CN102848090B - 一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统 - Google Patents

Abstract

一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统，它涉及一种水下焊接系统，以解决现有的模拟压力环境焊接试验系统自动化程度低、适用性差、实验成本高的问题。工控机通过信号线缆分别与压力传感器、液体液位传感器、温度传感器及PLC模组连接，PLC模组通过信号线缆分别与气体回收装置、气瓶束、真空泵、焊接电源、冷却水循环泵、液压泵站、送丝机、压力传感器、伺服电机组、焊枪、液体液位传感器、上二维运动平台、下二维运动平台、舱内烟尘过滤装置和温度传感器连接，气体回收装置、气瓶束、真空泵和冷却水循环泵分别通过管路与舱体连接，液压泵站通过管路与卡箍装置上的油缸连接，焊接电源通过导线与焊枪连接。本发明用于模拟水下焊接。

Description

一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统

技术领域

本发明涉及一种水下焊接系统，具体涉及一种模拟中压液体或气体环境的焊接实验系统。

背景技术

随着海洋资源的开发，大量钢结构用于海洋工程中，例如海底石油管道、海洋钻井平台、跨海大桥等。无论是结构的建造还是设施的维护，都需要水下焊接。无论是结构的建造还是设施的维护，水下焊接技术具有不可替代的优势。水下湿法焊接可以应用于水深不超过100米的压力环境；当水深超过100米后，一般采用水下高压干法焊接。无论水下湿法或高压干法焊接，都是在高于1个大气压的环境下施焊，而在不同压力下的焊接工艺参数的制定是水下焊接应用的瓶颈之一，需要大量的工艺实验研究才能确定。模拟压力环境焊接实验系统是陆上进行此项研究的大型实验设备。而现有的模拟压力环境焊接实验系统，传感器数量少、自动化程度低；系统交付后舱内设备一般不进行更换或很难更换，对于不同焊接实验研究适用性差；不具备真空泵和气体回收装置，实验成本较高。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的模拟压力环境焊接试验系统自动化程度低、适用性差、实验成本高的问题，而提供一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统。

本发明的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括中压环境模拟舱、气体回收装置、气瓶束、真空泵、舱内实验设备、冷却水循环泵、液压泵站、控制柜和焊接电源、安全阀和压力表，中压环境模拟舱包括舱体、舱底、环形密封圈、两个卡箍装置和数个穿舱连接器，数个穿舱连接器均匀布置于舱底端面内，舱体设置在舱底的上方，环形密封圈设置在舱体与舱底之间，两个卡箍装置对称设置在舱体与舱底的连接处，且两个卡箍扣合成圆环，舱内实验设备包括送丝机、压力传感器、伺服电机组、焊枪、液体液位传感器、上二维运动平台、下二维运动平台、舱内烟尘过滤装置和温度传感器，下二维运动平台设置在舱体内的舱底的上端面上，上二维运动平台设置在下二维运动平台的上端面上，舱内烟尘过滤装置设置在下二维运动平台的下面且置于舱底的上端面上，焊枪安装在上二维运动平台的工作台面下面，且焊枪的头部朝向下二维运动平台的工作台面上，液体液位传感器设置在舱体的内壁处，送丝机和伺服电机组均安装在上二维运动平台工作台面上，压力传感器和温度传感器分别设置在舱体的顶部内壁处，控制柜包括工控机和PLC模组，工控机与PLC模组上下设置在控制柜内，工控机通过信号线缆分别与压力传感器、液体液位传感器、温度传感器及PLC模组连接，PLC模组通过信号线缆分别与气体回收装置、气瓶束、真空泵、焊接电源、冷却水循环泵、液压泵站、送丝机、压力传感器、伺服电机组、焊枪、液体液位传感器、上二维运动平台、下二维运动平台、舱内烟尘过滤装置和温度传感器连接，气体回收装置、气瓶束、真空泵和冷却水循环泵分别通过管路与舱体连接，液压泵站通过管路与卡箍装置上的油缸连接，焊接电源通过导线与焊枪连接，安全阀和压力表均安装在舱体的顶部，安全阀包括机械式安全阀和电磁阀，机械式安全阀与电磁阀并联设置。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明通过压力传感器和液体液位传感器及执行机构实现了焊接实验过程的自动化，另外，采集的焊接过程数据可以通过控制柜中的工控机进行分析整理，得到最优的焊接参数，从而保证焊接质量，因此，本发明的自动化程度高。由于本发明设置了真空泵，加入压力气体前真空泵配合抽取舱内残余空气可得到纯度较高的舱内气体成分，因此，本发明的适用性好。又由于本发明设置了气体回收装置，通过气体回收装置可以回收实验结束后的压力气体，以备下次实验时使用，从而节约了气体消耗，降低了实验成本高。

