（材料加工工程专业论文）高频焊管温度监控及视觉检测系统研究.pdf

t h es t u d yo ft h es y s t e mo f t e m p e r a t u r em e a s u r i n ga n d c o n t r o la n d v i s u a li n s p e c t i o nf o rh i g h f r e q u e n c yw e l d e d p i p e b y x i a oh o n g b e ( n a n c h a n gh a n g k o n gu 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 fe n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu 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 rf a nd i n g m a y , 2 0 1 1 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： 夯髫日期：2 叫，年 乡月2 侈e l 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：夯宏 导师签名：岁够f 日期：夕f 年箩月7 碧日 日期：弘ff 年岁月扔e t 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 高频焊管及其温度监控研究现状6 1 2 1 高频焊方法基础及制管工艺6 1 2 2 高频焊管焊接温度测量控制研究现状7 1 3 本文研究内容及技术路线_ ：1 0 第2 章高频焊管温度控制仿真试验1 l 2 1 仿真技术及s i m u l i n k 仿真工具包介绍1 1 2 2 高频焊管温控仿真模型的选取1 2 2 3 常规pid 温度控制仿真1 2 2 - 3 1 p i d 控制原理1 2 2 3 2 增量p i d 控制器设计及温度控制仿真试验1 4 2 4 模糊pid 温度控制仿真1 6 2 4 1 模糊p i d 控制器设计1 7 2 4 2 模糊p i d 温度控制仿真试验1 9 2 5 本章小结2 0 第3 章基于l a b v i e w 的高频焊管温度控制系统2 1 3 1 控制系统硬件设计2 1 3 1 1 温度传感器的选择2 2 3 1 2 红外温度传感器测量误差分析及参数设置2 3 3 1 3 硬件抗干扰措施2 4 3 2 控制系统软件设计一2 5 3 2 1 l a b v i e w 软件介绍2 5 3 2 2 1 a b v i c w 编程设计一2 5 3 3 系统测温试验2 8 3 4 高频焊管温度控制试验3 0 高频焊管温度监控及视觉检测系统研究 3 5 本章小结31 第4 章基于p l c 和触摸屏的高频焊管温控系统一3 2 4 1 系统硬件设计3 2 4 1 1 p l c 选型及介绍3 2 4 1 2 触摸屏选型及介绍3 3 4 1 3 系统主要硬件设备及介绍3 4 4 2 系统软件设计3 5 4 2 1 p l c 编程3 5 4 2 2 触摸屏人机界面设计3 5 4 3 系统温控试验3 5 4 4 本章小结3 7 第5 章高频焊管温度视觉综合检测系统设计3 8 5 1 温度视觉综合检测系统结构3 8 5 2 视觉检测系统组成一3 9 5 2 1 摄像机的选型3 9 5 2 2 镜头及其附件的选择4 0 5 2 3 视频采集卡一4 2 5 3 视场标定方案设计4 2 5 4 视觉采集系统软件设计一4 3 5 5 高频焊管焊接区域视觉检测试验及图像处理算法研究4 4 5 5 1 高频焊管焊接区域特征分析4 5 5 5 2 高频焊管焊接区域图像形态学边缘检测算法研究4 6 5 5 3 高频焊管加热区域宽度值计算及统计分析4 9 5 5 4 高频焊管焊缝错边缺陷图像特征提取算法研究5 0 5 6 本章小结5 4 结论与展望一5 5 参考文献5 7 致谢6 1 附录a ：攻读学位期间所发表的学术论文情况6 2 附录b ：p l c 温控系统梯形图程序6 3 硕士学位论文 摘要 焊接温度是影响高频焊管焊缝韧性最重要的因素之一，焊接温度在高频焊管 的生产过程受到管材材质壁厚不均、焊接速度波动等一些因素影响容易发生波动， 焊接温度的波动最终会导致高频焊管焊缝成型质量的下降。本文对如何对高频焊 管焊接温度进行监测控制并应用于生产实际做了研究。 试验前期根据高频焊管温度控制模型，使用m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真工具包进 行了高频焊管温度控制仿真试验。