究水下焊接工艺对实现水下机器人焊接过，满足日益增长的 水下焊接工程需求，为水下焊接生产高效率、低成本、高质量、自动化和智能化 提供基础。 1 1 水下焊接技术综述 1 1 i 水下焊接技术的研究现状 伴随着人类对海洋的开发，大量的海洋工程施工对水下焊接技术提出了新的要 求，使得水下焊接技术在先进科学技术的推动下进入了新一轮的发展期，并主要呈 现出两个特点：第一是基于社会经济发展的需求，大量简单、经济的水下焊接技术 得到发展，主要表现在湿法水下焊接技术的扩大使用；第二是基于先进科学技术特 别是多信息融合技术1 4 5 】、传感技术和人工智能技术的发展，对焊接过程进行实时 监测和反馈控制，主要表现在于法、局部干法水下焊接中对机械化、自动化、智能 化焊接系统的研制开发。 第1 章绪论 国际上主要的研究国家有：美国、德国、英国、挪威、巴西、日本、英格兰、 俄罗斯等。 国内主要的研究机构有：哈尔滨焊接研究所、北京石油化工学院、华南理工大 学、北京航空航天大学及相关的工程单位。哈尔滨焊接研究所是我国开展水下焊接 研究最早的单位之一，北京石油化工学院、北京航空航天大学则注重于海上管道焊 接装备及自动化方面的研究，华南理工大学侧重于水下焊接工艺和基于图像的焊缝 跟踪的研究。南昌大学主要侧重于1 5 米水深以内的水下湿法焊接工艺和基于旋转 电弧、激光传感技术跟踪控制的研究。 1 1 2 水下焊接特点 由于水下焊接焊区周围不是空气而是水，这两种介质有着不同的物理化学性 质，这就给水下焊接带来一系列不利影响。其特点主要表现如下五个方面 6 1 ： 1 可见度差，基本属于“盲焊”，由于水中光的反射、吸收和散射作用，焊工 在水中的能见度很差，再加上焊接时电弧四周的大量气泡和烟雾，使水产生紊流扰 动，潜水焊工难以看清电弧和熔池情况，处于“盲焊 作业状态。 2 焊后冷却速度快，焊缝和热影响区中出现马氏体等淬硬组织，尽管水下焊 接电弧周围有一个“气袋 ，但其尺寸较小，随着焊条向前移动，尚未完全凝固的、 仍处于红炽状态的熔敷金属便与水直接接触，而水的冷却作用远远大于空气的冷却 作用。所以，水下焊缝容易淬硬，焊缝金属的韧性降低。 3 含氢量高，易产生氢裂。水下焊接电弧高温达到1 5 0 0 0 c 以上，水在如此高 温作用下，除产生汽化的物理变化外，还要使一部分水发生化学变化，使水分解成 氢和氧而熔于熔敷金属中，使焊缝产生氢致冷裂缝，简称氢裂。由于以上缺点，水 下湿法焊接曾一度被认为只适用于水深1 0 2 0 米的水中非重要钢结构的临时应 急性修补。但随着工程建设、维护与修理对水下湿法焊接技术需求的不断提高，水 下湿法焊接的质量要求已不仅是临时应急性修补水平，还必须有足够的强度、韧性、 致密性及耐腐蚀等性能。因此，开发新的优质水下焊接材料、设备及技术解决水下 焊接的缺陷，已经势在必行。 4 压力的影响，随着压力增加( 水深每增加l o 米，压力增加0 1 m p a ) ，电弧弧 柱变细，焊道宽度变窄，焊缝高度增加， 同时导电介质密度增加，从而增加了电 离难度，电弧电压随之升高，电弧稳定性降低，飞溅和烟尘也增多。 5 连续作业难以实现，由于受水下环境的影响与限制，许多情况下不得不采 2 第1 章绪论 用焊一段，停一段的方法进行，因而产生焊缝不连续的现象。 1 1 3 水下焊接方法 从1 9 1 7 年，水下焊接技术在运用湿法修补英国海军船体铆钉渗漏中，第一次 得到实用，至今已九十余年。目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类 繁多，一般将水下熔焊分为3 大类：湿法、干法和局部干法。其中干法又可以分为 高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。