CN104002069A - 水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法，其包括有X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、远程控制机构，所述X射线源发出X射线透过所述焊接工件上方的电弧区域，形成熔滴过渡X射线影像并投射到所述X射线影像接收器上，X射线影像接收器将熔滴过渡X射线影像转化为可见光影像并发送给远程控制机构中的计算机；所述焊接电信号采集单元对焊接过程的焊接电压以及焊接电流进行同步采集；采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构中的计算机中，通过计算机对焊接熔滴过渡过程进行实时监测。本发明具有受焊接环境影响小、适用性广、成像质量高、可进行微区观察、影像采集频率高、远程控制、操作方便等特点。

Description

水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法

技术领域

本发明属于焊接过程监测领域，具体地说是涉及一种水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法。

背景技术

近年来，海洋已经成为世界各国争夺的主要领域，大型油气田和煤层气开发、水下工作站建造、海底观测网布放与维护技术、海洋平台维修、拆装和安全保障等都涵盖了水下焊接技术。水下焊接技术由于其作业环境的特殊性，冶金过程、传质传热过程与传统焊接方法发生了很大的改变，其熔滴过渡过程、电弧形态、焊接过程与水下环境的交互作用机理等方面尚未明确，所以对其焊接冶金机理、焊接过程控制方面的研究水平严重制约了水下焊接技术的发展。尤其作为焊接传质传热过程中非常重要的熔滴过渡过程，目前还没有一种非常行之有效的装置与方法来对其实现实时监测。

对于传统电弧焊熔滴过渡过程监测方法是：采用光学相机与镜头配备滤光片与减光片，搭载高速摄像采集系统对焊接电弧区域的熔滴过渡进行直接监测观察，必要时需采用外部光源对电弧弧光进行背光，以消除电弧弧光的干扰。上述方法在传统电弧焊熔滴过渡监测过程中已为成熟技术并应用十分广泛，但是该方法在水下焊接熔滴过渡监测过程中无法实现，主要问题在于：由于在水下焊接过程中会产生大量的气泡以及焊接区域周围水的扰动，会对该方法成像系统的光路造成很大的折射与反射作用，无法清晰成像；同时由于熔滴附件存在大量的气泡，该方法无法将熔滴与气泡有效地分离。所以，目前对于水下焊接熔滴过渡的实时监测观察是水下焊接技术研究过程中的一大难题。目前国内外尚无水下焊接熔滴过渡实时监测技术的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足， 提供一种组成合理，操作方便，受焊接环境影响小，适用性广，成像质量高，影像采集频率高，可实现远程控制的水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其包括有X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、焊接机构、远程控制机构，其特征在于：所述X射线源安装在焊接机构中焊接工件一侧，X射线影像接收器安装在焊接工件的另一侧；所述X射线源发出X射线透过所述焊接工件上方的电弧区域，形成熔滴过渡X射线影像并投射到所述X射线影像接收器上，所述X射线影像接收器将熔滴过渡X射线影像转化为可见光影像并发送给所述远程控制机构中的计算机，实现熔滴过渡影像采集；所述焊接电信号采集单元对焊接过程的焊接电压以及焊接电流进行同步采集；采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构中的计算机中，通过计算机对焊接熔滴过渡过程进行实时监测。

本发明装置中所述X射线影像接收器为影像增强器，并在所述影像增强器输出端后部安装一高速摄像机，所述影像增强器将X射线影像转化为可见光影像并在其输出端显示，通过高速摄像机对所述可见光影像进行采集，并发送给所述远程控制机构中的计算机。

本发明装置中所述X射线影像接收器为平板探测器，所述平板探测器将X射线影像转化为可见光影像并发送给所述远程控制机构中的计算机。

本发明装置中所述远程控制机构设有X射线远程控制器、焊接机构远程控制器、影像采集远程控制器以及计算机，通过所述远程控制机构可实现所述X射线源、所述X射线影像接收器、所述焊接电信号采集单元以及焊接机构进行焊接作业的开启与关闭，并实现X射线影像采集与焊接电信号采集同步。监测实时画面可通过远程控制机构中的计算机进行观察，焊接作业结束后通过远程控制机构关闭X射线源、焊接机构、焊接电信号采集单元、X射线影像接收器，采集的影像可通过远程控制机构中的计算机进行回放、存储。

本发明装置中所述高速摄像机采用电动三可变镜头，所述远程控制机构还设有高速摄像机远程控制器，通过所述高速摄像机远程控制器实现高速摄像机远程变焦、调焦以及调整光圈尺寸。