分别设计了常规p i d 控制器和模糊自适应p i d 控制器，比较了两种控制器的仿真控制效果。试验结果表明：在添加干扰信号的 模型条件下，常规p i d 控制器和模糊自适应p i d 控制器都能有较好的控制精度和 响应速度，常规p i d 控制器响应速度要稍快于模糊自适应控制器，模糊自适应p i d 控制器具有较小超调量，两种控制器有各自优点。 在仿真的基础上，结合高频焊管现场生产状况对控制方案进行了分析选择。 由于高频焊管是个高速的生产过程，在焊管生产现场，模糊p i d 控制方案较常规 p i d 控制方案调整参数多、周期长，调整不适很容易造成很高的废管率，因而最 终选择常规p i d 控制器设计了基于l a b v i e w 平台的高频焊管温度监控系统。试验 结果表明：该系统具有良好的测温精度和控制响应速度，能及时准确显示采集到 的焊管温度，在测温准确的前提下，可以对焊管温度起到较好的控制效果。 为了满足企业的生产要求，构建了基于p l c 和触摸屏的高频焊管温控系统。 p l c 和触摸屏系统相对微机系统而言，具有更高的可靠性，操作简单，更方便工 人在高频焊管生产车间进行现场操作使用。现场试验证明，p l c 和触摸屏系统可 以准确显示采集到的高频焊管温度趋势图，在焊管位置波动不大，测温准确的前 提下能有很好的温度控制效果。 试验后期设计了高频焊管温度视觉综合监测系统，通过对焊管焊接区域温度 和视觉的综合监测，可以更加全面的对焊管生产质量进行监测分析。对高频焊管 焊接加热区域的图像特征提取进行了算法研究。研究表明，使用形态学算子能够 准确提取出高频焊管加热区域的图像边缘，提取的图像边缘信息光滑、连续、断 点和噪声较小。在提取焊管加热区图像的基础上，研究了加热区宽度值提取算法， 对视觉检测过程中采集的每帧图像在同一位置进行了焊管加热区宽度提取计算， 分析了熔宽变化和焊接缺陷之间的对应关系。 关键词：高频焊管；焊接温度；仿真；温度控制；视觉检测 高频焊管温度监控及视觉检测系统研究 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yf a c t o r st oa f f e c tt h et o u g h n e s so fw e l db e a d sf o rh i g h f r e q u e n c y w e l d e dp i p e w e l d i n gt e m p e r a t u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s w e l d i n g t e m p e r a t u r ei nh i g hf r e q u e n c yw e l d e dp i p ep r o d u c t i o np r o c e s sw i l lf l u t u a t ed u et ot h e i n f l u e n c eo ft h et h i c k n e s so fp i p ew a l la n dt h ef l u c t u a t i o no fw e l d i n gs p e e d t h e f l u c t u a t i o no fw e l d i n gt e m p r e t u r ec a ne v e n t u a l l yl e a dq u a l i t yo ft h ew e l d i n gs e a m f o r m i n gt od e c l i n e t h er e s e a r c h e sw e r ed o n et h a th o wt om o n i t o ra n dc o n t r o lt h e w e l d i n gt e m p e r a t u r eo fh i g hf r e q u e n c yw e l d e dp i p ea n du s ei ti nt h i sp a p e r i nt h ee a r l i e rs t a g eo ft e s t ，s e l e c tt e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d e l so fh i g hf r e q u e n c y w e l d e dp i p e ，a n du s es i m u l a t i o nt o o k i to fm a t l a bt od os i m u l a t i o na n dc o n t r o lo f t e m p