CN109158790A - 一种焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法，解决了现有技术不能观察焊接熔池内部的动态过程、受焊接环境影响大、操作不便的的技术问题。本发明提供一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其包括控制系统以及分别与控制系统连接的X射线发射系统、焊接系统和成像系统，焊接系统包括焊枪和焊枪运动平台；在焊接过程中，X射线发射系统发出的X射线穿透焊接工件表面的熔池区域后，形成熔池区域的X射线影像，并同时将熔池区域的X射线影像投射到成像系统中，成像系统将收集到的X射线影像转化为可见光影像后，并传送至控制系统中后，得到熔池区域的动态过程影像。本发明广泛应用于焊接过程监测领域。

Description

一种焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及焊接过程监测领域，具体涉及一种焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法。

背景技术

熔焊过程中，局部熔化的母材液态金属与熔化的填充材料组成熔池，熔池凝固后形成焊接接头。熔池中发生气体排出，熔渣形成等各种行为，这些直接影响了焊接接头组织和性能。为了整体掌控焊接接头形成过程从而保证焊接质量，除了观测熔滴过渡过程、分析电弧稳定性、探究接头微观组织外，对熔池动态过程的观测也是必不可少的。观测熔池的动态过程有助于了解气孔、夹杂缺陷形成，有助于理解接头微观组织的形成，有助于提高焊接质量。

熔池在形成过程中在沿焊接方向、垂直焊接方向及工件厚度方向均有运动，且熔池温度较高，这两中因素造成了熔池形态观测较为困难，目前均采用CCD相机对熔池正面图像经行直接观测，此类方法可以观测到熔池表面流动，但是无法观测熔池内部流动形态，对于熔池内部气体的逸出过程无法观测，而且，上述方法只适用于常规陆上焊接，在水下湿法焊接过程中，熔池上存在大量的水及焊接过程中产生的气泡，水的扰动及气泡的存在使该方法成像系统中的光路发生折射与反射，无法清晰成像，目前对于熔池内部运动形态实时监测研究还未有报道，对于湿法焊接熔池的观测更是急需解决的一大难题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种可观察熔池区域内部、受焊接环境影响小、适用性广、操作方便的焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其包括控制系统以及分别与控制系统连接的X射线发射系统、焊接系统和成像系统，焊接系统置于X射线发射系统和成像系统之间，其还设有密闭的铅室，X射线发射系统、焊接系统、成像系统均固定安装在铅室的内部，焊接系统包括焊枪和焊枪运动平台，焊枪运动平台与焊枪的顶部固定连接，且带动其进行运动焊接；X射线发射系统、成像系统和焊枪运动平台分别由与控制系统连接的运动支架结构调节支撑运动与固定；在焊接过程中，X射线发射系统发出的X射线穿透焊接工件表面的熔池区域后，形成熔池区域的X射线影像，并同时将熔池区域的X射线影像投射到成像系统中，成像系统将收集到的X射线影像转化为可见光影像后，并传送至控制系统中后，得到熔池区域的动态过程影像。

优选的，成像系统中分别依次设有与控制系统连接的X射线影像接收器和高速摄像机，X射线影像接收器将接收到的熔池区域的X射线影像转化为可见光影像；高速摄像机采集可见光影像，并传送至控制系统中。

优选的，控制系统包括计算机和控制柜，高速摄像机将采集可见光影像传送至计算机中进行优化后，得到熔池区域的动态过程影像；控制柜分别与X射线发射系统、焊接系统和成像系统连接，控制柜分别能够远程控制X射线发射系统的开关，能够远程控制焊接系统的焊接过程，还能够远程控制X射线影像接收器和高速摄像机的开关；计算机分别能够调节X射线发射系统的功率，能够调节高速摄像机的成像效果，能够收集、储存并处理熔池区域的动态过程影像。

