（化工过程机械专业论文）高频焊管焊接温度测控及温度场数值模拟.pdf

硕 ：学位论义 摘要 高频焊焊接温度是焊管生产的重要工艺参数，它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。因此，对焊接温度的控制非常重要。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，因此焊管的质量不稳定。而在国外工业发达国家已将非接触式的红外测温仪运用在 高频焊接温度自动控制系统中，并且工作稳定性比较强。我国在红外测温技术应用在工 业方面的研究已经成熟，在国产高频焊接机组上也进行了相关的技术研究，并且取得的 良好的效果，但是在长期的生产中缺乏稳定性。本文主要对红外测温仪运用在国产高频 焊接机组上的稳定性进行研究分析，开展的主要工作归结如下。 分析总结了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；给出了影响高频焊管焊接质量的三个重要参数的计算公式以及在其他因素不变 的条件下各自对焊缝质量的影响。 高频焊管生产过程中实时监控及自动调节焊接温度，对提高焊接质量有重大的意 义。本文介绍了比色红外测温仪在高频焊管自动控制系统中的应用，并在实验的基础上， 对所采集到的焊接温度进行分析研究，总结出引起比色测温仪不稳定工作的原因和解决 方法，并提出改进建议。 建立了高频直缝焊管的三维焊接温度场的动态有限元计算模型，利用有限元分析软 件a n s y s 编制了a p d l 程序，针对焊接动态过程进行了模拟仿真。采用线形热源模型进 行计算，分析中考虑了材料热物理性能随温度的变化，以及辐射、对流、相变对温度场 的影响。采用雷泰m a r a t h o n t mf a f r 系列红外测温仪对焊缝进行温度采集，并将模拟计 算结果与采集温度结果进行了比较，两者基本吻合。 关键词：红外测温仪；高频焊管；焊接温度；有限元分析；焊接温度场 硕l ：学位论文 = 昌昌= 詈= 皇暑暑葛皇皇詈詈詈= 詈詈詈鲁詈喜皇詈暑詈= 詈詈皇暑穹皇皇詈暑鲁詈鲁皇皇皇鼍詈昌皇= 毫皇鼍篁皇詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈皇詈昌詈暑暑詈昌! 昌詈暑詈詈篁詈罩昌暑摹詈鼍詈鼍詈i i i n = l e a b s t r a c t h i g l l f r e q u e n c yw e l d i n gt e m p e r a t u r e i sa l li m p o r t a n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si n p i p e p r o d u c t i o n , i ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ew e l d i n gp r o c e s sw h e t h e re s t a b l i s hc o r r e c t l ya n d d i r e c t l ya f f e c tt h ew e l dq u a l i t y s o ，t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o li sv e r yi m p o r t a n t 。i n t r a d i t i o n a lh i g h a 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 n l yo b s e r v e db yw o r k e r s a n dm a n u a la d j u s tp o w e ro fh i 曲f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yo u t p u to rw e l d i n gs p e e dt o a c h i e v e ，s ot h eq u a l i t yo fp i p e si su n s t a b l e i nf o r e i g ni n d u s t r i a lc o u n t r i e sn o n - c o n t a c ti n f r a r e d t h e r m o m e t e rh a sb e e nu s e di nh i g h - f r e q u e n c yw e l d i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n d r e l a t i v e l ys t r o n gj o bs t a b i l i t y 。