e r a t u r ef o rh i g hf r e q u e n c yw e l d e dp i p e g e n e r a lp i dc o n t r o l l e ra n df u z z y a d a p t i v e p i dc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y , t h e nt h et w os i m u l a t i o n o f c o n t r o l l e r sr e s u l t sa r ec o m p a r e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l l e ra n dt h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rc a nh a v eag o o dc o n t r o lp r e c i s i o na n d r e s p o n s es p e e di n t h ec o n d i t i o no fa d d i n gi n t e r f e r e n c es i g n a lt ot h em o d e l ，t h e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e rr e s p o n s es p e e ds l i g h t l yf a s t e rt h a nf u z z ya d a p t i v e c o n t r o l l e r ，b u tt h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rh a ss m a l lo v e r s h o o t s ，t w oc o n t r o l l e r s h a v et h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e s o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，c o m b i n ew i t hp r o d u c t i o ns t a t u so fh i g hf r e q u e n c y w e l d e dp i p et oa n l a y z ea n dc h o o s e d u et ot h ep r o d u c t i o np r o c e s so fh i g hf r e q u e n c y w e l d e dp i p eh a v i n gh i g hs p e e d ，i nm a n u f a c t u r i n gs i t e s ，f u z z yp i dc o n t r o lh a sm o r e r e g u l a t i o np a r a m e t e r sa n dl o n g e r l i f ec y c l et h a ng e n e r a lp i dc o n t r 0 1 a d j u s t m e n t d i s c o m f o r te a s i l yl e a dt oah i g hr a t eo fw a s t ep i p e s f i n a l l ys e l e c tt h eg e n e r a ld e s i g h o fp i dc o n t r o l l e rt od e s i g nt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mo fh i g hf r e q u e n c yw e l d e d p i p eb a s e do nl a b v i e wp l a t f o r m t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h i ss y s t e mh a dag o o d m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dr e s p o n s es p e e d ，a n da c c u r a t e l yd i s p l a yc o l l e c t e dw e l d e d p i p et e m p e r a t u r e b e s i d e