二、本发明由于采用了工控机（上位机）与PLC模组（下位机）的控制形式，控制系统分工明确，既能够提供人机交互界面，系统的稳定性、实时性也得到了保证。

三、本发明的舱内二维焊接实验平台由于采用了伺服电机组驱动，可实现编程控制，能够自动完成复杂的焊接路径。

四、本发明设置了舱内烟尘过滤装置，排除了焊接烟尘对舱内气体的污染。

五、本发明的控制系统通过压力传感器获取舱内压力，形成压力闭环控制，具有较高的可靠性和舱内压力控制精度。此外，舱内安装了温度传感器，当舱内环境温度升高至警戒值即会开启循环冷却水，避免温度过度增加使舱内压力失控。

六、本发明可根据舱内设备以及实验需要进行增减，系统灵活性较好。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的I局部放大图，图3是中压环境模拟舱1和舱内实验设备5的结构剖视图，图4是卡箍装置1-4的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式包括中压环境模拟舱1、气体回收装置2、气瓶束3、真空泵4、舱内实验设备5、冷却水循环泵6、液压泵站7、控制柜8和焊接电源9、安全阀11和压力表10，中压环境模拟舱1包括舱体1-1、舱底1-2、环形密封圈1-3、两个卡箍装置1-4和数个穿舱连接器1-5，数个穿舱连接器1-5均匀布置于舱底1-2端面内，舱体1-1设置在舱底1-2的上方，环形密封圈1-3设置在舱体1-1与舱底1-2之间，两个卡箍装置1-4对称设置在舱体1-1与舱底1-2的连接处，且两个卡箍1-4扣合成圆环，舱体1-1与舱底1-2之间通过对分的两个卡箍装置1-4实现开或合，舱内实验设备5包括送丝机5-1、压力传感器5-2、伺服电机组5-3、焊枪5-4、液体液位传感器5-5、上二维运动平台5-6、下二维运动平台5-7、舱内烟尘过滤装置5-8和温度传感器5-9，下二维运动平台5-7设置在舱体1-1内的舱底1-2的上端面上，上二维运动平台5-6设置在下二维运动平台5-7的上端面上，舱内烟尘过滤装置5-8设置在下二维运动平台5-7的下面且置于舱底1-2的上端面上，工件10置于下二维运动平台5-7的工作台面上，焊枪5-4安装在上二维运动平台5-6的工作台面下面，且焊枪5-4的头部朝向下二维运动平台5-7的工作台面上，液体液位传感器5-5设置在舱体1-1的内壁处，送丝机5-1和伺服电机组5-3均安装在上二维运动平台5-6工作台面上，压力传感器5-2和温度传感器5-9分别设置在舱体1-1的顶部内壁处，舱内实验设备5的强电、弱电及气体、液体、冷却水路的进入与排出均通过穿舱连接器1-5提供，控制柜8包括工控机8-1和PLC模组8-2，工控机8-1与PLC模组8-2上下设置在控制柜8内，工控机8-1通过信号线缆分别与压力传感器5-2、液体液位传感器5-5、温度传感器5-9及PLC模组8-2连接，PLC模组通过信号线缆分别与气体回收装置2、气瓶束3、真空泵4、焊接电源9、冷却水循环泵6、液压泵站7、送丝机5-1、压力传感器5-2、伺服电机组5-3、焊枪5-4、液体液位传感器5-5、上二维运动平台5-6、下二维运动平台5-7、舱内烟尘过滤装置5-8和温度传感器5-9连接，气体回收装置2、气瓶束3、真空泵4和冷却水循环泵6分别通过管路与舱体1-1连接，气体回收装置2用于回收舱体1-1内的气体，气瓶束3用于向舱体1-1内提供气体，真空泵4用于将舱体1-1内抽真空，冷却水循环泵6用于向舱体1-1内提供循环水，液压泵站7通过管路与卡箍装置1-4上的油缸连接，液压泵站7为舱体1-1与舱底1-2的开合提供动力，焊接电源9通过导线与焊枪5-4连接，安全阀11和压力表10均安装在舱体1-1的顶部，安全阀11包括机械式安全阀11-1和电磁阀11-2，机械式安全阀11-1与电磁阀11-2并联设置。液压泵站7、卡箍装置1-4、送丝机5-1、伺服电机组5-3、焊枪5-4和焊接电源9均为执行机构。舱体1-1内的压力来源为气体回收装置2与气瓶束3，当舱体1-1内的压力气体不足时，可通过气瓶束3补给压力气体。工控机8-1的作用是执行实验系统软件，提供人机交互界面，计算压力传感器5-2、液体液位传感器5-5和温度传感器5-9的传感数据，判断系统所处状态，控制焊接路径，控制PLC模组。PLC模组8-2的作用是负责接收工控机8-1的控制信号，对气体回收装置2、气瓶束3、真空泵4、冷却水循环泵6、液压泵站7、送丝机5-1和舱内烟尘过滤装置5-8的开关量进行检测和控制。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式每个卡箍装置1-4由半圆卡箍1-4-1、卡箍开合油缸1-4-2、卡箍支撑轮1-4-3、油缸连接件1-4-4和油缸支架1-4-5组成，半圆卡箍1-4-1的弧形内侧面沿长度方向设有梯形槽1-4-1-1，卡箍开合油缸1-4-2的固定端与油缸支架1-4-5铰接，卡箍开合油缸1-4-2的活塞端与油缸连接件1-4-4铰接，油缸连接件1-4-4与半圆卡箍1-4-1的弧形外表面固定连接，卡箍支撑轮1-4-3安装在半圆卡箍1-4-1的下端面。使用时，油缸支架1-4-5与平台支架的上端面固定连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本发明的工作过程：