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 tt e c h n o l o g yi ni n d u s t r y r e s e a r c hh a sm a t u r e di nc h i n a , a n dr e l a t i v et e c h n i c a ls t u d i e sa r ec a r r i e do u ti nd o m e s t i c l l i 曲- f r e q u e n c yw e l d i n gm a c h i n e ，a n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s b u t i n t h el o n g - t e r mo f p r o d u c t i o n , i tl a c k ss t a b i l i t y i nt h i sp a p e r , m a i n l yr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h es t a b i l i t yo f t h e i n f r a r e dt h e r m o m e t e ru s e di nt h ed o m e s t i ch i 曲一f r e q u e n c yw e l d i n gm a c h i n eh a sc a r r i e do u t t h em a i nw o r ki ss u m m a r i z e db e l o w a n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt h eb a s i cp r i n c i p l e s o fi n f r a r e d t h e r m o m e t e ra n dt h ev a r i o u sf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h en o r m a lt e m p e r a t u r eo ft h ei n f r a r e d t h e r m o m e t e r ；g i v e st h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h et h r e ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sw h i c hi m p a c to f 1 1 i 曲- f r e q u e n c yw e l d e dp i p ew e l d i n gq u a l i t y , a sw e l la sw e l dq u a l i t ya f f e c t e db y t h er e s p e c t i v e p a r a m e t e r so fu n d e r t h ec o n d i t i o n so fo t h e rp a r a m e t e r su n c h a n g e d i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fh i - f r e q u e n c yw e l d e dp i p e ，r e a l t i m em o n i t o r i n ga n da u t o m a t i c r e g u l a t i n gt h et e m p e r a t u r e a tw e l di so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h eq u a l i t yo f h i f r e q u e n c yw e l d e dp i p e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h a th o w t h ec o l o r i m e t r i cp y r o m e t e ri su s e d i nt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fh i f r e q u e n c yw e l d e dp i p e t h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c h t h eg a t h e r e dd a t ew h i c hi sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，s u m m a r i z i n gt h ec a u s a t i o nw h i c hc a u s e d t h ec o l o r i m e t r i cp 姐o m e t e ru n s t a b l eo p e r a t i o na n dt h es o l v i n gm e t h o d s ，a n