s ，o nt h ep r e m i s eo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，i t w e l lc o n t r o lw e l d e dp i p et e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fh i g hf r e q u e n c yw e l d e dp i p eb a s e do np l ca n d t o u c hs c r e e mw a sw a sb u i l to nt h eb a s i so fm i c r o c o m p u t e rh i g hf r e q u e n c yw e l d e d p i p e t h es y s t e mo fp l ca n dt o u c hs c r e e mh a sah i g h e rr e l i a b i l i t y ，e a s yo p e r a t i o n ， m o r ec o n v e n i e n c ef o rw o r k e r si nh i g h f r e q u e n c yw e l d e dp i p ep e o d u c t i o ns h o pt o 硕士学位论文 o p e r a t e o nt h es p o t f i e l dt e s tp r o b et h a t ：p l ca n dt o u c h s c r e e ms y s t e mc a n a c c u t a t e l yd i s p l a y at r e n dd i a g r a mo fc o l l e c t e dt e m p e r a t u r ef o rh i g h - f e q u e n c y w e l d e dp i p e o nt h ec o n d i t i o nt h a tl i t t l ef l u c t u a t i oo fp i p el o c m i o na n da c c u r a c yo f e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，i tw e l lc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e a i m e da te n v i r o n m e n t a lc o m p l e xo fh i g hf r e q u e n c yw e l d e dp i p ep r o d u c t i o na n d m a n yf a c t o r sl e a d i n gt ot h ei n s t a b i l i t yo ft e m p r a t u r em e a s u r e d ，t h ev i s u a lm o n i t o r i n g s y s t e mo fh i g hf e q u e n c yw e l d e dp i p et e m p e r a t u r ew a sd e s i g n e d t h ep u r p o s ei st h a t t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n go fw e l d e dp i p ew e l d i n gt e m p e r a t u r ea n dv i s u a l ， t h eq u a l i t yo fw e l d e dp i p ep r o d u c t i o nw a sc o m p r e h e n s i v e l ym o n i t o r e da n da n a l y z e d t h ei m a g ef e a t u r ee x t r a c t i o no ft h eh i g hf e q u e n c yw e l d e dp i p ew e l d i n gh e a t i n ga r e a a l g o r i t h mw a si ns t u d y r e s e a r c hs h o w st h a tt h eu s eo fm o r p h o l o g i c a lo p e r a t o rc a n a c c u r a t e l ye x t r a c