局部干法则包括排水罩式、高压水帘式、 钢刷式、移动气箱式和等离子弧m i g 局部干法等。采用的焊接方法一般有药皮焊 条焊接，g t a w ( 钨极氩弧焊) ，g m w a ( 熔化极气体保护焊) 以及f c a w ( 药芯焊丝电 弧焊) 。水下焊接除熔焊之外还有爆炸焊和f s w ( 摩擦叠焊) 。这2 种方法都属于固 相连接技术。 1 水下湿法焊接技术 1 8 0 2 年，一位名叫h u m p h r e y 的学者指出电弧能够在水下连续燃烧。即指出了 水下焊接的可能性。然而其实际应用却是在1 0 0 多年以后，在不可能把结构物移到 陆地上进行焊接的情况下才做到的。1 9 1 7 年。英国海军船坞的焊工采用水下焊接 的方法来封堵位于轮船水下部分漏水的铆钉缝隙，这是水下焊接的首次应用。第1 篇正式发表的关于水下焊接研究工作的论文，是在1 9 3 3 年由h i b s h r m a n 和j e n s e n 共同完成的。1 9 3 2 年，k h r e n o v 发明了厚药皮水下专用焊条，在焊条外表面涂有防 水层，使水下焊接电弧的稳定性得到了一定程度的改善。到第二次世界大战结束时 水下焊接技术在打捞沉船等方面已经占有重要地位。1 9 7 1 年。h u m b l e 石油公司对 墨西哥湾钻采平台的水下焊接修理工作是水下焊接技术第一次应用于海洋石油工 程。 湿法水下焊接的基本问题表现得最为突出，因此采用此方法难以得到质量好的 焊接接头，尤其在重要的应用场合，湿法水下焊接的质量更难以令人满意。但由于 湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强等优点，所以，近年 来各国对该方法仍在继续进行研究，特别是涂药焊条和焊条电弧焊，在今后一段时 期还会得到进一步的应用。 目前，国内外专家学者对水下湿法焊接方法的研究和应用集中表现在： ( 1 ) 研发适应深水高强海洋钢结构的焊条。在焊条方面，比较先进的有英国 h y d r o w e l d 公司开发的h y d r o w e l df s 水下焊条，美国专利的水下焊条7 0 1 8 s 焊条 以及德国h a n o v e r 大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理所开发的 3 第1 章绪论 双层自保护药芯焊条。美国的s t e p h e nl i u 等人在焊条药皮中加人m n ，t i ，b 和 稀土元素，改善了水下焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织。水下焊条的 发展促进了湿法水下焊接技术的应用。目前，国内外都有采用水下湿法焊条电弧焊 技术进行水下焊接施工的范例，如国际上应用湿法水下焊条以及湿法水下焊接技术 最广的是墨西哥湾。 ( 2 ) 研究和推进适于深海湿法焊接的新工艺，通常湿法焊接的水深不超过1 0 0 米，目前的努力方向是实现2 0 0 米水深湿法焊接技术的突破。 ( 3 ) 研究开发适应水下湿法焊接特点和湿式环境的焊接设备。药芯焊丝的出现和 发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势。 英国州n 与乌克兰巴顿研究所成功开发了l 套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝机构、 控制系统及其焊接工艺【7 】。 ( 4 ) 由焊接低强钢向高强钢过渡。 ( 5 y 研究消除母材上热影响区脆硬和氢裂纹的技术和工艺。 湿法水下焊接具有设备简单，成本低廉，操作灵活、适应性强等优点，所以， 近年来国内外仍在对这种方法继续进行研究。华南理工大学刘桑在试验水深为1 5 0 毫米水箱中的实验分别进行水下湿法和水下微型排水罩两种焊接方法，对水下焊接 工艺特性进行研究。