一種模擬水下焊接熔滴過渡的實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接過程監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種模擬水下壓力環(huán)境下的焊接熔滴過渡實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，世界強(qiáng)國均將海洋發(fā)展放在戰(zhàn)略地位，將海洋資源開發(fā)和利用擺在重要位置，《中國制造2025》中也明確指出要大力發(fā)展深海探測、資源開發(fā)利用、海上作業(yè)保障裝備及其關(guān)鍵系統(tǒng)和專用設(shè)備，強(qiáng)調(diào)掌握重點(diǎn)配套設(shè)備集成化、智能化、模塊化設(shè)計(jì)制造核心技術(shù)。此外，海洋的發(fā)展離不開海洋工程裝備及高技術(shù)船舶的升級，同時(shí)需要改善現(xiàn)有的海洋工程技術(shù)。水下焊接技術(shù)是開發(fā)海洋、開采海底石油以及組裝、維修諸如采油平臺、輸油管線和海底倉等大型海洋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是艦船應(yīng)急修理、海上救助、橋梁架設(shè)等工作的必要技術(shù)手段
水下焊接技術(shù)由于作業(yè)環(huán)境的特殊性，冶金過程、傳質(zhì)傳熱過程與傳統(tǒng)焊接方法相比發(fā)生了很大的變化，其熔滴過渡過程、電弧形態(tài)、焊接過程與水下環(huán)境的交互作用機(jī)理等方面尚未明確，所以對其焊接冶金機(jī)理、焊接過程控制方面的研究水平嚴(yán)重制約了水下焊接技術(shù)的發(fā)展。尤其是作為焊接傳熱過程中非常重要的熔滴過渡過程，目前還沒有非常行之有效的裝置與方法對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，尤其是當(dāng)焊接過程在模擬高壓環(huán)境下進(jìn)行時(shí)。
[0003]對于傳統(tǒng)電弧焊熔滴過渡過程監(jiān)測方法是:采用光學(xué)相機(jī)與鏡頭配備濾光片與減光片，搭載高速攝像采集系統(tǒng)對焊接電弧區(qū)域的熔滴過渡進(jìn)行直接監(jiān)測觀察，必要時(shí)需采用外部光源如激光光源對電弧弧光進(jìn)行背光，以消除電弧弧光的干擾。上述方法在傳統(tǒng)電弧焊熔滴過渡監(jiān)測過程中已成為成熟技術(shù)并應(yīng)用十分廣泛，但是該方法在水下焊接熔滴過渡監(jiān)測過程中無法實(shí)現(xiàn)，主要問題在于由于在水下焊接過程中會產(chǎn)生大量的氣泡以及焊接區(qū)域周圍水的擾動，會對該方法成像系統(tǒng)的光路造成很大的折射與反射作用，無法清晰成像同時(shí)由于熔滴附近存在大量的氣泡，該方法無法將熔滴與氣泡有效地分離。所以，目前對于水下焊接熔滴過渡的實(shí)時(shí)監(jiān)測觀察是水下焊接技術(shù)研究過程中的一大難題。目前國內(nèi)外尚無水下焊接熔滴過渡實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)的報(bào)道，尤其是在模擬水下高壓環(huán)境下的焊接熔滴過渡實(shí)時(shí)檢測技術(shù)的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種組成合理、操作方便、受焊接環(huán)境影響小、適用性廣、成像質(zhì)量高、影像采集頻率高、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的模擬水下壓力環(huán)境下的水下焊接熔滴過渡實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
[0005 ]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:
一種模擬水下焊接熔滴過渡的實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，包括壓力容器、X射線源、X射線影像增強(qiáng)器、高速攝像機(jī)、焊接機(jī)構(gòu)、焊接電信號采集單元、遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)，其特征在于:焊接工件置于壓力容器內(nèi)的工作臺上，焊接機(jī)構(gòu)經(jīng)支架支撐在壓力容器內(nèi)焊接工件的上方，X射線源、X射線影像增強(qiáng)器、高速攝像機(jī)、焊接機(jī)構(gòu)分別與遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)相連接，焊接工件和焊接機(jī)構(gòu)與焊接電信號采集單元相連接，焊接電信號采集單元與遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)相連接，焊接工件左右兩側(cè)對應(yīng)的壓力容器壁上分別設(shè)有視窗，X射線源安裝在壓力容器的左側(cè)或右側(cè)，壓力容器的右側(cè)或左側(cè)依次設(shè)有X射線影像增強(qiáng)器和高速攝像機(jī)，所述X射線源發(fā)射出的X射線穿過壓力容器視窗透過所述焊接工件上方的電弧區(qū)域，照射熔滴過渡過程形成熔滴過渡的X射線影像并再次穿過壓力容器另一側(cè)視窗由X射線影像增強(qiáng)器接收，所述X射線影像增強(qiáng)器將熔滴過渡X射線影像轉(zhuǎn)化為可見光影像并投射出來并由所述高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送至所述遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)，所述焊接電信號采集單元對焊接過程中的焊接電壓以及焊接電流進(jìn)行同步采集并發(fā)送至所述遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)，遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)將采集的影像信號與焊接電信號實(shí)時(shí)對焊接熔滴過渡過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并與獲取的焊接電信號進(jìn)行比對。
[0006]本發(fā)明所述的壓力容器為模擬水深壓力容器，導(dǎo)管一端穿過壓力容器壁并與壓力容器壁密封連接，導(dǎo)管另一端與氣栗相連接，氣栗與遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)相連接，導(dǎo)管或壓力容器上設(shè)有壓力表，使壓力容器的水模似不同深度水環(huán)境。
[0007]本發(fā)明所述的焊接機(jī)構(gòu)包括焊槍、焊槍運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其中焊槍固定在焊槍運(yùn)動機(jī)構(gòu)上，焊槍運(yùn)動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)與滑軌組成，可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸方向上的運(yùn)動。