db r i n gf o r w a r d i m p r o v e m e n ta d v i c e s af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i ct h e r m a ld i s t r i b u t i o n so fe r ww a s e s t a b l i s h e d t h ea p d lp r o g r a mw a sw r i t t e nw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r e a n s y st os i m u l a t et h ew e l d e ds e a mo fe r wp i p e t h ei n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r i n g m e t e rr a y t e km a r a t h o nf a f rm e a s u r e st h ew e l d i n gp r o c e s s t h en u m e r i c a ls o l u t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n ta n de f f e c t i v e n e s so f t h ea n a l y t i cm o d e l k e yw o r d s ：i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e r ；h i 曲一f r e q u e n c yw e l d i n gp i p e ； w e l d i n gt e m p e r a t u r e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；t e m p e r a t u r ef i e l d 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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： 粮 日期：缈年多月 矽7 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，同意学校保 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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 球匙日期：砷年d 月吖日 日产多月7 日 硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 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【l 】。 随着我国国民经济建设的持续高速增长，石油化工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。巨大的市场及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际质量已达到国际的先进水平。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h 2 , 3 j 。 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( 如 图1 1 ) ，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，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、成本低等特剧4 1 。 高频焊管焊接温度测控及温度场数值模拟 b 图1 1 管坯的v 形开口 一较长v 形口，卜较短v 形i e ! ，l - v 形区电流 2 一感应线圈，3 - 内环电流，4 一阻抗器 生产实践证明，在高频焊管焊接过程中，焊接温度是焊管生产的主要参量之一，它 直接关系到整个施焊过程能否正常建立，并直接影响到焊缝质量【5 1 。焊接温度过高或者 过低都会影响焊管的质量。过高的焊接温度会浪费焊接功率，使开口边缘部分熔化过多， 引起熔化金属迁移的不稳定，容易发生烧穿，电磁力使过量熔化金属产生飞溅，使操作 困难和表面质量恶化，降低劳动生产率；过低的焊接温度则会使中心部分热输入不足， 当开口边缘部分接触时，引起冷焊，降低焊管质量。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 的质量不稳定。而在一些工业发达国家采用非接触的红外测温装置对焊接温度进行实时 监控，并且形成一个闭环的焊接温度自动控制系统。随着我国的工业红外技术的日渐成 熟，在国产高频焊接机组上也进行了相关的技术研究，并且取得的良好的效果，但是在 长期的生产中缺乏稳定性。 