通过采用自行研制的药芯焊丝微型排水罩，使得水下焊接短路 过渡过程稳定，焊接工艺性能好，能取得较好的焊缝。江西省机器人与焊接自动化 重点实验室所研究的也是基于湿法水下焊接的工艺和焊缝跟踪技术。 尽管湿法水下焊接已经取得了较大的进展，但到目前为止，应该说水深超过 1 0 0 米的湿法水下焊接仍难得到较好的焊接接头，因此还不能用于焊接重要的海洋 工程结构。但是，随着湿法水下焊接技术的发展，很多湿法水下焊接的问题在一定 程度上正得到克服，如采用设计优良的焊条药皮及防水涂料等，加上严格的焊接工 艺管理及认证，现在湿法水下焊接已在北海平台辅助构件的水下修理中得到成功的 应用。另外，湿法水下焊接技术也广泛用于海洋条件好的浅水区以及不要求承受高 应力构件的焊接。 2 水下干法焊接技术 用气体将焊接部位周围的水排开，而潜水焊工处于完全干燥或半干燥的条件下 进行焊接的方法称为干法水下焊接，进行干法水下焊接时，需要设计和制造复杂的 压力舱或工作室，根据压力舱或工作室内压力不同，干法水下焊接又分为高压干法 水下焊接和常压干法水下焊接。潜水焊工和工件直接处于水中，采用特殊构造的排 4 第1 章绪论 水罩罩住待焊部位，用空气或保护气体将罩内的水排开，形成一个局部气相空间而 进行焊接的方法，称为局部干法水下焊接。 ( 1 ) 水下高压干法焊接技术 干法水下焊接试验一般都是在高压模拟舱中进行，同时压力舱中还可进行焊接 工艺评定试验。哈尔滨焊接研究所自2 0 世纪8 0 年代起开始研究干法水下焊接，先 在模拟试验舱内进行试验研究工作，然后再到实际现场验证。陈锦鸿、肖志平采用 高压干法焊接修复了广州市一段过河水管，使我国的水下焊接技术获得了新的发 展。 上世纪7 0 年中期，无人高压焊接研究装置开发成功。德国、挪威、美国、英 国都在上世纪9 0 年代开始此类研究并建立了无人高压焊接研究中心。从上世纪8 0 年代中期开始，一些研究中心就开始研究3 0 0 5 0 0 米水深的g t a w 自动焊接系统 和工艺，或者是检验5 0 0 - 一1 0 0 0 米水深替换性焊接技术的适应性了。现在法国、德 国、挪威、美国的高压焊接研究中心的实验舱作业压力都可以达到相当于1 0 0 0 米 水深。英国c r a n f i e l d 大学海洋工程中心在原有1 0 0 0 1 1 0 0 米水深舱内无人高压干 法水下焊接模拟实验装置的基础上，于19 9 0 年初又研制了一套能模拟2 5 0 0 米水深 的舱内无人高压干法水下焊接模拟实验装置，并利用高压焊接试验装置，采用连续 送丝、脉冲电流工艺，实现了2 5 m p a 压力即相当于2 5 0 0 米水深条件之下的m i g 焊接，并且对焊接电弧、熔滴过渡、焊接熔池等进行了深入研究【8 叫巴西c e n p e s 中心的水下高压焊接舱由环境控制室、气体供应室、气体回收室、高压室、电气控 制室和自动焊接机器6 个部分组成，可进行高压自动t i g 、m i g 、f c a w 、s m a w 焊接工艺。 德国g k s s 中心对6 0 0 - - - 1 1 0 0 米水深处药芯焊丝弧焊的短路过渡行为、电源输 出功率大小和梯度对熔滴过渡的影响、熔池反应机理、氧吸附的影响因素和保护气 体的选择等进行了研究，该研究成果已应用于设计高压焊接舱，取得了令人满意的 结果。 由于人类潜水的极限深度是6 5 0 米，熟练的深水焊工难以培训，为了实现深水 施焊以及水下焊接自动化，水下自动化轨道焊接系统以及水下焊接机器人迅速发展 起来。t i g 焊具有熔化率随压力增加而增加、低氢吸附率、可实现全自动焊、利用 磁场和相应的电源能对电弧进行有效控制等特点，最早用于发展水下高压轨道焊系 统。轨道式高压t i g 焊是目前流行的海底管道焊接技术。