[0008]本發(fā)明所述的焊接電信號采集單元包括焊接電流傳感器、焊接電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡，焊接電流傳感器和焊接電壓傳感器分別與數(shù)據(jù)采集卡電連接，數(shù)據(jù)采集卡電與遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)電連接。
[0009]本發(fā)明所述的遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)包括X射線遠(yuǎn)程控制器、焊接機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程控制器、影像采集遠(yuǎn)程控制器、模擬水壓壓力容器遠(yuǎn)程控制器、焊接機(jī)構(gòu)控制器及計(jì)算機(jī)，通過所述遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)所述X射線源、所述X射線影像增強(qiáng)器、所述壓力容器、所述點(diǎn)信號采集單元、所述焊接機(jī)構(gòu)及焊接機(jī)構(gòu)中的焊槍進(jìn)行工作開啟或關(guān)閉，并實(shí)現(xiàn)壓力容器的充壓泄壓控制、X攝像影像采集與焊接電信號采集同步;實(shí)時(shí)畫面可以通過遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察，采集的影像可通過遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的計(jì)算機(jī)進(jìn)行回放與存儲。
[0010]本發(fā)明所述高速攝像機(jī)采用電動三可變鏡頭，所述遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)設(shè)有高速攝像機(jī)遠(yuǎn)程控制器，通過所述高速攝像機(jī)遠(yuǎn)程控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)遠(yuǎn)程變焦、調(diào)焦以及調(diào)整光圈尺寸，以獲得高質(zhì)量圖像資料。
[0011]本發(fā)明還設(shè)有鉛室，至少壓力容器、X射線源、X射線影像增強(qiáng)器安裝在鉛室中，使焊接熔滴過渡影像信號以及焊接電信號的采集均在鉛室防護(hù)下進(jìn)行，確保工作人員的人身安全。
[0012]—種模擬水下焊接熔滴過渡的實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟1、通過遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的X射線遠(yuǎn)程控制器調(diào)整和確定X射線源、X射線影像增強(qiáng)器形成的X射線成像系統(tǒng)的焦距、放大倍數(shù)、射線強(qiáng)度，使其滿足X射線影像清晰成像要求；步驟2、通過遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的高速攝像機(jī)遠(yuǎn)程控制器調(diào)整與確定高速攝像機(jī)的光圈、焦距、對焦距離、采集頻率、分辨率，使其滿足對影像增強(qiáng)器輸出端可見光影像的清晰采集；步驟3、通過氣栗向深壓力容器內(nèi)部充入空氣模擬水下壓力環(huán)境，由壓力表讀數(shù)確定壓力容器內(nèi)部壓強(qiáng)，使壓力容器獲得不同水下深度的壓力環(huán)境；
步驟4、通過遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)調(diào)整與確定焊接機(jī)構(gòu)的電弧區(qū)域、熔滴過渡位置與焊接軌跡，使其滿足熔滴過渡過程發(fā)生在X射線影像成像范圍內(nèi)，X射線穿透電弧區(qū)域與熔滴； 步驟5、通過遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的焊接機(jī)構(gòu)控制器使焊接機(jī)構(gòu)和焊槍工作，同時(shí)通過X射線遠(yuǎn)程控制器、焊接機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程控制器、影像采集遠(yuǎn)程控制器觸發(fā)X射線源、X射線影像接收器、焊接電信號采集單元、高速攝像機(jī)通過射線影像接收器將射線影像轉(zhuǎn)換成可見光影像通過高速攝像機(jī)對焊接工件上的焊接熔滴過渡進(jìn)行高速采集；
步驟6、通過遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的計(jì)算機(jī)可對焊接熔滴過渡過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可選擇性地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。
[0013]本發(fā)明在壓力容器內(nèi)放置焊接機(jī)構(gòu)，可在壓力容器外部完成對焊接機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制。并在壓力容器兩側(cè)安裝X射線源、X射線影像增強(qiáng)器，所述X射線影像增強(qiáng)器可以將熔滴過渡X射線影像轉(zhuǎn)化為可見光影像并被X射線影像增強(qiáng)器后端的高速攝像機(jī)拍攝下來并儲存進(jìn)遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)熔滴過渡影像采集;同時(shí)，焊接點(diǎn)引號采集單元對焊接過程的焊接電壓以及焊接電流進(jìn)行同步采集;采集的影像信號以及焊接電信號實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)中的計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算機(jī)對焊接熔滴過渡過程實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)焊接過程的可視化。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn):(I)、可模擬水深200m高壓環(huán)境下的水下焊接過程，并對焊接熔滴過渡過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；(2)、受焊接環(huán)境影響小，尤其極端環(huán)境(如水下環(huán)境、煙塵環(huán)境、電弧弧光干擾等)；(3)、成像質(zhì)量高，射線成像的特點(diǎn)決定了成像效果具有高質(zhì)量的對比度，對熔滴形態(tài)包括熔滴內(nèi)部缺陷均可實(shí)現(xiàn)良好的觀察；(4)、影像采集頻率高；(5)、遠(yuǎn)程控制、操作方便。是一種理想的水下焊接熔滴過渡實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置及方法。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明模擬水下壓力環(huán)境下的水下焊接熔滴過渡實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中的標(biāo)號是:1.鉛室；2.X射線源;3.壓力容器;4焊槍;5.焊接電信號采集單元；
6.焊接工件;7.焊接熔滴;8.電弧區(qū)域;9.遠(yuǎn)程控制