tt h ei m a g ee d g eo fh e a t i n ga r e ao fh i g hf e q u e n c yw e l d e dp i p e ，t h e e x t r a c t e di m a g ee d g ei ss m o o t h ，c o n t i n u o u s ，b r e a k p o i n ta n dn o i s ei ss m a l l b a s e do n t h ee x t r a c t e di m a g eo fh e a t i n ga r e a ，w i d t hv a l u e se x t r a c t i o na l g o r i t h mo ft h eh e a t i n g a r e ai ss t u d i e d ：t h ew i d t he x t r a c t i o no ft h ew e l d e dp i p eh e a t i n ga r e ac a l c u l a t i o ni s c a r r i e do u tf o re v e r yf r a m ei m a g eo fc o l l e c t e dv i s u a li n s p e c t i o np r o c e s si nt h es a m e p o s i t i o n ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i po fw i d t hc h a n g e sa n dt h ew e l d i n gf a w si s a n a l y s e d k e yw o r d s ：h i g h f r e q u e n c yw e l d e dp i p e ；w e l d i n gt e m p e r a t u r e ；s i m u l a t i o n ； t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；v i s u a li n s p e c t i o n m 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 钢管作为一种重要的经济型材，在自来水管、煤气管道、锅炉管道、建筑 结构管、汽车散热器管以及石油天燃气管道等生活、生产用管方面都有着广泛 应用。近些年，国民经济发展迅速，我国制管工业发展前景广阔。早期的钢管 主要以无缝钢管为主，随着冶金技术和制管技术的进步，焊接钢管在性能上得 到了很大提高，在很多领域已经替代无缝钢管成为主要用管。和无缝钢管相比， 焊管尺寸精度高，价格便宜，焊缝组织晶粒细化带来了组织性能的提高，表现 在抗挤压性能和抗爆裂性能均高于无缝钢管。随着我国西气东输、西部油田开 采以及海底石油勘探等项目的上马，对焊管的需求量越来越大。图1 1 所示为 2 0 0 0 2 0 0 6 年我国焊管产量变化情况。在2 0 0 0 2 0 0 6 年期间： ( 1 ) 2 0 0 1 年我国焊管年产量超过日本，至今稳居世界第一。 ( 2 ) 2 0 0 3 年我国焊管年产量超过1 0 0 0 万t ，比l9 9 6 年( 4 3 0 万t ) 翻了一番 多。 ( 3 ) 2 0 0 6 年焊管年产量首次超过2 0 0 0 万t ，达到2 0 0 9 万t ，比2 0 0 3 年几 乎又翻了一番1 。 2 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 32 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 年份 图1 12 0 0 0 2 0 0 6 年我国焊管产量变化情况 我国目前应用于输油管线、石油套管等方面的管型主要有螺旋埋弧焊管 ( s s a w ) 、直缝埋弧焊管( l s a w ) 和高频电阻焊管( e r w ) 。早期占很大应用 比例的螺旋埋弧焊管由于内应力大、尺寸精度差，容易产生缺陷等缺点，已逐 步被直缝埋弧焊管和高频电阻焊管取代。直缝埋弧焊管焊缝长度短，内应力小， o 加 侣 伸 5 曾荩删傲 高频焊管温度监控及视觉检测系统研究 钢管成型精度和成型质量高，是目前石油输送管和石油套管方面的主力用管。 随着长输管道技术的快速发展，发展高压输送和高密度输送已成为大势所趋。 在提高焊管强度和韧度的前提下，适当减薄管壁厚度，可以大大减少一次性投 资和运行费用。