进行自动焊接实验前，首先根据实验需要调整舱内实验设备5，检查或更换舱内烟尘过滤装置5-8的滤芯，根据需要调整穿舱连接器1-5的个数，同时根据实验所需环境压力设置机械式安全阀11-1的工作压力；然后，操作者通过对工控机8-1输入指令信号，PLC模组8-2即控制液压泵站7的阀组，将中压环境模拟舱1闭合并卡紧密封；随后，PLC模组8-2控制开启真空泵4并打开相应阀门，排除大部分舱内残余空气，当压力达到最低限度时关闭此阀门，并通过气体回收装置2或气瓶束3对舱内填充所需气体至常压。若对舱内气体纯度要求较高，可重复此步骤多次。当舱内气体纯度达到要求后，若焊接实验所需环境介质为液体，则打开液体填充阀门，液位高度通过液体液位传感器5-5获得并由工控机8-1进行控制；填充当达到所需液位后，关闭该阀门，系统可以进入升压阶段；若焊接实验所需环境介质为气体，则直接进入升压阶段。

系统进入升压阶段，由PLC模组8-2打开气体回收装置2或气瓶束3的阀门，对舱内加压，压力通过压力传感器5-2获得并进行反馈控制，当达到所需压力后即可进入焊接实验阶段。

系统进入焊接实验阶段，操作者根据所采用的焊接方法设置焊接参数，也可根据焊接质量要求编制一定的控制规则实时调整焊接参数。以熔化极气体保护焊为例：首先PLC模组8-2开启焊接电源，设置初始焊接参数，打开送丝机5-1与舱内烟尘过滤装置5-8，电弧引燃后工控机8-1根据所编制的焊接路径程序，控制舱内上二维运动平台5-6和下二维运动平台5-7自动实施焊接操作。在焊接过程中实时采集数据，并根据设置的参数控制规则进行焊接参数的在线调整，直至完成焊接过程。在焊接过程中，系统压力可能会出现波动，通过舱内的压力传感器5-2和温度传感器5-9进行闭环控制，当压力低于实验设定压力时，PLC模组8-2将打开电磁阀11-2向外界泄压，若舱内压力过高，超过机械安全阀设定压力，则两者同时泄压。当舱内温度升高超过警戒值，则自动开启冷却水循环泵6进行降温，直至温度下降到安全范围以内。