1 2 高频焊接的理论基础【6 川 从理论上来说，。金属高频焊接主要是利用电磁感应定律和全电流定律，以及集肤效 应、邻近效应、环形或者线圈效应、导磁体和铜遮板对导磁体中电流分布的影响、温度 和磁场强度变化时各种金属材料性能的变化、电磁力的作用对金属进行焊接。 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。 1 2 1 电磁感应定律和全电流定律 若通过某一个回路限定的表面磁通量随时间而变化，就会产生感应电动势，其瞬 时值p 按下式求出： 2 坝i 掌位论义 e = qe 感刃= 一锄以 ( 1 1 ) 式中：e 感一感应电场强度矢量； 刃一等于回路段长度讲的矢量，在其方向朝旁路侧回路的切线； 抛一通过回路限定的表面的磁通在时间d t 内的变量。 电动势的方向采用右手螺旋定则来确定。如果磁通量增加时使右手拇指转向磁力方 向，则感应电动势的正向和右手拇指所指的方向一致。事实上，此时感应电动势的方向 为负，所以式( 1 1 ) 中取负号。 如果回路由导体形成并具有n 线匝，则公式( 1 1 ) 中的磁通量应由磁通匝甲代 替，而磁通匝等于通过每一线匝的磁通量代数和。如果通过各线匝的磁通量相同，则 、壬，= ，z 。 回路中电流变化时会产生自感电动势，它与电流的变化速度成正比： e = 一l ( d i d t ) ( 1 2 ) 式中：一与回路几何尺寸和线圈匝数有关的自感系数。 根据试验导出的全电流定律，确定沿任意封闭回路磁场电压矢量日线积分和此回路 的电流代数和间的数量关系为： 丁删芦= ， ( 1 3 ) 计算上式右边部分时，必须考虑到传导电流、转移电流和位移电流，即确定通过回 路所限定的面的全电流。麦克斯韦将全电流定律和电磁感应定律变换成如下两个方程： r o t h - - 万+ 扣d t ( 1 4 ) r o t e = 一a b 出( 1 5 ) 式中：万一传导电流密度，m 2 ； d 一电感，c m 2 。 1 2 2 集肤效应和电流渗透深度 由于交流电在导体截面上分布不均出现集肤效应，所以在导体外表面附近电流密度 最大，而随着与外表面的距离的增加，电流密度逐渐均匀地减小。频率越高，电流密度 减小的速度越快。频率极高时，电流只通过导体的薄表层。集肤效应实际上是增加了导 体的有效电阻，从而使交流电的传递大大复杂化了。但是，集肤效应可以使能量集中地 释放在被加热件的表层。 3 i 蜀频焊管焊援温度测衽及温度场数值模拟 下面以交流电沿矩形母线流动为例研究集肤效应的影响。若母线尺寸相当大，则可 把它看作具有平面的半局限的金属体。而且，其平面入射着平面电磁波。入射波部分反 射到导电介质的表面，部分渗透到此介质中并为其所吸收。另外，设导电介质的磁导率 和电阻恒定。对于通过半局限介质平面的电磁波，其磁场强度日m 和电场强度瓦的复 振幅值可在日和e 是时间的正弦曲线函数时根据麦克斯韦方程组的解求得： 日小= 日脱e - t 1 + m 7 ( 1 6 ) e m = p 瓯= 4 互( p a ) h m 。e j * 4 e 一1 + 7 肌 ( 1 7 ) 式中：日脚一导电介质表面上磁场强度的复振幅，a m ； h 埘口= h 埘ee 铭 ( 1 8 ) 式中铭一最初相位； x 一焊接点至导体表面的距离，m ； 万。一导电介质中电流密度的复振幅，a m 2 。 蠢= 名m p = 压f ，日川： p 川4 p 川m ( 1 9 ) 式中一渗透深度，m ； a = 正确 ( 1 1 0 ) 式中：国一角频率； 国- - - 2 万( 1 1 1 ) 厂一电流频率，h z ； y 一导电系数，l ( g ) m ) 。 因此，随着电磁波渗入导电介质，振幅系数日。、毛和吒按指数律减小。在所有 介质点( 包括其表面) ，电场强度比磁场强度超前7 r 1 4 。此外，最初震荡相h 、e 和万与 x 成比例地变化。随着电磁波渗入介质的深处，相摆动比介质表面上述量的波动越来越 滞后。相位变化2 万的距离称为波长，并根据条件式2 a = 2 7 r 确定。 利用电流渗透深度的概念，往往可以简化计算。电流的指数分布可以用更简单的矩 形分布代替，即可以认为，仅在深度为层释放全部热能。采用这些假设，可以简单地 算出导体的有效电阻，并完成近似的热力计算。 4 硕十学位论文 1 2 3 邻近效应 交流电流过导体系统时就会产生邻近效应。在这种情况下每一个导体不仅处于本身 的交变磁场中，而且还处于其他导体的磁场中。在电流方向相反的导体系统中，由于各 导体磁场的相互作用，在内表面附近会出现最大的磁场强度。电磁能的主要部分由最大 磁场强度区进入导体，在此区电流密度最大。 实际上，邻近效应是集肤效应的表现形式，是由于各个导体电磁场相互作用的总结 果使电流在表面一定区域内的集中。导体之间的距离越近，频率越高，则邻近效应越强 烈。感应加热时，感应器中的电流和被加热件中的电流几乎处于相反的相位。因此，利 用邻近效应时，可选择相应形式的感应器使电流集中在焊件必须加热的区域。 1 2 4 环形( 线圈) 效应 当交流电通过环形或螺旋线圈时，在其内表面会出现最大的电流密度。