优选的，焊接系统还包括焊接平台和焊接环境，焊接平台固定且水平放置于玻璃箱体内部，焊枪垂直置于焊接平台的上方。

优选的，焊接环境为陆上焊接环境，或水下焊接环境。

上述任何一项的一种焊接熔池动态过程实时监测装置的使用方法，其包括以下步骤：

1)根据焊接工件的材料及焊接环境，计算合适的焊接工件厚度，使其能够被X射线发射系统发出的X射线穿透，将焊接工件固定放置于焊接平台上；

2)通过控制系统调节运动支架结构调整带动X射线发射系统、焊枪运动平台、成像系统的位置，使其满足在焊接时的熔池区域在X射线影像成像范围内，且X射线能穿透熔池区域；

3)通过控制系统调整并确定X射线发射系统的X射线源强度，以及调整并确定高速摄像机的光圈、焦距、采集频率、分辨率、放大倍数，使其满足熔池区域的X射线影像清晰成像的要求；

4)通过控制系统分别触发X射线发射系统、焊接系统和成像系统，实现在焊接试验过程中，对熔池区域的动态过程实时监测。

优选的，其还包括步骤5)通过计算机对焊接过程中的熔池区域的动态过程的可见光影像进行优化与实时监测，选择性地进行数据存储。

优选的，焊接工件的宽度要小于X射线能够穿透的宽度，t₀为X射线由进入焊接工件前的强度衰减到e^-1倍时所能穿过的焊接工件厚度，t₀＝(μρ)^-1，μ为焊接工件的材料物质的质量吸收系数，ρ为焊接工件的物质密度，其中X射线进入焊接工件前的强度等于X射线发射系统产生的X射线强度减去焊接环境介质吸收X射线强度。

本发明的有益效果：本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法具有可观测位置广、受焊接环境影响小、适用性广、操作方便等特点。

(1)本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法，与传统方法只能观测熔池区域表面运动形态相比，本发明的装置可观测熔池内部流动形态，可直接实时观测熔池区域形成过程中在沿焊接方向、垂直焊接方向及焊接工件厚度方向的运动情况，可以观测熔池区域内部的整个动态过程，可观测焊接位置广，同时观测熔池区域的动态过程有助于了解焊接过程中气孔、夹杂缺陷的形成途径，对于熔池内部气体的逸出过程可实时观测，有助于理解焊接接头处微观组织的形成过程，可有效的避免焊接过程中缺陷和气泡的形成与修补，有助于提高焊接质量。

(2)本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置，既适用于常规陆上焊接，也适用于在水下湿法焊接过程中，在熔池区域上存在大量的水及焊接过程中产生的气泡、水的扰动及气泡的存在情况下，X射线发射系统发出的X射线几乎无损失的穿过焊接熔池区域，仍可进行清晰成像，抗干扰性能显著提高。

(3)本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置，可适用于所有焊接方法及焊接材料，同时焊接使用过程中，受焊接环境变化影响小，可适用于特殊环境(如水下环境、烟尘环境等)，可适用范围广。

(4)本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置，通过远程控制，结构简单，操作方便安全。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(去除运动支架结构)；

图2为图1中焊接系统的结构示意图。

图中标记：1.成像系统，2.焊接系统，3.X射线发射系统，4.控制系统，5.高速摄像机，6.X射线影像接收器，7.铅室，8.计算机，9.控制柜，10.玻璃箱体，11.焊接平台，12.焊接工件，13.焊缝，14.熔池区域，15.焊枪，16.焊枪运动平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的生产方法；所使用的原料，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

如图1、图2所示，本发明的一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其包括控制系统4以及分别与控制系统4连接的X射线发射系统3、焊接系统2和成像系统1，焊接系统2置于X射线发射系统3和成像系统1之间，其还设有密闭的铅室7，X射线发射系统3、焊接系统2、成像系统1均固定安装在铅室7的内部，焊接系统2包括焊枪15和焊枪运动平台16，焊枪运动平台16与焊枪15的顶部固定连接，且带动其进行运动焊接；焊接系统2还包括焊接平台11和焊接环境，焊接平台11固定且水平放置于玻璃箱体10内部，焊枪15垂直置于焊接平台11的上方。焊接环境为陆上焊接环境，或水下焊接环境。

X射线发射系统3、成像系统1和焊枪运动平台16分别由与控制系统4连接的运动支架结构调节支撑运动与固定；在焊接过程中，X射线发射系统3发出的X射线穿透焊接工件12表面的熔池区域14后，形成熔池区域14的X射线影像，并同时将熔池区域14的X射线影像投射到成像系统1中，成像系统1将收集到的X射线影像转化为可见光影像后，并传送至控制系统4中后，得到熔池区域14的动态过程影像。