高频焊管是一种比较特殊的管材焊接方法，通过挤压管材并通 过高频加热成型，无须填充焊丝，在满足成型条件的基础下，有着很高的生产 效率，且大大缩小了价格成本，越来越多国家倾向于发展高频焊管生产技术， 采用高强度和高韧性的高频焊管作为输油用管和油井套管1 2 1 。 我国小口径e r w 焊管机组发展较早。1 9 5 9 年上海钢管厂首先试制出了采用 高频接触焊焊接方式的直缝焊管机组，并得到迅速的推广。1 9 6 4 年天津自行车 二厂与天津纺织学院合作，成功地试制出了高频感应焊工艺，并成功地应用于自 行车的生产中。高频焊接工艺的采用，推动了我国小口径焊管的发展。为了赶超 世界焊管生产的先进水平，满足石油工业用管的需要，1 9 8 5 年宝鸡石油钢管厂 从原联邦德国全套引进了一套4 0 6 ( 1 6i n ) e r w 焊管机组，并于1 9 8 8 年建成 投产，拉开了我国生产中大口径e r w 焊管的序幕。这套中口径焊管机组可生产外 径1 3 9 7 4 2 6 m m 、壁厚3 2 1 4 m m 的高频直缝焊管。1 9 9 0 年辽宁锦西钢管厂 从原联邦德国曼内斯曼公司引进了一套5 0 8 ( 2 0i n ) e r w 机组，1 9 9 3 年和1 9 9 4 年番禺珠江钢管厂、北海钢管厂和上海中轻钢管厂分别建成一套3 5 5 ( 1 4 i n ) e r w 焊管机组。这些机组的建成投产，提高了我国e r w 焊管的质量水平，并逐 渐使国产e r w 焊管在石油、天然气、矿浆输送等管线以及油气井的开采等方面 获得了应用。进入2 l 世纪后，以西气东输工程为标志的天然气管线和以西南成 品油工程为标志的成品油管线推进了我国冶金行业和钢管行业的新发展，掀起 了建设焊管机组的新一轮高潮，一批大中口径e r w 焊管机组相继建成投产。截止 2 0 0 6 年，大庆华瑞克钢管公司已建成一套6 6 0 ( 2 6i n ) e r w 焊管机组，上海宝 钢、上海中油天宝、湖州金洲集团、天津双街钢管公司各建成一套6 1 0 ( 2 4i n ) e r w 机组，华油扬州、江苏玉龙、山西国联钢管公司各建成一套5 0 8 ( 2 0i n ) e r w 机组，同时还建成若干条3 5 5 ( 1 4i n ) 、3 2 4 ( 1 2i n ) 等e r w 焊管机组。这些 机组的建成，扩大了我国e r w 焊管生产规格。 据有关资料显示，截止目前为止，我国2 1 9 1 6 1 0 m me r w 焊管年设计生 产能力接近4 0 0 1 0 t ：同时国内还有1 1 4 2 1 9e r w 焊管机组6 0 余套，年生产 能力3 0 0 10 4t ：2 0 8 9 m me r w 焊管机组10 0 0 余套，年生产能力5 0 0 1 0 4t ： 我国e r w 焊管机组年生产能力总计约12 0 0 1 0 4t ，生产能力已基本满足了市 场的需求睁 。 虽然近些年我国高频焊管的发展取得了令人欣喜的成果，但主要倾向于发 展小口径、低质量焊管生产，低端小口径焊管的产能远远供大于求，大口径、 高质量的高频焊管却明显产能不足，严重依赖于从国外进口。高频焊管长期使 2 硕十学位论文 用于生活用水管道等对焊缝强度和韧性要求较低的行业，使用高频焊管作为输 油用管和油井套管首先要解决的关键的问题是提高高频焊管焊缝强度和韧性 【8 l o 为提高国产大口径、高质量高频焊管的生产能力，一方面，我国大力引进 国外先进的大口径高频焊管机组，另一方面，大力发展具有自主知识产权的国 产高质量高频焊管生产线，并在生产工艺上进行改进研究。上海宝山钢铁公司、 武汉钢铁公司对高强度系列高频焊管制造工艺进行了研究，在x 6 0 、x 7 0 钢级高 质量焊管上取得了很高水平的成果。表1 、表2 所示分别为上海宝钢x 7 0 级高 频焊钢管和国外同级别高质量高频焊管夏比冲击韧性及力学性能对比四1 。 表l 国内外x 7 0 级钢高频焊管夏比冲击韧性对比 注：1 c v n 表示冲击功；2 s a 表示d w t t 断裂韧性剪切面积与原面积 表2 国内外x 7 0 级高频焊管力学性能对比 兰产厂竺级及钢管规试样类别竺服强抗拉强度伸长率景服 家格m m 度m p a m p a 比 4 9 55 0 33 8 50 8 2 管体横向 ，。，x 7 0 4 9 25 9 43 90 8 3 宝钢 。 巾5 2 9 7 一 5 5 9 一一 焊缝横向 。_ 5 5 6 _ _ _ 。 日本川x 7 。管体横向三5 8 三兰3 。；3 3 6 3兰雩耋 崎 由5 2 9x7 5 7 2 一一 。 焊缝横向 从表l 、2 数据分析可知，我国x 7 0 级高质量高频焊管的焊缝抗拉强度为 3 高频焊管温度监控及视觉检测系统研究 6 5 9 6 6 2 m p a ，基本可以达到日本x 7 0 级高质量焊管的抗拉强度水平 6 7 0 6 7 2 m p a 。