在这种情况 下，磁场相对导体轴线是非对称的。在线圈内磁场强度增加，电流集中在导体内表面。 当电流通过其他复杂形状的导体时，电流集中在凹入的内表面，而且此表面的曲率半径 越小，则电流越集中。这种电流集中的物理现象谓之环形效应或线圈效应。用包容式感 应器加热圆筒外表面时，环形效应产生有益的影响，并使电流更集中在被加热件的表面。 加热其内表面时，这种效应产生不良影响。 1 2 5 铜遮板对导体中电流分布的影响 在中频感应器的结构中，有时采用铜遮板。铜属于抗磁材料，其相对磁导系数略小 于1 。铜遮板因位于感应器的磁通路上，故可将被加热件感应的磁场和电流重新分配。 在磁场作用下，铜遮板感应出电流，其相位与初始电流相差1 8 0 。因此在铜遮板内磁 场大大减弱，而在铜遮板和坯料间磁场得到强化。 1 2 6 导磁体对电流在导体中分布的影响 如果绕高频电流通过的导体三面是电阻系数较大的铁磁性材料，则导体中电流的分 布急剧变化。可以十分准确地认为，全部电流几乎都集中在导体敞开的一边。电流向外 集中会使有效电阻与电抗增加。这样，绕导体形成开路磁路，从而使电流沿导体截面重 新分布。凹槽深度和通过导体的电流频率越大，重新分布越强烈。 5 高频焊管焊接温度测控及温度场数值模拟 1 2 7 温度和磁场强度变化时各种金属性能的变化 电流在导线和被加热件中的分布，以及功率分布取决于材料的性能一导磁率和电阻 系数。材料的导磁率取决与温度和磁场强度，而电阻系数取决于温度。铜及其合金、铝 及其合金、钛、奥氏体钢这一类材料的绝对磁导率朋近似于真空绝对磁导率。这些材 料的相对磁导率近似等于l ，实际上与磁场强度无关。 铁磁性材料的相对磁导率大大超过l ，并与磁场强度、温度和预先磁化有关。当材 料温度低于居里点时，p 实际上不变( 在强磁场中稍微降低，但在弱磁场中增加) 。当 材料温度为居里点温度时，相对磁导率急剧降到1 ，若温度进一步升高，则仍然不变。 金属的电阻随着温度的升高而增加。对于铁磁性材料，当温度为居里点温度时，其 电阻产生最大变化。 1 2 8 电磁力 电磁场中各导体受电磁力的影响，而电磁力是由于传导电流和磁化电流同磁场的相 互作用而产生的。传导电流和磁场相互作用时产生的电磁力迫使带电导体从高磁场强度 区移向较低磁场强度区；若电流相位差为零，也可使各导体接近；若相位差为1 8 0 。， 则可使各导体分离。焊接时，电磁力将烧熔的金属从v 形焊缝抛出，从而影响焊接质量。 随着频率降低，电磁力增加。 磁化电流( 铁磁性材料) 和磁场相互作用时，电磁力迫使导体向最高磁场强度区移动。 此时，由被成形和加热的铁磁性材料表面飞落在车间空气中的极微小的氧化皮颗粒、刨 屑和毛刺粘在感应器上，并在感应器的磁场中加热到居里点温度，使其失去绝缘的作用。 导体表面的磁场强度及其性能确定导电介质吸收的功率。 1 3 高频焊管的工艺流程【8 - - o 】 1 3 1 准备阶段 开卷就是将钢卷的端头打开，扳直并将其送入随后的设备之中。开卷以后，对带钢 进行整平，切头切尾，用圆盘剪开料，然后复卷。从钢铁厂来的原材料是定尺宽度，根 据管子实长剪切成相应的宽度，焊接时通常采用i 形坡口，可使沿厚度方向加热均匀， 而且坡口准备容易。但是当管坯厚度很大的时候，i 形坡口将使坡口横截面的中心部分 加热不足，而上下边缘加热过度，这时可选用双v 形坡口以使横截面加热均匀，然后将 材料储备好，供应制管生产。 6 硕上学位论文 1 3 2 制管和矫正阶段 开卷之后，继续对带钢进行整平，切头切尾，并剪切对焊( 接长) 以保证成型机组 的连续性生产，经过水平螺旋活套( 活套是流水生产线中的调节中枢) ，通过无损探伤 检测带钢中部是否存在缺陷，然后将带钢存储在活套装置中，对成型机组供料。 经过准备的带钢进入连续式成型机组，经过挤压辊的作用，带钢逐渐弯曲，直至卷 成圆管，用高频加热装置加热带钢的两条边缘，使其达到焊接温度，然后用挤压辊进行 压力焊接，之后用毛刺清除装置对被挤到钢管内外表面的熔化或塑性状态的金属所形成 的内外毛刺加以清除，空冷一段时间之后，对其进行水冷，使焊管不再由于空冷而产生 弯曲变形。 由挤压辊出来的钢管，断面均有一定的立椭圆度，外径比成品管略大。为了得到精 确的钢管外径和断面形状，在水冷之后，必须通过定径机对焊管进行冷定径。在满足相 应的公差要求下，在运动中将定径后的焊管切成定尺或倍尺长度。 1 3 3 质量检验阶段 焊管的质量检验组要包括各种机械性能、几何尺寸精度、焊缝质量等。一般检验项 目有：检查钢管气密性、焊缝强度和连接螺纹气密性的水压或气压试验；检查焊缝缺陷 的无损探伤；检查各种机械性能的压扁、扩口、弯曲和硬度试验；焊缝金相组织的化学 分析；几何尺寸精度的目检和测量，以及钢管称重等。 1 3 4 热处理和镀涂层阶段 热处理是高频焊管生产过程中必不可少的重要的工艺过程。在高频焊管生产过程中 由于成型和工艺等因素形成的残余压力，使得母材和焊缝金属的金相组织不均匀，机械 性能不一致，造成焊管的质量低下。为了消除残余压力，改善焊管的各项机械性能，提 高成品质量，必须对高频焊接机组生产出来的所有焊管进行热处理。 腐蚀对焊管严重破坏，不仅造成了严重的直接和间接经济损失，而且会危及到人们 的生命和财产的安全，因而必须对焊管进行有效的防腐措施。