CN103785925A - 电弧焊参数的自适应控制 - Google Patents

电弧焊参数的自适应控制 Download PDF

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Abstract

一种用于调节管路的两个工件间的焊接接头处的预编程的电弧焊参数的方法。线型激光产生激光线在操作窗内所“看到”的任何东西的反射位置。借助三角测量，沿激光“线”上任一点可测得物体离激光器的精确距离。焊接坡口的测量值存储在电子存储介质和数据处理器中。协同自动化焊接设备来使用所存的测量值和数据处理器从而根据需要调整焊接参数。本发明还涉及一种设备，用以在焊接之前取得对管路的至少两个工件的焊接接头的测量值并控制自动化焊接设备，从而在焊接操作过程中在管路的工件上调整预编程的焊接参数。由于对于焊缝的每个部分来说，精确的接头/焊缝几何形状都是已知的，焊接设备因而能响应或“适应”工件之间的焊接接头中的变化。

Description

电弧焊参数的自适应控制
技术领域
本发明总地涉及焊接操作，更具体地涉及电弧焊参数的自适应控制。
背景技术
窄坡口焊在世界上广泛用于管道建造。尽管许多自动化系统利用多种控制系统和方法，但在焊接时却不知焊接接头精确的几何形状。精确的焊接接头几何形状未知的原因在于焊接接头由许多元素构成，这些元素分别或共同产生相对于所期望的接头设计来说的误差。起作用的因素其中有：
﹡管端斜切机，其对于接头准备变量引入诸如以下的公差：1）坡口角，2）坡口钝边，3)坡口角“架出量”或“偏移量”（见图1）。
﹡用于任一给定管路工程的管线用管路的尺寸公差。尺寸公差随工程不同而变化，并包括直径、椭圆度、不圆度和壁厚的变化。
﹡管路工程的第一焊接工位处的接头配置或“间距”。当两条管路并不是完美地匹配时，配置过程（手动或自动）也引入误差。这可以间隙、部分间隙或者非同心的不匹配的形式来体现。
﹡不一致的焊接收缩也会导致接头几何形状的变化。
由于接头几何形状在确定最佳焊接参数方面是个重要因素，当精确的接头几何形状未知时，若使用常规系统，焊接质量将受到限制。由于精确的接头几何形状是未知的，期望的接头几何形状和实际接头几何形状之间的差异无法进行补偿。这导致可能产生焊接缺陷。
另外，实际坡口/焊缝几何形状中的不一致和变化还会对附加的焊道或“清”道产生需求，从而适当地填充坡口以使面焊道流通。对于诸如管路焊接的生产环境，用于使附加焊道流通的时间成本可能十分昂贵。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，并利用激光传感器在焊接开始之前作为预焊接扫描操作来扫描焊接接头，以调节预编程编程的电弧焊参数，从而提供电弧焊参数的自适应控制。“线型”激光传感器装置在固定操作窗内投射激光线。线型激光产生激光线在操作窗内所“看到”的任何东西的反射位置。借助三角测量，沿激光“线”上任一点处可测得物体离激光器的精确距离。焊接坡口角的某些部分是测量的目标。测量值存储在电子存储介质和数据处理器中。协同自动化焊接设备来使用所存储的测量值和数据处理器，从而根据需要调整焊接参数。由于对于焊缝的每个部分来说，精确的接头/焊缝几何形状都是已知的，焊接设备因而能响应或“适应”各个工件之间的焊接接头中的变化。
特别在权利要求书中指出构成本发明特征的具有新颖性的各种特点，权利要求书附于本公开文本并形成本公开文本的一部分。为了更好地理解本发明及其使用时获得的操作优点，参考附图和描述内容，该附图和描述内容形成本公开文本的一部分并示出了本发明的一较佳实施例。
附图说明
在形成本说明书一部分的附图中，图中示出的附图标记在全部附图中标示类似或对应的部件:
图1示出了由管路斜切设备引入的公差。
图2是设备配置的示意说明图。
图3是示出激光扫描仪操作的示意说明图。
图4A和B示出了典型焊接坡口角的数据点。
图5示出了具有多个焊接头和激光传感器的管路焊接结构。
具体实施方式
图2是本发明设备配置的示意说明图。设备配置包括激光扫描仪10、激光扫描仪控制器12、电源适配器14、计算机16和切换器18（如果有需要），该切换器用于将信息引入计算机16和从计算机16引出信息。
如图3所示，激光扫描仪10在包含参考距离22和测量量程24的固定操作窗内投射激光线20。激光器产生激光线20在操作窗内所“看到”的任何东西的反射位置。透镜26将激光反射聚集在CCD（电荷耦合装置）28上。为在焊接操作中使用，由CCD28接收的反射信号被计算机16记录。借助三角测量，沿激光线上任意点处可测得物体离激光器的精确距离。所记录的激光反射的测量值提供焊接坡口角的360度实际接头几何形状。
如图4所示，焊接坡口角的某些关键部分是测量的目标。这些部分包括每条管路31的顶边30，坡口角的切点32，坡口钝边每一侧的顶点34，待焊接量和管路31（仅第一焊道）的两接头之间的任一间隙36。
可以通过附加的计算来使用由测量值获得的信息，从而确定诸如接头的高/低不匹配、管壁厚度和坡口角参数的测量值。