而国内x 7 0 级高频焊管焊缝在2 0 、- 4 0 、一6 0 下的夏比冲 击试验平均冲击功分别为1 6 6 j 、1 4 3 j 和9 7 j ，还较大程度低于日本x 7 0 级高频 焊管的1 8 6 j 、1 8 8 j 和1 3 6 j 。 因此，分析造成我国国内和国外先进高频焊管焊缝韧性差异的造成原因， 研究如何提高国产高频焊管焊缝的韧性水平，发展满足要求的高强度、高韧性 高频焊管，是目前国内高质量焊管生产的关键问题。 高频焊管成型工艺复杂，影响焊管焊缝冲击韧性的因素也很多。研究表明 1 0 - 1 6 1 ，焊管板材化学成分对焊管成分焊缝的冲击韧性有影响。焊管板材成分主 要是f e 、c 和一些合金元素，还存在s 、p 等杂质，其中c 、s 对焊缝组织的冲 击韧性影响最大。当成分中c 的含量增加，钢中珠光体组织的含量也随着增加， 珠光体含有大量脆性的片层状渗碳体，、从而导致组织结构的冲击韧性下降。s 在板材钢中常以f e s 形式存在，并和f e 形成低熔点的f e s + s 二元共晶体分布于 晶界处。当板材加热到1 1 0 0 - 1 2 0 0 时，晶界处的共晶体融化，从而使得钢材 沿晶界开裂。p 、s i 在钢中溶入铁素体中，使得铁素体强度和硬度提高的同时， 降低了其塑性和韧性，形成脆性很大的化合物，从而使得板材钢在室温下的塑 性和韧性急剧下降。m n 溶入铁素体，可以降低钢的脆性，当m n 的含量在1 - 1 5 时可改善钢的冲击韧性。此外，板材钢中存在氧化物夹杂( 如f e 3 0 4 、f e o 、m n o 、 s i o 等) ，也会降低钢材的韧性。 焊接工艺也是影响高频焊管焊缝韧性的重要因素。焊接工艺对焊管焊缝韧 性的影响表现在焊接温度、焊接挤压力、焊接速度、开口角、阻抗器的放置位 置等等。生产实践得出的经验，在高频焊接过程中，熔合线、热影响区形状、 管材金属流线形态能较直观反映焊接工艺对焊管焊缝韧性的影响情况。 熔合线的形态和宽度，和焊接温度、焊接挤压力、焊接速度等密切相关， 是衡量焊缝韧性的重要标志。当焊接温度过高或焊接挤压力不足时，金属表面 脱碳增加，表现为熔合线粗大，熔合线出现“灰斑 ，此时焊缝组织韧性低；当 焊接温度过低或焊接挤压力过大时，表现为熔合线细小，此时焊缝组织大多为 冷焊或者压扁试验不合格；当焊接挤压力高度不平衡时，熔合线表现为不规则 状况，此时的焊缝组织韧性也不均匀。 焊缝热影响区形状可以反映高频焊接工艺参数是否合适，也是间接判断焊 缝组织韧性的一个重要依据。焊接温度过高，焊接速度偏小时，焊缝热影响区 变宽，热影响区颜色白，此时焊缝韧性低；焊接温度低或者焊接速度慢，此时 热影响区窄小，且颜色发暗，焊缝组织韧性通常也较低；当焊接温度、焊接速 度和焊接挤压力匹配合适时，焊接热影响区形状正常，颜色发亮，此时焊缝组 织韧性可以达到一个较好水平。 4 硕十学位论文 金属流线形态常常作为判断高频焊工艺参数对焊缝组织韧性影响的一个最 重要的依据。金属流线是管材上局部熔化或半熔化的金属，在压力作用下形成 的一种特殊形状的结晶组织。它与焊接温度、焊接挤压力和焊接速度密切相关。 当焊接工艺参数匹配不合适时，金属流线夹角表现偏大、偏小或不对称，此时 焊缝常常伴随冷焊，焊缝夹杂物偏多，焊缝组织韧性急剧降低。 焊后热处理工艺对焊缝组织韧性的影响也很大。研究表明热处理工艺过程 加热温度和加热时间的不匹配，会带来焊缝组织韧性的降低。 综合以上所述，影响高频焊管焊缝韧性的因素比较复杂，主要可归纳几个 方面： 1 焊接管材的化学成分： 2 高频焊接工艺： 3 焊后热处理措施： 只要控制好这些主要因素，可以很大程度保证高频焊管焊缝组织的韧性。 国外正是采用了从原料到成品间各道工序的全面质量控制措施来提高焊管 焊缝强度和韧性，并把计算机技术和先进的检测手段应用于焊管生产的控制过 程1 7 - 2 2 1 。图1 2 所示为日本s i g m a 电子工业株式会社开发的焊管质量管理系 统示意图k 2 3 1 。 图1 2 日本s i g m a 公司焊管质量管理系统示意图 相比而言，国内高频焊管研究起步较晚，大部分焊管机组还停留在人工、 半人工质量监测的阶段。根据我国目前的焊管工业基础，对国内大部分机组实 现对焊管质量全面监控的目标短期内还不可能实现。但在现有的国产焊管生产 水平上，控制影响焊管韧性质量的某些主要环节还是可能的。譬如热输入和力 能参量，在许多国产许多焊管生产厂家，同一机组上不同班次的产量和产品合 5 高频焊管温度监控及视觉检测系统研究 格率就存在一定的差异。其中固然有一些随机因素，但也可以说明只要控制了 焊管生产中的某些环节，就能够有效提高焊管质量。2 4 2 5 1 在高频焊管生产中，焊接温度，焊接挤压力和焊接速度是三个最主要的工 艺参数。