目前水下高压轨道t i g 焊系统主要有a b e r d e e ns u b s e ao f f s h o r el t d 的o t o 系统【1 0 - 1 1 】。c o m e x 公司的 5 第l 章绪论 t h o r - 1 系统以及n o r s kh y d 和s n i t e f 的i m t 系统。 北京石油化工学院所承担的国家“十五8 6 3 计划项目“水下干式管道维修系 统 ，进行了焊接模拟试验，常压下电缆长度2 0 0 米以上仍能正常焊接【1 2 1 。哈尔滨 焊接研究所进行高压焊接试验舱内的试验表明，仅用内层保护气不能获得很好的焊 接质量，故应考虑采用双层气流保护，如内层吹送心气体，外层吹送c 0 2 气体。 为同时输送心气体和c 0 2 气体，项目组设计了双层气体保护焊枪，气源由内层保 护气瓶和备用的外层保护气瓶组成。 从上世纪9 0 年代开始石油公司的作业已经开始进入更深的水域。第一个在这 种水深下进行作业的公司应该是巴西石油公司( 即巴西国家石油公司) 。其在亚马孙 盆地的作业水深达到1 0 0 0 米。在我国随着海洋石油工业的发展。急需开发具有 自主知识产权的高压干法焊接技术。在2 0 0 2 年的国家“8 6 3 计划中就有关于水下 高压干法焊接技术的研究项目。由中国海洋石油工程公司、北京石油化工学院、石 油大学、上海交通大学、哈尔滨工程大学联合研发设计的最大焊接水深为6 0 米。 ( 2 ) 水下常压干法焊接技术 水下高压干法焊接的焊接质量虽然较好。但其局限性较大尤其是随着水深的 增加，电弧周围的气压不断增加。容易破坏电弧的稳定性而产生焊接缺陷。而且在 没有达到焊接全自动化的情况下需要潜水焊工的辅助操作如果水深超过潜水极 限或者潜水成本过高则无法实施。在技术水平还无法解决这些问题的时候，而水下 常压干法焊接在密封的压力舱中进行，压力舱内的压力与地面的大气压相等，与压 力舱外的环境水压无关。实际上这种焊接方式既不受水深的影响，也不受水的作用， 焊接过程和焊接质量与陆上焊接时一样。为了克服水下高压干法焊接的不足在焊接 工艺与焊接冶金方面与陆上焊接没有什么差别。目前常压干法水下焊接技术应用很 少，美国t d s 公司研制了能在6 0 0 米深水下进行常压干法水下焊接的装置【1 3 】，用 于焊接管径9 0 0 毫米，壁厚3 2 毫米的管道，干法气室为圆筒状，直径2 4 米，长 3 6 6 米，两端呈椭圆形。1 9 7 7 年制造出水下常压干法焊接设备。1 9 7 7 年，法国l p s 公司首先采用这种方法在北海水深1 5 0 米处成功地焊接了直径4 2 6 毫米的海底管 道。此方法的最大优点就是可有效地排除水对焊接过程的影响，其施焊条件完全和 陆地焊接时的一样，因此其焊接质量也最有保证。由于常压干法焊接设备造价比高 压干法水下焊接还要昂贵，焊接辅助人员也更多，所以一般只用于深水焊接重要结 构。我国目前还没有水下常压干法焊接设备。 ( 3 ) 水下局部干法焊接技术 6 第1 章绪论 局部干法水下焊接的种类很多，包括干箱式焊接、干点式焊接、水帘式干法焊 接、钢刷式水下焊接以及局部干法大型气罩法水下m i g t i g 焊接等。由于局部干 法水下焊接减小了水的有害影响，使焊接接头质量比湿法焊接得到了明显改善。 我国哈尔滨焊接研究所较早地对c 0 2 气体保护局部排水半自动水下焊接进行 了研究，研制成功了i d c 0 2 焊接方法，并开发了配套的n b s 5 0 0 型水下半自动焊 机，在国内进行了多次成功施焊【1 4 1 。华南理工大学水下焊接课题组成功研制出1 套采用微型排水罩的水下局部干法药芯焊丝焊接设备和工艺，为进一步发展适合我 国国情的水下焊接方法打下了基础。 