本发明装置中还设有一铅室，所述X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、焊接机构均安装在铅室中。焊接熔滴过渡影像信号以及焊接电信号的采集均在铅室防护下进行，确保工作人员的人身安全。

本发明使用上述水下焊接熔滴过渡实时监测装置实现水下焊接熔滴过渡实时监测的方法，包括以下步骤： 

（1）通过远程控制机构调整和确定X射线源、X射线影像接收器形成的X射线成像系统的焦距、放大倍数、射线强度，使其满足X射线影像清晰成像要求；

（2）通过远程控制机构调整与确定高速摄像机的光圈、焦距、对焦距离、采集频率、分辨率，使其满足对影像增强器输出端可见光影像的清晰采集；

（3）通过远程控制机构调整与确定焊接机构的电弧区域、熔滴过渡位置与焊接轨迹，使其满足熔滴过渡过程发生在X射线影像成像范围内，X射线穿透电弧区域与熔滴；

（4）通过远程控制机构触发X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、高速摄像机以及焊接系统；通过X射线影像接收器将X射线影像转换成可见光影像；通过高速摄像机对上述可见光影像进行高速采集，实现对熔滴过渡过程的有效监测；

（5）通过计算机可对焊接熔滴过渡过程进行实时监测，并可选择性地进行数据存储。

本发明装置不仅适用于水下焊接（包括水下湿法焊接、水下干法焊接、水下局部干法焊接），还适用于空气中的熔化极气体保护焊、空气中的非熔化极气体保护焊、空气中的等离子弧焊、空气中的焊条电弧焊。所述焊接机构包括上述各种焊接。

本发明在焊接机构的两侧安装X射线源、X射线影像接收器。所述X射线影像接收器将熔滴过渡X射线影像转化为可见光影像并发送给所述远程控制机构中的计算机，实现熔滴过渡影像采集；同时，焊接电信号采集单元对焊接过程的焊接电压以及焊接电流进行同步采集；采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构中的计算机中，通过计算机对焊接熔滴过渡过程进行实时监测。实现焊接过程的可视化。本发明具有以下方面的优点：（1）、受焊接环境影响小，尤其极端环境（如水下环境、烟尘环境、电弧弧光干扰等）；

（2）、适用性广，可适用于所有电弧焊接方法的熔滴过渡观察；（3）、成像质量高，X射线成像的特点决定了成像效果具有高质量的对比度，对熔滴形态包括熔滴内部缺陷均可实现良好的观察；（4）、影像采集频率高；（5）、远程控制、操作方便。是一种理想的水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明水下焊接熔滴过渡实时监测装置组成结构示意图。其中X射线接收器为平板探测器。

图2是本发明水下焊接熔滴过渡实时监测装置另一种组成结构示意图。其中X射线接收器为影像增强器。

图中的标号是：1.铅室； 2.X射线源；3.焊接机构；4.焊枪；、5.焊接电信号采集单元；6.焊接工件；7.焊接熔滴；8.电弧区域；9.远程控制机构；10.X射线影像接收器；11.高速摄像机。

具体实施方式

从图1、图2中可以看出，一种水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其包括有X射线源2、X射线影像接收器10、焊接电信号采集单元5、焊接机构3、远程控制机构9，所述X射线源2安装在焊接机构3中焊接工件6一侧，X射线影像接收器10安装在焊接工件6的另一侧；所述X射线源2发出X射线透过所述焊接工件6上方的电弧区域8，形成熔滴过渡X射线影像并投射到所述X射线影像接收器10上，所述X射线影像接收器10将熔滴过渡X射线影像转化为可见光影像并发送给所述远程控制机构9中的计算机，实现熔滴过渡影像采集；所述焊接电信号采集单元5对焊接过程的焊接电压以及焊接电流进行同步采集；采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构中的计算机中，通过计算机对焊接熔滴过渡过程进行实时监测。

本发明装置中所述远程控制机构9设有X射线远程控制器、焊接机构远程控制器、影像采集远程控制器以及计算机，通过所述远程控制机构可实现所述X射线源、所述X射线影像接收器、所述焊接电信号采集单元以及焊接机构进行焊接作业的开启与关闭，并实现X射线影像采集与焊接电信号采集同步。监测实时画面可通过远程控制机构中的计算机进行观察，焊接作业结束后通过远程控制机构关闭X射线源、焊接机构、焊接电信号采集单元、X射线影像接收器，采集的影像可通过远程控制机构中的计算机进行回放、存储。