近些年来，焊管表面的镀 涂层工艺有了长足的进步。国外的研究和试验表明，表面覆盖有保护层的钢管和没有保 护层的钢管相比，其使用寿命大约提高6 - - 5 0 倍。例如，建筑工业中采用的镀锌管作热水 管，其使用寿命要比黑管长5 1 0 倍，镀铝管的使用寿命要长1 5 4 0 倍；海上采油采用镀 锌管作管桩，其使用寿命可达n 2 0 年以上，而没有覆盖保护层的管子使用寿命不超过5 年【l l 】。由此可以，镀涂层对焊管的防腐起到极大的作用。 7 高频焊管焊接温度测控及温度场数值模拟 1 4 高频焊接方法的优缺点【屹郴1 】 利用高频电流特有的集肤效应和邻近效应的高频焊接具有的主要特点：1 ) 焊速高。 这是由于电能高度集中，焊接区加热速度极快，焊速高达1 5 0 - - 2 0 0 m m i n 仍然不会产生 “跳焊”；2 ) 热影响区小。这是因为焊速高，工件自冷作用强，故热影响区窄且不易发 生氧化，从而可以获得良好的组织和性能的焊缝，不会产生过烧和焊不透现象：3 ) 待 焊处表面可不必进行焊前清理。 根据电流频率的不同，高频焊可分为无线电高频电流焊和高频感应焊、中频电流焊 三种。根据高频电流引向管坯的方法不同，高频焊可分为高频接触焊和高频感应焊两种 形式。 与普通电阻焊接及其他的焊接方式相比，高频焊接有以下的优点：1 ) 用摩擦接触 或者感应导电，电能的利用率比较高；2 ) 焊接接头热影响区比电阻焊更窄，接头强度 高，且没有铸造组织；3 ) 在焊接热循环的顶锻或者锻压阶段，所有熔化金属会从接头 处挤出，可消除引起焊接裂纹的低熔点相；4 ) 焊接薄材料工件不易被压弯或者压溃， 变形小。 同时，与其他焊接方式相比，高频焊接有以下的缺点：1 ) 热范围小，急速烧化， 对管子内表面不利；2 ) 容易产生电蚀，影响焊管质量；3 ) 设备投资费用高，对工件装 备要求严格，且对连续焊缝要求制造适当形状的v 形坡口：4 ) 必须采取对高频电流的防 护措施和避免电波辐射的干扰。 1 5 高频焊接温度自动控制系统的发展现状 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 4 j 5 】 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 r 硕 ：学位论文 个闭环控制系统。 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【1 由19 】：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 6 课题的意义 本文在这些研究的基础上，将雷泰m a r a t h o n 咖f a f r 系列比色红外测温仪安装在 焊接速度为6 0 + 2 r n m i n 的国产0 4 8 3 m m 高频焊管机组上，将采集到的焊接温度信号输 入到l a b v i e w 所编写的控制程序中，数据经过增量式p i d 算法处理后，输出控制信号 来控制焊接温度，从而形成一个闭环的控制系统。对所得实验数据进行分析，总结出影 响比色红外测温仪在高频焊管焊接自动控制系统运用中稳定性的几个重要因素，对其进 行调整，使测温仪工作趋于稳定；并且采用a n s y s 有限元分析软件对高频焊管焊缝的 温度场进行模拟计算，将所得计算温度值与实测温度值进行比较，两者基本吻合。 9 硕i j 学位论文 第2 章红外测温技术原理及使用 在现代工业中，作为度量物体冷热的一个物理量，温度是工业生产中很普遍以及很 重要的一个热工参数。许多生产工艺过程都要求对温度进行监测和控制，尤其是在化工、 食品等行业的产品生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。 温度的测量方式主要有接触式和非接触式两大类。接触试测温仪的感温元件需要与 所测物体进行充分的热交换，需要在一定的时间内才能达到热平衡，造成测温延迟，同 时受到耐高温材料的限制，所以不能应用于连续生产和高温度测量。而非接触式红外测 温仪采用光电敏感元件，测量范围广，反应速度快，灵敏度高，动态响应好，不会破坏 被测物体的温度场，可实现在线连续测温等优点，得到了广泛的应用。表2 1 列出了常 用的测温方法和特点，其中非接触式红夕l - n 温仪作为一种常用的测温技术显示出较为明 显的优势。1 2 0 - 2 2 表2 1 常用的测温方式 因为红夕l - n 温技术的理论是依据热辐射基本定律，可以直接测量热力学温度。随着 许多新型多元的测温元件的开发出现，计算机技术和微电子技术的不断发展和运用，红 # i - n 温技术显示出广阔的前景。 2 1 接触式测温仪的原理及分类 由热平衡原理可以知道，两个物体在接触后，经过足够长的时间达到热平衡，则它 们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量， 这种测温方式称为接触式测温法。