CN111121972B - 一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置，包括保护罩、激光熔覆头、监控器，所述激光熔覆头通过保护罩内部的夹持部夹住激光熔覆头上端长方体部分，激光熔覆头上设有作为能量传输通道的光纤，光纤固定在保护罩上，光纤上附有数据线作为信号通道外接监控器终端；监控器包括在高度测量组件、温度测量组件和监控器终端。本发明提供的一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置及方法，其能够实时监控加工区域的温度及高度区域，并将数据反馈给水上部分的操作人员，能够根据加工状况实时进行调整，防止意外的发生，保证加工质量。
Description
技术领域
本发明属于激光增材设备，涉及一种能够在水下进行局部干法激光增材的同时在线监控加工部件熔池温度及表面高度的装置。
背景技术
21世纪，人类对能源的需求越来越迫切，海洋、核电工程以及内陆水资源的开发成为人类获取能源的最主要途径，相关工程中水下钢结构件的连接和在役钢结构件的修补都离不开水下焊接技术的参与。经过上百年的发展，水下焊接技术已经形成了水下干法焊接、水下湿法焊接以及局部干法焊接三种水下焊接方法。其中，局部干法水下焊接采用微型排水设备，将待焊部位一小块区域的水排开，从而实现近似干法焊接效果，综合了干法焊接的高焊缝质量和湿法焊接简便易行的优点。
与传统的水下电弧焊接相比，激光增材制造在能量源上具有能量密度高、指向性优良、透明介质传导的优点，在修复工作上具有工作精密度高，修复材质输送方式多样且根据部位性能要求进行梯度调节、修复后性能优良的优点，能够拓宽目前水下设备修复的技术手段，然而激光增材过程存在多因素影响如线能量密度、材料性能等，且多种因素非线性耦合作用，所以对增材过程的一些必要参数，如层高、熔池温度等因素的监控有利于实时把握激光增材加工的现况，有利于及时发现意外情况并进行相应的调整，极大地减小了意外损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置，设置的保护罩能够在水下目标区域形成稳定干区，通过在保护罩中设置高度测量模组件和温度测量模组件，实现对增材对象的高度和温度参数的实时在线监控。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置，包括保护罩、激光熔覆头、监控器，其中，所述监控器包括高度测量组件、温度测量组件和监控器终端；所述的保护罩其主体为一端开口的内凹结构，保护罩内设有固定激光熔覆头的夹持部；所述激光熔覆头通过夹持部夹住激光熔覆头上端部分，激光熔覆头上设有作为能量传输通道的光纤，光纤固定在保护罩上，光纤上附有数据线作为信号通道外接监控器终端；所述高度测量组件包括激光发射器、激光接收器、附带转子电机的转轴、底座、导轨；其中，所述导轨是保护罩内壁上方水平沿圆周方向设置的，导轨设在两个夹持部的下方，所述激光发射器和激光接收器均与数据线连通，激光发射器和激光接收器分别通过转轴固定设有底座，底座中安装有伺服电机，底座设在导轨上并沿着导轨直径方向在导轨上运动；所述温度测量组件包括底座、附带转子电机的转轴、双色测温仪，其中底座和双色测温仪之间通过转轴连接，底座固定在保护罩内壁的中部位置，双色测温仪与数据线连通。
进一步的，所述保护罩上表面有周向均匀排布的进气孔，保护罩中下外表面有周向均匀排布的进水孔，保护罩内部设有夹层，夹层内设有水流通道，水流通道在最底端随保护罩向外侧展开，惰性气体从进气孔进入保护罩内保持内压配合外侧的水帘排水以构建局部干区。
进一步的，所述高度测量模件还包括刚性连杆，激光发射器与激光接收器之间有沿保护罩直径方向的刚性连杆连接，激光发射器和激光接收器在导轨上运动时，刚性连杆同时避开激光熔覆头旋转。
进一步的，所述的局部干法增材温度及高度在线监控的装置，其特征在于：所述温度测量组件为双轴温度测量组件，所述底座和所述双色测温仪之间通过连续两根固定连接的附带转子电机的转轴连接。
进一步的，所述保护罩内设置三组完全相同的温度测量组件，温度测量组件沿保护罩圆周方向120°阵列分布。
一种局部干法增材温度及高度在线监控的方法，包括以下步骤：
（1）将所述局部干法增材温度及高度在线监控的装置安装在工件的待焊接区域上，使所述保护罩罩住至少部分所述待焊接区域，调整所述激光熔覆头的端部与工件之间的距离；
（2）在监控器终端中设定高度测量参数范围H0和温度测量参数范围T0；
（3）同时启动激光发射器和激光接收器各自底座中的电机和转轴中的转子电机，使激光发射器和激光接收器沿着导轨直径在导轨上匀速转动的同时，保持激光发射器和激光接收器始终对准激光熔覆头的正下端；
（4）打开光纤及数据线的传输通道，启动监控器终端，激光发射器、激光接收器和双色测温仪开始信号传输至监控器终端：