张旭东等人对水下局部干法激光焊接进行了研究，采用填丝热导焊的方法研究 了水下激光焊接的基本物理现象，利用气体喷嘴形成局部干燥空间，其保护效果取 决于喷嘴结构和气体流量等参数，喷嘴外径大小对保护效果影响显著，良好保护条 件下的水下焊缝的力学性能和大气中一致【1 5 1 。水下激光焊接时要求填充材料。与干 法焊接相比，局部干法无需大型昂贵的排水气室，适应性明显增大。它综合了湿法 和干法两者的优点，是一种较先进的水下焊接方法，也是当前水下焊接研究的重点 方向。局部干法水下焊接可直接获得接近干法焊接的接头质量，同时由于设备简单， 成本较低，又具有湿法焊接的灵活性，因此是很有应用前景的水下焊接方法。 本研究中，利用水下湿法焊接方法，对水下焊接机器人焊接工艺进行研究具有 重要的意义。 1 1 4 水下焊接技术研究的趋势 由于社会需求和先进科学技术的推动，水下焊接技术的研究将朝向以下几个方 面发展： 1 由于每种焊接方法( 湿法、局部干法、干法) 都有其各自的优点和适用场合， 因此，多种水下焊接方法并存的局面会长期存在。 2 湿法水下焊接的质量主要受水下焊条、水下药芯焊丝等因素的影响和制约， 英、美等国已发展了多种高质量的水下焊条，我国也应该加快开发研制高质量水下 焊条、水下药芯焊丝。通常湿法焊接的水深不超过1 0 0 米，目前的努力方向是实 现2 0 0 米水深湿法焊接技术的突破。 3 基于先进技术，对焊接过程进行监控的研究已经取得某些进展，主要体现 在水下干法和局部干法焊接中的自动化和智能化。例如遥测遥控技术已经在水下焊 接中取得了初步应用，采用遥测遥控技术，可实现水下安装检测中的焊接加工，目 7 第1 章绪论 前已在水下管道安装维护中取得进展同。最近华南理工大学的廖天发等人采用 v c + + 编程实现了串i ；3 通信( s p c ) ，用于远程控制水下焊接焊前的焊缝对中以及焊接 过程中的焊缝跟踪【1 6 1 。自动化的轨道焊接系统和水下焊接机器人系统，能对焊接过 程自动监控，焊接质量好，节省工时，而且还能减轻潜水员的工作强度。但是目前 的水下焊接机器人系统还存在许多问题，其灵活性、体积、作业环境、检测和监控 技术以及可靠性等还有待于进一步发展和提高。 4 焊接模拟技术的出现及发展为焊接生产朝着“理论数值模拟生产 模式的 发展创造了条件，使焊接技术正在发生由经验到科学、由定性到定量的飞跃。近 1 0 年来，焊接数值模拟技术不断向深度、广度发展，研究工作已普遍由建立在温 度场、电场、应力应变场基础上的旨在预测宏观尺度的模拟进人到以预测组织、结 构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段；由单一的温度场、电场、流场、 应力应变场、组织模拟进人到藕合集成阶段；由共性通用问题转向难度更大的专用 特性问题，包括解决特种焊接模拟及工艺优化问题，解决焊接缺陷消除等问题；由 孤立研究转向与生产系统及其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成 部分。但对水下焊接的模拟研究还比较滞后。德国的h a n s - p e t e rs c h m i d t 等人对电 流在5 0 1 0 0 a ，压力在0 1 1 0 m p a ，钨极氩气保护情况下的水下高压焊接电弧进行 了模拟研究，用数学方法解守恒方程得出了温度、速度、压力和电流的分布。其中 电弧温度的测量结果与理论分布吻合良好【l7 1 。随着海洋石油和天然气工业的发展及 我国海洋工程向深海的挺进，应重视和加快水下焊接这方面的数值模拟研究。目前 我国也正着手进行这方面的研究。 5 采用计算机仿真技术，比在实际物理模型上的安装、调试、试验等工作量 要小得多，并且周期短，耗资少，显示出许多优点。近年来，它在焊接工艺的制定、 焊接设备的研制以及控制系统的改进等方面的研究中都有应用【l 引。