成像系统1中分别依次设有与控制系统4连接的X射线影像接收器6和高速摄像机5，X射线影像接收器6将接收到的熔池区域14的X射线影像转化为可见光影像；高速摄像机采集5可见光影像，并传送至控制系统4中。

控制系统4包括计算机8和控制柜9，高速摄像机5将采集可见光影像传送至计算机8中进行优化后，得到熔池区域的动态过程影像；控制柜9分别与X射线发射系统3、焊接系统2和成像系统1连接，控制柜9分别能够远程控制X射线发射系统3的开关，能够远程控制焊接系统2的焊接过程，还能够远程控制X射线影像接收器6和高速摄像机5的开关；计算机8分别能够调节X射线发射系统3的功率，能够调节高速摄像机5的成像效果，能够收集、储存并处理熔池区域14的动态过程影像。

本发明的一种焊接熔池动态过程实时监测装置的使用方法，其包括以下步骤：

1)根据焊接工件12的材料及焊接环境，计算合适的焊接工件12厚度，使其能够被X射线发射系统3发出的X射线穿透，将焊接工件12固定放置于焊接平台上合适的为位置后；焊接工件12的宽度要小于X射线能够穿透的宽度，t₀为X射线的强度由进入焊接工件12前的强度衰减到e^-1倍时所能穿过的焊接工件12的厚度，t₀＝(μρ)^-1，μ为焊接工件12的材料物质的质量吸收系数，ρ为焊接工件12的物质密度，其中X射线进入焊接工件12前的强度等于X射线发射系统3产生的X射线强度减去焊接环境介质吸收的X射线强度。

2)通过控制系统4调节运动支架结构调整带动X射线发射系统3、焊枪运动平台16、成像系统1的位置，使其满足在焊接时的熔池区域14在X射线影像成像范围内，且X射线发射系统3发出的X射线能穿透熔池区域14；

3)通过控制系统4调整并确定X射线发射系统3的X射线源强度，以及调整并确定高速摄像机5的光圈、焦距、采集频率、分辨率、放大倍数，使其满足熔池区域14的X射线影像清晰成像的要求；

4)通过控制系统4分别触发X射线发射系统3、焊接系统2和成像系统1，实现在焊接试验过程中，对熔池区域14的动态过程实时监测。

5)通过计算机8对焊接过程中的熔池区域14的动态过程的可见光影像进行优化与实时监测，选择性地进行数据存储。

本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置，可适用于所有焊接方法及焊接材料，同时焊接使用过程中，受焊接环境变化影响小，可适用于特殊环境(如水下环境、烟尘环境等)，可适用范围广。本发明装置不仅适用于空气中焊接(包括空气中熔化极气体保护焊、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、空气中药芯焊丝焊接)，还适用于水下焊接，在进行水下湿法焊接时，进行焊接试验之前在玻璃箱体10中加入纯净水，使焊接过程中电弧在水下燃烧。本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置，既适用于常规陆上焊接，也适用于在水下湿法焊接过程中，在熔池区域14上存在大量的水及焊接过程中产生的气泡、水的扰动及气泡的存在情况下，X射线发射系统3发出的X射线几乎无损失的穿过焊接熔池区域14，仍可进行清晰成像，抗干扰性能显著提高。