a.激光发射器发射的激光到增材区域表面，激光接收器通过测量增材区域反射回来的激光，将两者得到的激光数据通过数据线传送至监控器终端中，在监控器终端中通过编程计算得出增材区域表面的高度测量数据H1，监控器终端根据高度测量数据H1与高度测量参数范围H0的对比，控制激光熔覆头的送粉速率；
b.双色测温仪测将测量到的增材区域表面温度数据T1通过数据线传送至监控器终端中，监控器终端根据温度测量数据T1与温度测量参数范围T0的对比，控制激光熔覆头的输出激光功率；
（5）焊接完成后，局部干法增材温度及高度在线监控的装置停止工作，装置移出焊接区域。
本装置及方法具有如下有益效果：
本发明提出了一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置，在保护罩内部设置的高度测量组件和温度测量组件，高度测量组件始终沿着导轨直径方向运动，并且始终对准激光熔覆头的激光输出口位置，能够实时监控加工区域的高度状态，而温度测量组件则实时监控增材区域表面温度数据，通过在线监控增材温度及高度情况，能够及时发现因意外导致的增材过高或过低现象，有效防止了因加工表面高度因素导致的加工质量下降问题，并将数据反馈给水上部分的操作人员，能够根据加工状况实时进行调整，防止意外的发生，保证加工质量。
附图说明
图1是本发明一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置的结构示意图。
图2是本发明的高度测量组件的俯视剖面示意图。
图3是本发明的温度测量组件的结构示意图。
其中有：1保护罩.；11.进气孔；12.进水孔；13.水流通道；2.激光熔覆头；21.光纤和数据线传输通道；22.夹持部；31.激光发射器；32.激光接收器；33.转轴；34.激光信号器底座；35.导轨；36.刚性连杆；41.双色测温仪；42.转轴；421.第一转轴；422.第二转轴；43.底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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有特定的方位、以特定的方位构造和操作，本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置，包括保护罩1、激光熔覆头2、监控器；所述监控器包括在高度测量组件、温度测量组件和监控器终端；所述保护罩1上表面有周向均匀排布的进气孔11，保护罩1中下外表面有周向均匀排布的进水孔12，保护罩1内部设有夹层，夹层内设有水流通道13，水流通道13在最底端随保护罩1向外侧展开，惰性气体从进气孔11进入保护罩1来保持内压及外侧的水帘排水以构建局部干区，
保护罩1内设有固定激光熔覆头2的夹持部22；所述激光熔覆头2通过夹持部22夹住激光熔覆头2上端长方体部分，激光熔覆头2上设有作为能量传输通道的光纤，光纤固定在保护罩上，光纤上附有数据线作为信号传输通道外接监控器终端；所述高度测量组件包括激光发射器31、激光接收器32、附带转子电机的转轴33、激光信号器底座34、导轨35；其中，所述导轨35是保护罩1内壁上方水平沿圆周方向设置的，导轨35设在夹持部22的下方，所述激光发射器31和激光接收器32均与数据线连通，激光发射器31和激光接收器32分别通过附带转子电机的转轴33固定设有底座34，底座34中安装有伺服电机，底座34设在导轨35上并沿着导轨直径方向在导轨上运动，为了减小高度测量组件沿着导轨直径方向运动的误差，激光发射器31与激光接收器32之间设有沿保护罩直径方向的刚性连杆36，激光发射器31和激光接收器32在导轨35上运动时，刚性连杆36同时避开激光熔覆头2旋转，图2中刚性连杆36是拱形形状，也可以是保证高度测量组件直径运动的其他形状；
温度测量组件包括底座43、附带转子电机的转轴42、双色测温仪41，其中底座43和双色测温仪41之间通过转轴42连接，底座43固定在保护罩内壁的中部位置，双色测温仪41与数据线连通，为了更准确的测量熔池内各区域的温度，可在保护罩内设置多个温度测量组件；如图3，在温度测量组件中，底座和双色测温仪之间还可以通过连续两根固定连接的附带转子电机的转轴连接，这样双色测温仪就可以在底座上360°旋转，达到全方位监测量熔池内各区域温度的目的。本实施例中设三组双轴温度测量组件在保护罩内，双轴温度测量组件沿保护罩圆周方向120°阵列分布，可根据需要测量熔池前端、中心、后沿等不同区域的温度。
一种局部干法增材温度及高度在线监控的方法，包括以下步骤：
（1）将局部干法增材温度及高度在线监控装置安装在工件的待焊接区域上，使保护罩罩住至少部分所述待焊接区域，调整所述激光熔覆头的端部与工件之间的距离；
（2）在监控器终端中设定高度测量参数范围H0和温度测量参数范围T0；