本发明装置中还设有一铅室1，所述X射线源2、X射线影像接收器10、焊接电信号采集单元5、焊接机构3均安装在铅室中。焊接熔滴过渡影像信号以及焊接电信号的采集均在铅室防护下进行，确保工作人员的人身安全。

本发明装置不仅适用于水下焊接（包括水下湿法焊接、水下干法焊接、水下局部干法焊接），还适用于空气中的熔化极气体保护焊、空气中的非熔化极气体保护焊、空气中的等离子弧焊、空气中的焊条电弧焊。所述焊接机构包括上述各种焊接。

本发明使用上述水下焊接熔滴过渡实时监测装置实现水下焊接熔滴过渡实时监测的方法，包括以下步骤： 

（1）通过远程控制机构调整和确定X射线源、X射线影像接收器形成的X射线成像系统的焦距、放大倍数、射线强度，使其满足X射线影像清晰成像要求；

（2）通过远程控制机构调整与确定高速摄像机的光圈、焦距、对焦距离、采集频率、分辨率，使其满足对影像增强器输出端可见光影像的清晰采集；

（3）通过远程控制机构调整与确定焊接机构的电弧区域、熔滴过渡位置与焊接轨迹，使其满足熔滴过渡过程发生在X射线影像成像范围内，X射线穿透电弧区域与熔滴；

（4）通过远程控制机构触发X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、高速摄像机以及焊接系统；通过X射线影像接收器将X射线影像转换成可见光影像；通过高速摄像机对上述可见光影像进行高速采集，实现对熔滴过渡过程的有效监测；

（5）通过计算机可对焊接熔滴过渡过程进行实时监测，并可选择性地进行数据存储。

在上述方法中，还采用 X射线放大成像区域，实现微区观察。

实施例1：如图1所示的X射线接收器10为平板探测器。一种水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其主要由铅室1、 X射线源2、焊接机构3、焊接电信号采集单元5、远程控制机构9、平板探测器构成。X射线源2与平板探测器分别放置在焊接工件6两端，保证X射线源2发射端中心位置与平板探测器输入端中心位置保持在同一水平线，成180°角。调整焊接机构3中的焊枪4的位置，保证焊枪4端部位于观察视场范围内，以确保在焊接过程中电弧区域8与焊接熔滴7位于观察视场范围内。在焊接作业开始之前，首先通过远程控制机构9开启X射线源2、平板探测器，首先对焊枪4端部的焊接材料（如焊丝、焊条）进行拍摄，利用其成像效果来调整成像参数， 包括：X射线强度、X射线源2与焊接工件6的距离、平板探测器与焊接工件6的距离，确保成像效果清晰，对比度高。在设置好成像参数后，设置焊接机构3参数，包括：焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊接轨迹。通过远程控制机构9设置好上述参数后，通过远程控制机构9同时启动焊接作业、焊接电信号采集单元5，对焊接电弧区域8的焊接熔滴7进行实时监测，采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构9中的计算机中，监测实时画面可通过远程控制机构9中的计算机进行观察，焊接作业结束后通过远程控制机构9关闭X射线源2、焊接机构3、焊接电信号采集单元5、平板探测器，采集的影像可通过远程控制机构9中的计算机进行回放、存储。

实施例2：如图2所示X射线接收器10为影像增强器。该水下焊接熔滴过渡实时监测装置，主要由铅室1、 X射线源2、焊接机构3、焊接电信号采集单元5、远程控制机构9、高速摄像机11及影像增强器构成。高速摄像机11采用电动三可变镜头。X射线源2与影像接收器分别放置在焊接工件6两端，保证X射线源2发射端中心位置与影像接收器输入端中心位置保持在同一水平线，成180°角。调整焊接机构3中的焊枪4的位置，保证焊枪4端部位于观察视场范围内，以确保在焊接过程中电弧区域8与焊接熔滴7位于观察视场范围内。在焊接作业开始之前，首先通过远程控制机构9开启X射线源2、影像接收器及高速摄像机11，首先对焊枪4端部的焊接材料（如焊丝、焊条）进行拍摄，利用其成像效果来调整成像参数， 包括：X射线强度、X射线源2与焊接工件6的距离、影像接收器12与焊接工件6的距离、高速摄像机11的电动三可变镜头的光圈、焦距，确保成像效果清晰，对比度高。在设置好成像参数后，设置焊接机构3参数，包括：焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊接轨迹。通过远程控制机构9设置好上述参数后，通过远程控制机构9同时启动焊接作业、焊接电信号采集单元5以及高速摄像机11的高速采集功能，对焊接电弧区域8的焊接熔滴7进行实时监测，采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构9中的计算机中，监测实时画面可通过远程控制机构9中的计算机进行观察，焊接作业结束后通过远程控制机构9关闭X射线源2、焊接机构3、焊接电信号采集单元5、高速摄像机11、及影像增强器，采集的影像可通过远程控制机构9中的计算机进行回放、存储。