操作过程中，待焊接在一起的管路31位置相邻，并且当为焊接配置工件时如正常方式互相接触。本发明可用于在焊接操作之前的预焊接扫描操作。
如果用于预焊接扫描操作，则激光扫描仪10定位在管路31之间的接头旁，并且如上述地通过激光反射的三角测量对计划焊接区域处的管路31的整个圆周进行扫描和测量。测量值记录在电子数据存储介质和数据处理器或者计算机16中。计算机16包含设计成处理所存测量值的软件以调整焊接操作。本领域技术人员会理解如何写入处理所存测量值所需的软件。本发明提供以下优点：本发明能与常规自动化焊接设备一同使用。图5中示出的自动化焊接设备连接到计算机16，并用于在接头处将两个管路段31焊接在一起。结合上述软件来使用由计算机16记录和计算的测量值以控制焊接设备的运动、焊丝的进给速率和焊接的深度及宽度，以保证最佳焊接。
图5示出了多个焊接头38的较佳运用，每个焊接头38具有激光传感器10和焊枪40。必须使用至少两个焊接头。可使用多达六个焊接头。单独的计算机可用于接收和储存来自每个激光传感器的测量值，传感器用以调节预编程编程的焊接参数并在焊接操作过程中进行调节。焊接头38可安装在环形齿轮42上，用以使焊接头38围绕管路31运动。
在预焊接扫描操作中，激光传感器10位于管路31和焊接接头之上，如图4A中示意所示。在扫描之后，激光传感器10然后运动回到其第一正常位置，并且焊枪40如图5中所示再次位于管路31和焊接接头之上，从而为了进行焊接操作，使焊枪位于适合的位置。焊接操作可接着从在预焊接扫描过程中获得的数据的使用开始。激光传感器10的运动可通过焊接头38在环形齿轮42上的运动来完成，或通过激光传感器10在焊接头38上传感器的运动来完成。
管接头的整个圆周的预焊接扫描获得数据，该数据被处理用于计算要被焊接的接头坡口的各个方面。数据的一个作用就是用来确定用于被焊接的管接头的整个圆周的焊接坡口的位置。这个数据用于管接头焊缝跟踪，该管接头焊缝跟踪是以如美国专利第5,347,101所讲授的类似方式。在预焊接扫描时获得的“线型”激光数据还可产生焊接坡口的三维描绘。这个三维描绘可用于检测和调整针对理想接头预编程编程到焊接系统内的焊接参数。
该三维数据可用于接头跟踪，也用于多个焊道的参数调整，而不用再次扫描。
图4B示出用焊接设备在焊接接头的下部处的第一根部焊道的结果和接着用以完成焊接接头的典型填充焊道测量。激光传感器10找到数据点30和32，并运用这个数据来计算剩余坡口容积、深度和形状。将这个信息与每个焊道的预定值相比较。已扫描的坡口和计划的坡口之间的区别用于调整各种焊接参数以对测量到的差值进行补偿。
尽管本说明书通常涉及将本发明用于焊接管接头，但应理解的是，本发明也可应用于其它类型工件的焊接接头。
本发明有许多优点。
由于已知圆周焊接每个部分的精确接头/焊缝几何形状，计算机能使焊接设备响应于或适应于接头坡口角的变化。焊接设备的响应或者自适应控制可包括依照所记录和计算的管路接头的测量值，根据需要对受控焊接参数中的任意一个参数作出变化，以保证最佳焊接。这些参数包括但不仅限于：电压、电流、脉冲调制参数（当使用PGMAW（脉冲气体保护电弧焊）时）、送丝速率、行进速度、振荡参数（宽度、速度、闭合角等）、以及焊枪相对于焊接接头的位置。本发明的测量和自适应控制可与任何自动化焊接设备一同使用。
本发明允许对任何未达到理想状态的坡口角和接头配置进行补偿。所存储的测量值和计算值使得能够在焊接过程中动态改变上述列出的焊接参数中的任一项。结合工件具体的几何信息，可对一个或多个参数进行调整以补偿坡口角或配置变化。
所要求补偿的一个例子是导致焊接接头的一部分比它应该的宽度更宽的不良配置。当对接头的较宽部分进行焊接时，本发明可以调节送丝速率以增多沉积的焊接金属，从而保证对于每条焊道的适当填充。同时，该结构可以加宽振荡宽度参数，从而保证电弧适当渗入坡口角的侧壁（渗入母材）。
本发明的自适应控制可开发用于偏离理想焊接接头的任何变化。软件可包括待改变的特定参数及改变的量。软件可设计成根据由激光传感器测得的焊接接头中的误差程度来成比例地进行调整。
本发明减少由圆周焊接的任意位置的焊缝/坡口角几何形状变化引起的潜在的焊接缺陷的风险。
本发明提高根部焊道渗透和根部轮廓的一致性。
本发明允许调节每条焊道积存的焊接量，从而保证在计划数目的焊道内对焊接坡口的适当填充。
本发明通过比较实际（测得）坡口角几何形状和预设可允许的坡口角几何形状来允许确认接头配置。
本发明通过针对给定的工件（接头）运用多个激光器来减少扫描时间。运用来自每个焊接头上的激光器的激光数据产生完整的跟踪模型，其中每个焊接头取得环形焊缝圆周的一部分的数据。这个数据接着结合起来以产生接头的三维描绘。
尽管以上已经示出和描述了本发明的各具体实施例和/或细节来说明本发明原理的应用，但应当理解，本发明可如权利要求书中更完整描述那样来实施，或者以本领域的技术人员所已知的其它方式来实施（包括任何和所有的等同物），而不偏离这些原理。