d a g e s p e d a l e n 等人对高压干法水下焊接进行了仿真技术研究，首先利用s o l i d e d g e 建立焊接舱和 焊接机器人的3 d 模型，然后再转化为l g r i p 运动模型，编制合适的控制程序，整 个海底管道维修操作过程就演示出来【1 9 1 。通过焊接仿真，有助于构思新方案，并 能提前发现存在的问题，这也是以后应当研究的一个领域。 1 2 电弧传感器国内外发展状况 电弧传感器的基本原理是利用焊炬与工件之间距离的变化而引起焊接参数的 8 第l 章绪论 变化来探测焊炬高度及其与坡口中线左右偏差。电弧传感器的最大优势在于抗弧 光、高温及强磁场的能力强，同时传感器的跟踪信号是由焊接电弧本身取出的，检 测点即为焊接点，没有因传感器位置超前而产生的误差。随着控制理论的发展，焊 接过程的自动化技术也得到飞速发展，尤其是模糊控制理论已在焊接过程中得到成 功应用，解决了焊接过程建立精确数学模型的困难。神经网络技术、专家系统等智 能方法也在焊接过程自动控制中得到应用，智能控制技术的产生和发展无疑为焊缝 跟踪提供了新的思路和方法。近年来，智能控制技术在焊接过程控制中得到越来越 广泛的应用，在电弧传感器焊缝智能跟踪方面，国内外焊接学者做了大量的研究工 作。 1 9 8 9 年，日本学者sm u r t k a m i 2 0 1 等研究了弧焊机器人焊缝跟踪控制系统，系 统采用电弧传感器，在强烈的弧光、高温、烟尘下，电弧传感器获得的机器人焊枪 的位置和方向信息中含有很多噪声，为此，采用基于语言规则的模糊滤波器和模糊 控制器来设计焊缝跟踪控制系统。 1 9 9 3 年，韩国学者jwk i m 2 l 】采用摆动电弧传感器进行了气体保护焊焊缝跟 踪试验，分别设计了简单模糊控制器和自组织模糊控制器，用拟合曲线法从焊接电 流信号中获取焊枪位置信息，并按角度偏差设计了系统控制规则。试验结果表明自 组织模糊控制器在偏差角度为1 0 度时，系统仍有很强的跟踪能力，焊缝跟踪效果 明显优于简单模糊控制器。 清华大学刘文焕等人 2 2 1 利用r a t - 1 型旋转电弧采用比例控制方法进行了v 形 坡口及角焊缝的双向自动跟踪的研究。 清华大学的廖宝剑【冽以高速旋转电弧传感器为基础，研制了一套多自由度无轨 轮式焊接小车，采用8 0 9 8 单片机实现了焊接小车转弯跟踪焊缝的模糊控制，其中 焊接小车与焊缝的偏差及偏差的变化作为模糊控制器的输入量，焊枪点转弯引起的 速度分量的方向与焊车前后轴线夹角的增量作为输出量，按极大极小法确定输入状 态，按照重心法原理确定输出量，试验表明对4 3 度折线焊缝跟踪效果良好。 华东船舶工业学院的卢道华设计了一个用高速旋转电弧信号进行焊缝跟踪的 模糊控制系统。 近年来，南昌大学成功地将旋转电弧传感器应用到弧焊机器人上，实现了弧焊 机器人水平位置曲线角焊缝的实时跟踪，焊缝横向纠偏采用模糊控制，焊枪高度纠 偏采用比例控制，跟踪效果满足技术要求。 在本文中把旋转电弧传感器应用到水下焊接机器人中具有十分重要的价值。 9 第l 章绪论 1 3 焊接工艺参数优化国内外发展状况 焊接工艺是一种多输入和多输出的连接工艺，焊缝形状与焊接工艺参数息息相 关。因此，识别产生良好焊缝形状的焊接参数的结合需要很多实验，这样既费时又 费钱。为解决各种优化计算问题，人们提出了各种各样的优化算法，如单纯形法、 梯度法、动态规划法、分枝界定法等。这些优化算法各有各的长处、适用范围和自 身的限制。 解决这些问题的一种有效方法是使用响应表面方法m ) 瞄j 。r s m 是一组统 计的和数学的技巧，它应用于建模、改善和优化工艺。r s m 用于优化工艺的一般 步骤如下： 1 执行筛选实验； 2 把实验区域移近最优点； 3 在最优点周围相对小的区域建立模型； 4 决定使目标函数最大化或最小化的工艺参数的最优配置。 