当实验结束后，关闭焊接电源，若舱内存在液体则打开液体排放阀门。当液体排净后，打开气体回收装置2的气泵，将舱内气体回收至回收装置2的高压气瓶中。少量舱内残余气体则通过电磁阀11-2排出舱外。当舱内压力达到常压后，即可控制液压泵站7进行开舱动作。

Claims (2)

1.一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统，所述的一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统包括中压环境模拟舱（1）、气瓶束（3）、液压泵站（7）、控制柜（8）和焊接电源（9），中压环境模拟舱（1）包括舱体（1-1）、舱底（1-2）、环形密封圈（1-3）、两个卡箍装置（1-4）和数个穿舱连接器（1-5），数个穿舱连接器（1-5）均匀布置于舱底（1-2）端面内，舱体（1-1）设置在舱底（1-2）的上方，环形密封圈（1-3）设置在舱体（1-1）与舱底（1-2）之间，两个卡箍装置（1-4）对称设置在舱体（1-1）与舱底（1-2）的连接处，且两个卡箍（1-4）扣合成圆环，控制柜（8）包括工控机（8-1）和PLC模组（8-2），工控机（8-1）与PLC模组（8-2）上下设置在控制柜（8）内，其特征在于：所述的一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统还包括气体回收装置（2）、真空泵（4）、舱内实验设备（5）、冷却水循环泵（6）、安全阀（11）和压力表（10），舱内实验设备（5）包括送丝机（5-1）、压力传感器（5-2）、伺服电机组（5-3）、焊枪（5-4）、液体液位传感器（5-5）、上二维运动平台（5-6）、下二维运动平台（5-7）、舱内烟尘过滤装置（5-8）和温度传感器（5-9），下二维运动平台（5-7）设置在舱体（1-1）内的舱底（1-2）的上端面上，上二维运动平台（5-6）设置在下二维运动平台（5-7）的上端面上，舱内烟尘过滤装置（5-8）设置在下二维运动平台（5-7）的下面且置于舱底（1-2）的上端面上，焊枪（5-4）安装在上二维运动平台（5-6）的工作台面下面，且焊枪（5-4）的头部朝向下二维运动平台（5-7）的工作台面上，液体液位传感器（5-5）设置在舱体（1-1）的内壁处，送丝机（5-1）和伺服电机组（5-3）均安装在上二维运动平台（5-6）工作台面上，压力传感器（5-2）和温度传感器（5-9）分别设置在舱体（1-1）的顶部内壁处，工控机（8-1）通过信号线缆分别与压力传感器（5-2）、液体液位传感器（5-5）、温度传感器（5-9）及PLC模组（8-2）连接，PLC模组通过信号线缆分别与气体回收装置（2）、气瓶束（3）、真空泵（4）、焊接电源（9）、冷却水循环泵（6）、液压泵站（7）、送丝机（5-1）、压力传感器（5-2）、伺服电机组（5-3）、焊枪（5-4）、液体液位传感器（5-5）、上二维运动平台（5-6）、下二维运动平台（5-7）、舱内烟尘过滤装置（5-8）和温度传感器（5-9）连接，气体回收装置（2）、气瓶束（3）、真空泵（4）和冷却水循环泵（6）分别通过管路与舱体（1-1）连接，液压泵站（7）通过管路与卡箍装置（1-4）上的油缸连接，焊接电源（9）通过导线与焊枪（5-4）连接，安全阀（11）和压力表（10）安全阀（11）均安装在舱体（1-1）的顶部，安全阀（11）包括机械式安全阀（11-1）和电磁阀（11-2），机械式安全阀（11-1）与电磁阀（11-2）并联设置。

2.根据权利要求1所述一种模拟中压液体或气体环境的自动焊接实验系统，其特征在于：每个卡箍装置（1-4）由半圆卡箍（1-4-1）、卡箍开合油缸（1-4-2）、卡箍支撑轮（1-4-3）、油缸连接件（1-4-4）和油缸支架（1-4-5）组成，半圆卡箍（1-4-1）的弧形内侧面沿长度方向设有梯形槽（1-4-1-1），卡箍开合油缸（1-4-2）的固定端与油缸支架（1-4-5）铰接，卡箍开合油缸（1-4-2）的活塞端与油缸连接件（1-4-4）铰接，油缸连接件（1-4-4）与半圆卡箍（1-4-1）的弧形外表面固定连接，卡箍支撑轮（1-4-3）安装在半圆卡箍（1-4-1）的下端面。