（3）同时启动激光发射器和激光接收器各自底座中的电机和转轴中的转子电机，使激光发射器和激光接收器沿着导轨直径在导轨上匀速转动的同时，保持激光发射器和激光接收器始终对准激光熔覆头的正下端；
（4）打开光纤及数据线的传输通道，启动监控器终端，激光发射器、激光接收器和双色测温仪开始信号传输至监控器终端：
a.激光发射器发射的激光到增材区域表面，激光接收器通过测量增材区域反射回来的激光，将两者得到的激光数据通过数据线传送至监控器终端中，在监控器终端中通过编程计算得出增材区域表面的高度测量数据H1，监控器终端根据高度测量数据H1与高度测量参数范围H0的对比，控制激光熔覆头的送粉速率：当H1>H0时，激光熔覆头减小送粉速率；当H1<H0时，激光熔覆头增大送粉速率；
b.双色测温仪测将测量到的增材区域表面温度数据T1通过数据线传送至监控器终端中，监控器终端根据温度测量数据T1与温度测量参数范围T0的对比，控制激光熔覆头的输出激光功率：当T1>T0时，激光熔覆头减小输出的激光功率；当T1<T0时，激光熔覆头增大输出的激光功率；
（5）焊接完成后，局部干法增材温度及高度在线监控的装置停止工作，装置移出焊接区域。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种局部干法增材温度及高度在线监控的装置，其特征在于：包括保护罩、激光熔覆头、监控器，其中，所述监控器包括高度测量组件、温度测量组件和监控器终端；
所述的保护罩其主体为一端开口的内凹结构，保护罩内设有固定激光熔覆头的夹持部；
所述激光熔覆头通过夹持部夹住激光熔覆头上端部分，激光熔覆头上设有作为能量传输通道的光纤，光纤固定在保护罩上，光纤上附有数据线作为信号通道外接监控器终端；
所述高度测量组件包括激光发射器、激光接收器、附带转子电机的转轴A、底座A、导轨；其中，所述导轨是保护罩内壁上方水平沿圆周方向设置的，导轨设在两个夹持部的下方，所述激光发射器和激光接收器均与数据线连通，激光发射器和激光接收器分别通过转轴A固定设有底座A，底座A中安装有伺服电机，激光发射器的底座A与激光接收器的底座A均在导轨上运动，且激光发射器和激光接收器的连线与导轨的直径方向一致；
所述温度测量组件包括底座B、附带转子电机的转轴B、双色测温仪，其中底座B和双色测温仪之间通过转轴B连接，底座B固定在保护罩内壁的中部位置，双色测温仪与数据线连通。
2.根据权利要求1所述的局部干法增材温度及高度在线监控的装置，其特征在于：所述保护罩上表面有周向均匀排布的进气孔，保护罩中下外表面有周向均匀排布的进水孔，保护罩内部设有夹层，夹层内设有水流通道，水流通道在最底端随保护罩向外侧展开，惰性气体从进气孔进入保护罩内保持内压配合外侧的水帘排水以构建局部干区。
3.根据权利要求1所述的局部干法增材温度及高度在线监控的装置，其特征在于：所述高度测量组件还包括刚性连杆，激光发射器与激光接收器之间有沿保护罩直径方向的刚性连杆连接，激光发射器和激光接收器在导轨上运动时，刚性连杆同时避开激光熔覆头旋转。
4.根据权利要求1所述的局部干法增材温度及高度在线监控的装置，其特征在于：所述温度测量组件为双轴温度测量组件，所述底座B和所述双色测温仪之间通过连续两根固定连接的附带转子电机的转轴B连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的局部干法增材温度及高度在线监控的装置，其特征在于：所述保护罩内设置三组完全相同的温度测量组件，温度测量组件沿保护罩圆周方向120°阵列分布。
6.一种局部干法增材温度及高度在线监控的方法，使用权利要求1至5中任一项所述的局部干法增材温度及高度在线监控的装置进行焊接，其特征在于：依次包括以下步骤：
（1）将所述局部干法增材温度及高度在线监控的装置安装在工件的待焊接区域上，使所述保护罩罩住至少部分所述待焊接区域，调整所述激光熔覆头的端部与工件之间的距离；
（2）在监控器终端中设定高度测量参数范围H0和温度测量参数范围T0；
（3）同时启动激光发射器和激光接收器各自底座A中的电机和转轴A中的转子电机，使激光发射器和激光接收器沿着导轨直径在导轨上匀速转动的同时，保持激光发射器和激光接收器始终对准激光熔覆头的正下端；
（4）打开光纤及数据线的传输通道，启动监控器终端，激光发射器、激光接收器和双色测温仪开始信号传输至监控器终端：a.激光发射器发射的激光到增材区域表面，激光接收器通过测量增材区域反射回来的激光，将两者得到的激光数据通过数据线传送至监控器终端中，在监控器终端中通过编程计算得出增材区域表面的高度测量数据H1，监控器终端根据高度测量数据H1与高度测量参数范围H0的对比，控制激光熔覆头的送粉速率；
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