在筛选实验方面有很多研究，它进行建模和优化焊接工艺。然而，没有什么技 巧把实验区域移近优化的焊接点。 一些研究者应用回归分析建立了焊缝几何形状参数和焊接工艺参数之间的线 性型 2 5 2 7 1 ；另外一些研究者使用t a g u c h i 方法查找健壮的焊接条件【2 8 】。 在没有为焊接工艺而建立模型时，全因素的设计能够产生焊接工艺参数的优化 配置。随着输入参数数目和级别的提高，实验的数目呈指数增长，全因素设计方法 显得不切实际。 遗传算法是一类可用于复杂系统优化计算的鲁棒搜索算法，与其他一些优化算 法相比，它主要有以下几个特点【2 9 】： 1 遗传算法的操作对象是一组可行解，而非单个可行解；搜索路径有多条， 而非单条，因而具有良好的并行性。 2 遗传算法只需利用目标函数的取值信息，而无需梯度等高阶导数信息，因 而适用于大规模、高度非线性的不连续多峰函数的优化以及无解析表达式的目标函 数的优化，具有很强的通用性。 3 遗传算法的择优机制是种“软 决策，加上其良好的并行性，使它具有 良好的全局优化性能和稳健性。 4 遗传算法操作的可行解集是经过编码的，目标函数可解释为编码化个体( 可 行解) 的适应值，因而具有良好的可操作性与简单性。 1 0 第1 章绪论 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全 局概率搜索算法，在优化问题的求解方面优于其他算法，它不依赖于问题的具体领 域，广泛应用于多个学科。上海交通大学的倪其民等人用神经网络方法建立加工过 程模型，用遗传算法实现了在线优化，构造了平面铣削加工参数自适应优化系统【3 0 】。 东北大学的董敏等人用人工神经网络建立7 1 7 5 铝合金的性能预测模型，采用遗传 算法对其工艺进行优化，获得了满意的结果【3 l 】。然而，遗传算法在焊接学科中的应 用，国外的文献资料很少，国内未见报道。韩国汉阳大学的d k i m 和r h e e 应用 遗传算法研究了g t a w 的工艺优化问题，在实验量很少的基础上获得了近似最优 化的焊接条件【3 引。 遗传算法是新兴发展起来的一门学科。由于其思想简单、易于实现、应用效果 明显等优点而被众多应用领域所接受，并在自适应控制、组合优化、模式识别、机 器学习、人工生命、管理决策等领域得到了广泛的应用。目前遗传算法的各种应用 实践已经展现出了其优异的性能和巨大的发展潜力，它的发展前景鼓励着各类专业 技术人员把遗传算法的理论和方法运用于自己的工作实践中。 在研究水下焊接工艺参数的优化方面上，遗传算法无疑具有重大的理论和应用 上的价值。 1 4 水下焊接无损检测技术( i 脚t ) 的发展 水下无损检测技术直接对水下焊接焊缝进行质量检查，以发现结构表面的或内 部存在的各种缺陷或隐患，提供清除缺陷和分析隐患的依据，从而确保水下焊接结 构的可靠性和使用安全性p 川。 目前，世界各国正在应用和研究的i r 帅t 种类较多，陆上生产应用的无损 检测( n d t ) 技术，几乎都在水下尝试过。常规的u w n d t 方法一般有水下目视 检澳j ( u w v t ) 、水下磁粉检测( u w m i ) 、水下超声波检n ( u w u t ) 和水下射线检测 ( u w m 3 等。按照作业方式则有潜水员和r o v 两种。为了提高检测效率与精度， 降低劳动强度，节省检测费用，人们一直都在探索更有效的检测手段和方法。近年 来，一些新的方法开始应用于水下焊缝的检测，主要有交流电位降( a c p d ) 法、 水下涡流检测( e m d ) 、交流电磁场测量法( a c f m ) 。 在a c f m 技术领域英国技术软件公司( t s c ) 开发了由1 2 0 2 5 6 个传感器组 成的阵列式柔软底座探头，该探头适合检验对接焊缝、9 0 0 角接焊缝与3 0 0 y 形节点 第1 章绪论 焊缝。