本发明运用“X射线成像转化成可见光”的方式取代了传统的单独“可见光”方式对水下焊接熔滴过渡进行实时监测，监测手段独特，成像方式独特，成像效果独特。并且受焊接环境影响小；适用性广，可适用于所有电弧焊接方法的熔滴过渡观察；成像质量高，X射线成像的特点决定了成像效果具有高质量的对比度，对熔滴形态包括熔滴内部缺陷均可实现良好的观察；影像采集频率高；远程控制、操作方便。

以上对本发明实施例所提供的一种水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依照本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其包括有X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、焊接机构、远程控制机构，其特征在于：所述X射线源安装在焊接机构中焊接工件一侧，X射线影像接收器安装在焊接工件的另一侧；所述X射线源发出X射线透过所述焊接工件上方的电弧区域，形成熔滴过渡X射线影像并投射到所述X射线影像接收器上，所述X射线影像接收器将熔滴过渡X射线影像转化为可见光影像并发送给所述远程控制机构中的计算机，实现熔滴过渡影像采集；所述焊接电信号采集单元对焊接过程的焊接电压以及焊接电流进行同步采集；采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构中的计算机中，通过计算机对焊接熔滴过渡过程进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其特征在于：所述X射线影像接收器为影像增强器，并在所述影像增强器输出端后部安装一高速摄像机，所述影像增强器将X射线影像转化为可见光影像并在其输出端显示，通过高速摄像机对所述可见光影像进行采集，并发送给所述远程控制机构中的计算机。

3.根据权利要求1所述的水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其特征在于：所述X射线影像接收器为平板探测器，所述平板探测器将X射线影像转化为可见光影像并发送给所述远程控制机构中的计算机。

4.根据权利要求1所述的水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其特征在于：所述远程控制机构设有X射线远程控制器、焊接机构远程控制器、影像采集远程控制器以及计算机，通过所述远程控制机构实现所述X射线源、所述X射线影像接收器、所述焊接电信号采集单元以及焊接机构进行焊接作业的开启与关闭，并实现X射线影像采集与焊接电信号采集同步。

5.根据权利要求1所述的水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其特征在于：还设有一铅室，所述X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、焊接机构均安装在铅室中。

6.根据权利要求2所述的水下焊接熔滴过渡实时监测装置，其特征在于：所述高速摄像机采用电动三可变镜头，所述远程控制机构设有X射线远程控制器、焊接机构远程控制器、高速摄像机远程控制器以及计算机，通过所述高速摄像机远程控制器实现高速摄像机远程变焦、调焦以及调整光圈尺寸，通过所述远程控制机构实现所述X射线源、所述X射线影像接收器、所述焊接电信号采集单元以及焊接机构进行焊接作业的开启与关闭，并实现X射线影像采集与焊接电信号采集同步。

7.一种使用权利要求1水下焊接熔滴过渡实时监测装置实现水下焊接熔滴过渡实时监测的方法，其特征在于：其包括以下步骤： 

（1）通过远程控制机构调整和确定X射线源、X射线影像接收器形成的X射线成像系统的焦距、放大倍数、射线强度，使其满足X射线影像清晰成像要求；

（2）通过远程控制机构调整与确定高速摄像机的光圈、焦距、对焦距离、采集频率、分辨率，使其满足对影像增强器输出端可见光影像的清晰采集；

（3）通过远程控制机构调整与确定焊接机构的电弧区域、熔滴过渡位置与焊接轨迹，使其满足熔滴过渡过程发生在X射线影像成像范围内，X射线穿透电弧区域与熔滴；

（4）通过远程控制机构触发X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、高速摄像机以及焊接系统；通过X射线影像接收器将X射线影像转换成可见光影像；通过高速摄像机对上述可见光影像进行高速采集，实现对熔滴过渡过程的有效监测；

（5）通过计算机可对焊接熔滴过渡过程进行实时监测，并可选择性地进行数据存储。