Claims (13)

1.一种用于调节管路的两个工件间的焊接接头处的预编程的电弧焊参数的方法，所述方法包括以下步骤：
a.在焊接之前借助至少两个激光传感器来扫描所述焊接接头，以及获得所述焊接接头的测量值；
b.结合来自各所述激光传感器的数据以形成所述焊接接头的完整的跟踪模型，并且在计算机中存储所述焊接接头的测量值；
c.将有多个焊接头的自动化焊接设备连接到包含所述焊接接头的测量值的所述计算机；以及
d.使用所存储的测量值和所述计算机来在焊接操作过程中控制在所述自动化焊接设备上的多个焊接头，并在焊接操作过程中根据需要调整所述焊接接头的焊接参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个激光传感器在步骤a的扫描操作过程中从用于焊接的第一正常位置运动到位于焊接接头之上的第二位置，并且为了焊接回到第一正常位置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所获得的测量值包括：管路的每个工件的相应边的高度，管路的每个工件的坡口角的切点，坡口钝边的每一侧的顶点，以及管路的各工件之间的任一间隙。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节的预编程的焊接参数包括电压。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节的预编程的焊接参数包括电流。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节的预编程的焊接参数包括脉冲调制参数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节的预编程的焊接参数包括送丝速率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节的预编程的焊接参数包括行进速度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节的预编程的焊接参数包括振荡参数。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制的焊接参数包括每个焊枪相对于所述焊接接头的位置。
11.一种设备，所述设备用于在焊接之前取得对管路的至少两个工件的焊接接头的测量值，并控制自动化焊接设备，从而在焊接操作过程中在所述管路的工件上调整预编程的焊接参数，所述设备包括：
a.用以扫描和测量所述焊接接头的整个圆周的至少两个激光传感器；
b.接收和存储焊接接头的测量值的装置；以及
c.所述接收和存储焊接接头的测量值的装置适用于附连到并控制自动化焊接设备。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述激光传感器包括CCD，所述CCD接收所述激光器的反射，并将所述CCD信号发送到所述接收和存储焊接接头的测量值的装置。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述接收和存储焊接接头的测量值的装置包括用于每个激光传感器的单独的计算机。
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