并用该设备在北海水域3 0 0 米水深开展商业检验服务，一个平台的检验时间 由8 0 年代的9 0 天缩短到9 0 年代的1 0 天左右，取得了良好技术和经济效果。 a c f m 自1 9 9 1 年应用于海洋工程以来，发展很快，在国内，1 9 9 5 年a c f m 方 法首次应用于惠州2 1 1 油田，采用a c f m 方法对平台的飞溅区结构和水下焊接结 构进行水下无损检测。 水下焊缝存在缺陷，如何使用一种更实用、更快捷、更准确的方法对于焊缝进 行检测具有十分重要的意义。 1 5 课题的研究内容 在国家8 6 3 计划项目( 大型构件水下焊接机器人系统研究与开发，项目编号： 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 4 2 ) 和省科技攻关项目( 水下焊接机器人系统研究与开发，项目编号： 2 0 0 7 b g 0 9 1 0 0 ) 资助下，本论文围绕旋转电弧水下焊接工艺的研究，主要开展以下 几个方面的工作： 1 以水下焊接机器人为平台，同时采用旋转电弧作为传感器，建立了水下焊 接机器人试验平台。在实验平台上进行模拟不同水深( 主要是1 0 , - 一1 5 米水深) 的 焊接实验，并利用实验数据建立工艺参数与焊缝尺寸之间的关系，建立b p 神经网 络预测模型。为操作方便，编制应用程序，实现焊接工艺参数预测系统的人机界面 操作。 2 研究旋转电弧传感器水下焊接的工艺参数优化配置问题，利用b p 神经网络 和遗传算法结合对焊接工艺参数进行优化。 3 研究工艺因素对水下焊缝成形的影响情况，进行两类药芯焊丝水下焊接试 验，并对其焊接效果进行对比分析，包括焊缝的外观分析、x 射线分析以及对焊 缝内部气孔率统计方法分析。 通过建立水下焊缝成形的预测系统，利用b p 神经网络和遗传算法相结合方法 优化焊接参数以及水下焊缝质量研究，可为旋转电弧传感器水下焊接工艺研究提供 理论和技术依据，可明显缩短实验研究周期，提高研究效率，降低水下焊接试验成 本。 1 2 第2 章水下机器人系统构成 第2 章水下机器人系统构成 为实现水下焊接机器人在深水下的自动焊接，首先要建立一套硬件系统，该系 统在控制器的协调下能够自动采集所需的焊接信号、分析偏差、寻找焊缝且驱动焊 枪跟踪焊缝曲线的变化。要完成这些功能，必须要有一套水下焊接实验系统，该系 统包括平台控制子系统、焊接子系统和信号采集和分析子系统。 2 1 水下焊接机器人试验系统 通过初步分析，按水下焊接机器人系统功能模块之间的内在联系，确定了水下 焊接系统的总工作流程：调好水下焊接各个工艺参数、关上水下焊接模拟舱、打开 空压机进行加压、打开焊接电源、焊接小车开始行走同时空心轴电机驱动旋转电弧 传感器匀速旋转，工控机发出开始焊接命令，启动送丝机送丝，这时焊接电源将在 已设定好的参数下开始焊接，工控机在旋转电弧传感器及霍尔传感器、a d 采集卡 的协同作用下对焊接电流进行高速采样，同时进行分析处理，将求出的实时控制量 输出到运动控制卡，最终转换成十字滑块在水平和竖直二个方向上的运动，使焊枪 稳定地进行水下焊缝跟踪，从而稳定地进行水下焊接。 根据以上分析搭建了图2 1 所示的深水压力舱焊接机器人试验系统硬件平台， 包括如下几部分： 图2 1 水下焊接机器人试验系统的装置图 1 3 第2 章水下机器人系统构成 1 控制子系统，对所采集的信号进行分析、处理并制定相应的控制策略，通 过内置的运动控制卡来驱动执行元件，完成焊缝跟踪的任务。 2 焊接子系统，包括旋转电弧传感器、焊接电源、送丝机、保护气体等。 3 信息处理子系统，完成前向通道与后向通道的硬件连接、数字量和模拟量 的采集、转换。 4 附属设备，包括