三者相互匹配，是获得高质量焊管的重要保证。焊接速度通常是个给 定值，焊接温度由于受到管材成分壁厚不均，传送装置震动带来的加热区域变 化，加热设备不稳定等因素影响，容易产生波动。挤压顶锻力在焊接过程中， 由于受传送机构运动和管坯尺寸变化等干扰因素的影响也会产生波动，然而考 虑国产焊管机组结构和现有实验条件的制约，对挤压量的控制方案制定和实现 都比较困难。 综合以上分析，本课题选择把温度作为被控量，研究制定合适的温度控制 方案对温度的波动进行控制，保证焊接速度，焊接温度和焊接挤压力达到良好 的工艺匹配，从而提高焊缝组织韧性，保证焊管成型质量。 1 2 高频焊管及其温度监控研究现状 1 2 1 高频焊方法基础及制管工艺 高频焊是用流经工件连接面的高频电流所产生的电阻热加热，并在施加或 不施加顶锻力的情况下，使工件金属间相互连接的一类焊接方法。高频焊法的 基础在于利用高频电流的两大效应：集肤效应和邻近效应。 集肤效应：高频电流流经导体时，电流密度趋向集中于导体表面的现象。 高频电流的集肤效应是由于导体内部磁场的作用而产生的。 邻近效应：当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动 时，电流集中流动于导体邻近侧的一种奇异现象。 高频焊接过程的实质在于：集肤效应使高频电流能量集中于工件的表面， 邻近效应可控制高频电流流动路线位置和范围2 们。 高频焊管的生产工艺流程： 开卷一带钢矫平一头尾剪切一带钢对焊一活套储料一成型一焊接一清除毛 刺一定径一探伤一飞切一初检一钢管矫直一管段加工一水压试验一探伤检测一 打印和涂层一成品。图1 3 所示为高频焊管机组示意图。 带材由成型机组制成大致管形后，在挤压辊的挤压下，使接头两边会合成v 形的会合角。当感应圈中通有高频电流时，管坯中所产生的感应电流的一部分， 即焊接电流1 1 ，由管坯一边的外周表面经会合点后又回到另一边的外周表面，形 成往复回路，构成了邻近效应的条件。于是电流1 1 便高度集中于会合面，使管坯 边缘极快加热到焊接温度甚至到熔点，并使会合点到焊合点的一段区间产生连续 的金属火花喷溅一一闪光。挤压辊除将管坯两边挤到一起，挤出两边的氧化物、 6 硕士学位论文 杂质以及熔化金属外，还会将管坯周长挤去一定的挤压量，在接头两面间产生强 烈的顶锻，促使金属原子之间牢固地结合在一起。接着，靠设置在焊接机组后边 的刨刀，将挤出的氧化物切削掉，再用定径和矫直装置将管子定径并矫直。总体 而言，随管坯不断地快速送进、高频电流的连续导入、挤压辊与刨刀等不停的工 作，实现了高频感应焊焊接连续制管的全过程1 2 7 - 3 2 1 。 图1 3 高频焊管机组示意图 1 2 2 高频焊管焊接温度测量控制研究现状 由于高频焊管生产过程的特殊性，目前焊管焊接温度的测量主要以非接触 红外测温和间接测温为主。红外辐射测温法是利用物体的热辐射特性与温度之 间的关系来实现非接触测温方法。任何物体受热后都将一部分热能转换为辐射 能，理论和实验都证明辐射能量与温度成正比。辐射能量是以波动的方式表现出 来的，并可以通过光电转换器件和其它相关的辅助电路、光路构成的传感器，将 辐射能量转换为电信号。对于从室温到3 0 0 0 这样一个工业中常用的测温范 围，辐射能量较高的光谱在近红外到红外波段范围，故称为“红外测温”。国外先进 的焊管机组基本采用红外测温法来测量焊管温度，相比较国外而言，国内大部 分高频焊管机组受限于机组结构而自动化程度较低，红外测温法尚未完全普及。 哈工大耿正、李莉群3 ”等人提出了国产高频焊管机组结构的改进方案，并对 红外辐射测温法在国产高频焊管机组的应用可行性做了研究。他们提出采用比 色红外测温法对国内高频焊管机组进行测温，理想比色测温模式，测温仪的输 出信号u o 与物体辐射率和能量衰减因素无关，即比色测温仪有很好的抗干扰 性。白日午3 4 1 等人提出焊接温度观测器模型，通过检测高频电流和焊接速度 来间接监测焊接温度，这是一种间接测量焊管温度的方法，可以避免焊管生产 环境中水汽，烟尘等干扰因素对测温带来的影响，然而这种方法只是提留在理 论方面，现实应用还很少。 目前焊接温度的自动控制方式可分为两类：即功率控制方式和速度控制方 7 高频焊管温度监控及视觉检测系统研究 式。功率控制实际上是一种直接控制。采用这种方式的控制方案是将高频电流 i ( 高频机输出功率) 作为控制量，通过控制其大小来实现焊接温度t 的自动控 制。具体来说，这种调节方式的输出功率装置实际上是一晶闸管交流调压装置， 其结构如图1 4 所示。 吣，一三弓至丑 卦 8 硕士学位论文 置于焊管v 形口上方，即焊接加热区域，在v 形口处，带钢边缘被高频设备加 热到接近且略低于材料的熔点的温度，通常在1 3 0 0 - 1 4 0 0 。c ，此时红外测