本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置，通过远程控制，结构简单，操作方便安全。本发明的焊接熔池动态过程实时监测装置及其使用方法，与传统方法只能观测熔池区域14表面运动形态相比，本发明的装置可观测熔池内部流动形态，可直接实时观测熔池区域14形成过程中在沿焊接方向、垂直焊接方向及焊接工件12厚度方向的运动情况，可以观测熔池区域14内部的整个动态过程，可观测焊接位置广，同时观测熔池区域14的动态过程有助于了解焊接过程中气孔、夹杂缺陷的形成途径，对于熔池内部气体的逸出过程可实时观测，有助于理解焊接接头处微观组织的形成过程，可有效的避免焊接过程中缺陷和气泡的形成与修补，有助于提高焊接质量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其包括控制系统以及分别与所述控制系统连接的X射线发射系统、焊接系统和成像系统，所述焊接系统置于所述X射线发射系统和所述成像系统之间，其还设有密闭的铅室，所述X射线发射系统、所述焊接系统、所述成像系统均固定安装在所述铅室的内部，其特征在于，所述焊接系统包括焊枪和焊枪运动平台，所述焊枪运动平台与所述焊枪的顶部固定连接，且带动其进行运动焊接；所述X射线发射系统、所述成像系统和所述焊枪运动平台分别由与所述控制系统连接的运动支架结构调节支撑运动与固定；在焊接过程中，所述X射线发射系统发出的X射线穿透焊接工件表面的熔池区域后，形成所述熔池区域的X射线影像，并同时将所述熔池区域的X射线影像投射到所述成像系统中，所述成像系统将收集到的所述X射线影像转化为可见光影像后，并传送至所述控制系统中后，得到所述熔池区域的动态过程影像。

2.根据权利要求1所述的一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其特征在于，所述成像系统中分别依次设有与所述控制系统连接的X射线影像接收器和高速摄像机，所述X射线影像接收器将接收到的所述熔池区域的X射线影像转化为可见光影像；所述高速摄像机采集所述可见光影像，并传送至所述控制系统中。

3.根据权利要求2所述的一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其特征在于，所述控制系统包括计算机和控制柜，所述高速摄像机将采集所述可见光影像传送至计算机中进行优化后，得到所述熔池区域的动态过程影像；所述控制柜分别与所述X射线发射系统、焊接系统和成像系统连接，所述控制柜分别能够远程控制所述X射线发射系统的开关，能够远程控制所述焊接系统的焊接过程，还能够远程控制所述X射线影像接收器和高速摄像机的开关；所述计算机分别能够调节所述X射线发射系统的功率，能够调节所述高速摄像机的成像效果，能够收集、储存并处理所述熔池区域的动态过程影像。

4.根据权利要求1所述的一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其特征在于，所述焊接系统还包括焊接平台和焊接环境，所述焊接平台固定且水平放置于玻璃箱体内部，所述焊枪垂直置于所述焊接平台的上方。

5.根据权利要求4所述的一种焊接熔池动态过程实时监测装置，其特征在于，所述焊接环境为陆上焊接环境，或水下焊接环境。

6.根据权利要求1-5任何一项所述的一种焊接熔池动态过程实时监测装置的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤：

1)根据焊接工件的材料及焊接环境，计算合适的焊接工件厚度，使其能够被所述X射线发射系统发出的X射线穿透，将所述焊接工件固定放置于所述焊接平台上；

2)通过控制系统调节所述运动支架结构调整带动所述X射线发射系统、所述焊枪运动平台、所述成像系统的位置，使其满足在焊接时的所述熔池区域在X射线影像成像范围内，且所述X射线发射系统发出的X射线能穿透所述熔池区域；

3)通过控制系统调整并确定所述X射线发射系统的X射线源强度，以及调整并确定所述高速摄像机的光圈、焦距、采集频率、分辨率、放大倍数，使其满足所述熔池区域的X射线影像清晰成像的要求；

4)通过控制系统分别触发所述X射线发射系统、所述焊接系统和所述成像系统，实现在焊接试验过程中，对所述熔池区域的动态过程实时监测。

7.根据权利要求6所述的一种焊接熔池动态过程实时监测装置的使用方法，其特征在于，其还包括步骤5)通过计算机对焊接过程中的所述熔池区域的动态过程的可见光影像进行优化与实时监测，选择性地进行数据存储。

8.根据权利要求6所述的一种焊接熔池动态过程实时监测装置的使用方法，其特征在于，所述焊接工件的宽度要小于X射线能够穿透的宽度，t₀为X射线由进入焊接工件前的强度衰减到e^-1倍时所能穿过的焊接工件的厚度，t₀＝(μρ)^-1，μ为所述焊接工件的材料物质的质量吸收系数，ρ为所述焊接工件的物质密度，其中X射线进入所述焊接工件前的强度等于所述X射线发射系统产生的X射线强度减去所述焊接环境介质吸收X射线强度。