它的特点是，温度计要与测量物体有良好的热接触， 使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触式测温法时，感温元件要与被测物 体接触，往往需要一定的时间达到热平衡，同时要破坏被测物体的热平衡状态，并受到 被测物体的腐蚀作用，因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻【2 3 】。 常用的接触式测温仪按照其测温原理主要可分为：膨胀式温度计、电阻温度计和热 11 高频焊管焊接温度测控及温度场数值模拟 电温度计。 膨胀式温度计是根据物体的热胀冷缩的原理制成的。它的种类很多，主要有液体膨 胀式玻璃温度计、液体、气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。它的测温 范围在2 0 0 6 0 0 。 电阻温度计( 工业部门称为热电阻) 是利用金属( 包括合金) 导体或者金属氧化物 等半导体做测温质，利用随温度而变化的电阻做测温量。温度计的电阻值需要通过电桥 等电测仪表显示出来。电阻温度计测温范围在2 0 0 8 5 0 ，同时它具有测温精度高、 稳定性好、能远距离测量、便于实现温度控制和自动记录等优点。 热电温度计( 工业部门称为热电偶) 是以热电偶作为测温元件，用热电偶测得与温 度相对应的热电动势，由仪表显示出温度的一种测温仪。它是由热电偶、补偿导线及测 量仪表构成的，广泛用来测量2 0 0 1 3 0 0 。c 范围内的温度。热电温度计的优点有：可 将温度量转换成电量进行检测，所以对于温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、 变化等都很方便；结构简单，制造容易，价格便宜；惰性小，准确度高，测温范围广； 能适应各种测量对象的要求，如点温和面温的测量；适于远距离测量与自动控制。 2 2 红外测温仪的基本原理 2 2 1 黑体辐射 在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于物体内部热运动的存在，就会不 断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0 7 5 1 t m - 1 0 0 1 a m 红外线，如表2 2 的波 长分段。它最大的特点是在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这 种物质称为黑体，并设定它的反射系数为1 ，其它的物质反射系数小于l ，称为灰体，由 于黑体的光谱辐射功率r 以丁) 与绝对温度t 之间满足普朗克定理【2 3 】： r q 丁) = 争，i e 击盯 - ) 几 、 7 一i 式中：只以r ) 一黑体的辐射出射度，w ( r n 2 m ) ； 旯一波长，岬； r 一热力学温度，k ； c l 、c 2 一辐射常数，c l - - 3 7 4 1 7 7 4 9 1 0 8w x m 2 ，c 2 = 1 4 3 8 7 6 9 x1 0 2 m k 。 硕f ：学位论文 表2 2 波长分段 k 入 ( um ) 图2 1 黑体光谱辐射分布特征 由式( 2 1 ) 可知：在一定的绝对温度t 下，波长五处单位面积上黑体的辐射功率为 p 。( z r ) 。根据上述的关系，可以得到图2 1 的关系曲线。图中给出了温度在5 0 0 k 9 0 0 k 范围的黑体光谱辐射出射度随波长变化的曲线，从关系曲线图中可以看“2 4 】： ( 1 ) 光谱辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值； ( 2 ) 与曲线下的面积成j 下比的总的辐射出射度是随温度的升高而迅速增加的温度 越高，光谱辐射出射度越大； ( 3 ) 当温度定时，光谱辐射出射度随波长的不同按一定的规律变化，曲线有一 个极大值，波长为丸。当波长小于以时，辐射出射度随波长的增加而增加；当波长大 于丸时，辐射出射度随波长的增加而减少； ( 4 ) 当温度增加时，光谱辐射出射度的峰值波长向短波方向移动。物体的辐射亮 度增加，发光的颜色也改变。当温度低于8 0 0 时，物体主要是发射红外线；温度再增 高，可见光增加，物体发光越来越白，虽然峰值波长移向短波，但还是在红外区，直到 温度高于4 0 0 0 k 时，峰值波长才会移到可见光； ( 5 ) 黑体的辐射出射度只于黑体的绝对温度有关。 黑体光谱辐射亮度曲线峰值波长九和温度t 间的关系，可用维恩位移定律的数学表 达式描述【2 5 】： 九t = 2 8 9 8 p m k ( 2 2 ) 1 3 如果能测出黑体光谱辐射亮度的最大值对应的波长丸，就可根据维恩位移定律算 出这一黑体的温度。太阳表面的温度就可用这种方法测得。亮度测温技术( 如比色测温 仪) 就是依据这一原理，通过对黑体光谱辐射亮度的测量，准确地确定其温度。 史蒂芬一波尔兹曼定律给出了黑体的全辐射出射率与温度的关系。利用普朗克公式 ( 2 1 ) ，对波长从0 到0 0 积分可得【2 3 1 ： 乞( 力= 黠高= p 善= 眨3 ) 式中：咒仃) 一温度为t 时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的