基于幾何關(guān)系的焊接接頭檢驗(yàn)儀

（煙臺市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 煙臺 265508）

一、設(shè)計背景

壓力容器是一個組合體，是由焊接接頭將各個部分連接在一起，焊接質(zhì)量的好壞對壓力容器的安全起著重大的作用，所以需要對焊縫的缺陷進(jìn)行嚴(yán)格控制[1]。焊縫的錯邊量與棱角度超標(biāo)是最常見的兩個焊接接頭表面缺陷。作為在制造過程中遺留下來的先天性缺陷，錯邊量和棱角度使焊縫的疲勞壽命明顯下降，直接影響壓力容器的制造質(zhì)量和使用性能，并影響到安全使用，特別是在嚴(yán)重超標(biāo)或焊縫中伴有其它缺陷時，需要對容器能否安全運(yùn)行作出判斷，并作出正確、合理的定級。根據(jù)GB150-2011《壓力容器》的規(guī)定，檢驗(yàn)壓力容器縱焊縫棱角度的方法是，用弦長等于Di/6，且不小于300mm 的內(nèi)樣板（或外樣板）檢查[2]。要考慮不同規(guī)格的內(nèi)徑尺寸都需要配備一套匹配規(guī)格的樣板，再加之隨著樣板的使用出現(xiàn)磨損等問題而進(jìn)行的更換，增加了企業(yè)的成本。本文介紹的儀器可以根據(jù)待檢工件的實(shí)際尺寸調(diào)節(jié)長度，代替固定尺寸的樣板對焊接接頭各參數(shù)進(jìn)行測量。

二、儀器的原理

測量圓度和環(huán)向棱角度，都基于實(shí)際的弦高與理論弦高的差值來確定的；測量環(huán)向錯變量是基于焊縫兩側(cè)實(shí)際的弦高的差值來確定的。對于一固定弦長，且已知圓的半徑，利用勾股定理，就可以得出圓弧中心至該弦長中心的距離，而實(shí)際的圓弧中心至該弦長中心的距離可利用高精度傳感器測出，兩者之差即為圓度值或環(huán)向棱角度值，本設(shè)計就是基于幾何關(guān)系，利用勾股定理來確定的。在本設(shè)計中用高精度距離傳感器對準(zhǔn)待測點(diǎn)，讀取距離值后上傳至計算器，由計算器內(nèi)置的程序進(jìn)行運(yùn)算，自動得出架體中點(diǎn)距測量點(diǎn)的距離與設(shè)定數(shù)值的差值并在顯示儀表上顯示出來，由此可直觀判斷出接頭棱角或筒體的圓度等是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。所述的設(shè)定數(shù)值，是計算器中儲存的數(shù)值，通過輸入直徑、厚度等調(diào)取，是理論圓弧中心至該弦長中心的理論值。測量環(huán)向錯變量時，用高精度距離傳感器對準(zhǔn)待測焊接接頭一邊，讀取距離值后上傳至計算器，再用高精度距離傳感器對準(zhǔn)待測焊接接頭另一邊，讀取距離值后上傳至計算器，然后求得兩次距離之差值就得出錯變量。

三、總體框架

本焊接接頭尺寸及筒體圓度檢驗(yàn)儀，包括一個帶有刻度尺的架體，架體中部為安裝區(qū)、兩端為伸縮區(qū)，伸縮區(qū)的設(shè)置使得該儀器可以滿足不同規(guī)格筒體的測量。在架體中部的安裝區(qū)設(shè)有高精度位移傳感器，高精度位移傳感器外接計算器和顯示儀表。

四、電氣構(gòu)架的實(shí)現(xiàn)

儀器的架體主要是提供一個具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定弦長的支承，具有一定的剛度和耐磨性即可，剩下的問題就是要實(shí)現(xiàn)如何來獲取并顯示數(shù)據(jù)。本儀器采用的是高精度位移傳感器和數(shù)字顯示儀。

高精度位移傳感器是本儀器的核心構(gòu)件。在實(shí)際應(yīng)用中，高精度位移傳感器有好多種，分為電感式高精度位移傳感器，電容式高精度位移傳感器，光電式高精度位移傳感器。本儀器選用光電式高精度位移傳感器。光電式傳感器是基于光電效應(yīng)的傳感器，光電轉(zhuǎn)換元件在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，它除能測量光強(qiáng)之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，且光電測量時不與被測對象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力，再加上高精度，高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，因此在許多應(yīng)用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[3]。

檢測的數(shù)據(jù)由高精度位移傳感器采集，并徑計算器作出分析后，需通過顯示終端顯示出數(shù)據(jù)。顯示終端可以選取更加智能的控制面板，附帶數(shù)據(jù)的自動判斷功能，以使檢驗(yàn)人員更加直觀地判斷檢測結(jié)果。

五、儀器操作舉例

（一） 測量筒體圓度

測量前，先對儀器進(jìn)行調(diào)零，選擇圓度測量按鈕，然后在計算器中輸入所測筒體的內(nèi)徑大小，并根據(jù)所測筒體的內(nèi)徑大小調(diào)節(jié)架體伸縮區(qū)的長度，并將架體垂直于筒體軸線方向，在筒體上慢慢滑動，高精度位移傳感器不斷地測量距離，計算器讀取高精度位移傳感器測定的數(shù)值，計算出架體的中點(diǎn)距測量點(diǎn)的距離，并與在計算器中設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)而確定筒體的圓度是否符合要求。

（二）測量筒體內(nèi)焊接接頭環(huán)向棱角

測量前，先對儀器進(jìn)行調(diào)零，選擇棱角測量按鈕，然后在計算器中輸入所測筒體的內(nèi)徑大小，并根據(jù)所測筒體的內(nèi)徑大小調(diào)節(jié)架體伸縮區(qū)的長度，并將架體垂直于焊縫方向，高精度位移傳感器的指示燈指向所測部位，并測量距離，計算器讀取高精度位移傳感器測定的數(shù)值，計算出架體的中點(diǎn)距測量點(diǎn)的距離，并與在計算器中設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，即求得筒體在該部位焊接接頭的環(huán)向棱角值。

截至上文，基于幾何關(guān)系的焊接接頭尺寸及筒體圓度檢驗(yàn)儀的總體設(shè)計、構(gòu)架設(shè)計、組件選型以及儀器操作使用已徑全部完成。該檢驗(yàn)儀器在理論上完成了焊接接頭尺寸及筒體圓度的檢驗(yàn)檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)本設(shè)計的目的。

六、總結(jié)

基于幾何關(guān)系的焊接接頭尺寸及筒體圓度檢驗(yàn)儀具有較高的靈敏度，能夠滿足實(shí)際檢測要求，檢測效率高，操作簡單，對保證焊接接頭尺寸及筒體圓度的檢驗(yàn)質(zhì)量有著重要的意義，將為鍋爐壓力容器制造企業(yè)以及檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)節(jié)省大量的人力、物力，符合設(shè)計創(chuàng)新的目的。