CN112548267B - 一种水下自动切割观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下自动切割观测装置及方法，所述观测装置包括割条、母材、观测组件、自动切割组件、立杆和平板，所述立杆和平板连接，所述自动切割组件安装于立杆上，并且一端连接割条，所述观测组件固定于平板上，所述观测组件和割条分别置于母材两侧，在母材背面与观测组件之间构成暗箱。通过本发明的水下自动切割观测装置及方法，可准确获得穿孔时各物理量的变化，避免在水下切割时水中气囊对观测切割过程时的影响。

Description

一种水下自动切割观测装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接技术领域，涉及一种水下自动切割观测装置及方法，具体地说是在实现水下自动切割基础上，利用一种置于母材背面的视觉传感器，对母材穿透过程的观测装置。

背景技术

水下切割技术最早用于打捞沉船工程，并逐步发展起来。尤其是近几年来，随着开发海洋事业的发展，为适应水下工程的发展，从提高水下切割能力、速度和质量，以及为适应特殊结构、特殊环境需要出发，相继开发了一些新的水下切割方法和设备。就该方法的目前发展而言，水下切割机理的研究尚不够深入，主要有以下原因：①水下电弧切割过程中，条深入工件内部，传统的观察手段难以观察其切割过程；②切割过程中反应产物易使水变浑浊，加上气泡的影响，难以观测。因此需结合该方法的特点设计适用于水下切割过程观察的试验装置，明确切割过程的影响，对实现自动化和高效切割起推动作用。

江苏科技大学的黎文航等探讨空气中药芯割丝电弧的切割机制，采用在工件边沿切割的方法观测切割过程，探究了药芯割丝深水下的切割工艺，但因水下切割时产生的气泡及浑浊物横向扩散影响水下光路，用该空气切割观测的方法拍摄无法在水下获取理想的切割图像。郭宁等人针对水下湿法焊接过程中浑浊物较多的影响水下观测光路的问题，采用X射线和高速摄像相结合的方法，凭借X射线强大的穿透力，获取了药芯焊丝水下湿法焊接过程的清晰的熔滴过渡图像，但这种方法成本相对较高。

实现自动化切割过程是实现上述工作的前提，这是因为水下切割时，潜水员水下操作成本高，不利于试验研究。自动化切割过程的实现不仅摆脱了对潜水员的依赖，还拓展了水下自动切割观测装置的应用领域。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种水下自动切割观测装置及方法，本发明的观测组件和割条分别置于母材两侧，在母材背面与观测组件之间构成暗箱，避免在水下切割时水中气囊对观测切割过程时的影响，可准确获得穿孔时各物理量的变化。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种水下自动切割观测装置，包括割条、母材、观测组件、自动切割组件、立杆和平板，所述立杆和平板连接，所述自动切割组件安装于立杆上，并且一端连接割条，所述观测组件固定于平板上，所述观测组件和割条分别置于母材两侧，在母材背面与观测组件之间构成暗箱。

进一步的，所述观测组件包括支撑架、透明观测窗、干燥暗室观察窗、光学检测装置和干燥暗室；所述支撑架固定于平板中心处上方，支撑架顶部放置待切割母材，支撑架内侧底部设置透明观察窗；所述干燥暗室固定于平板中心处下方，干燥暗室靠近平板的一侧设置由透明材料构成的干燥暗室观察窗，其余外壁均由遮光材料构成，干燥暗室内部安装用于用于观测切割过程的光学检测装置；穿孔过程发生之前，所述支撑架、未被割透的母材和干燥暗室共同构成一黑暗环境。

进一步的，所述支撑架呈倒扣花盆状，顶部用于放置母材，且顶部预留一开孔，其面积小于母材；底部无遮盖，其余部位密封、遮光。

进一步的，所述透明观测窗内置于支撑架内部下方，并且倾斜设置。

进一步的，所述自动切割组件包括配重块、滑块和连杆，所述立杆上端固定滑块，滑块固定连杆，连杆的另外一端固定割条；切割过程开始之前，滑块上移一段距离，割条另外一端抵在母材上，引弧成功后，在重力作用下，固定于连杆上的割条沿滑块的轨道向下移动。

进一步的，所述配重块由低密度材料和高密度材料通过配比组成，通过调节配重块的重力与体积，实现在不同介质环境下对向下移动速度进行调整。

进一步的，所述割条为水下电氧割条或无电自蔓延型割条，所述光学检测装置为高速相机或为光传感器。

一种水下自动切割观测方法，利用前面所述的水下自动切割观测装置进行，包括以下步骤：

步骤1、连接所述水下自动切割观测装置的各部件；

步骤2、当操作人员通过启动装置外部的切割控制器后，割条引燃，切割过程开始，割条在重力作用下向母材移动；与此同时，同步启动光学检测装置并开始计时；一旦穿孔过程发生瞬间，细微的弧光随之穿透母材，此时干燥暗室中的光学检测装置通过检测到弧光而判定穿孔过程发生；

步骤3、达到预设的时间时，关断切割控制器，切割过程随后将自行终止；再延长一段时间后，关断光学检测装置，并采集相应的数据，进行分析。

与现有技术相比，本发明优点在于：

(1)观测效果好。鉴于光学检测装置与割条分别位于母材两侧，可以避免在水下切割时，水中气囊对观测切割过程时的影响，提高观测的准确性。

(2)分析精度高。通过该方法可以准确的确定切割过程的启停时刻，从而精确分析切割过程尤其是母材穿孔时刻的各物理量的变化。

(3)设备成本低。相对于x摄像等复杂分析装置及PLC控制的自动切割系统，该方法可以利用简单的设备实现对自动切割过程的观测，成本低，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图中，1.割条；2.母材；3.支撑架；4.透明观测窗；5.干燥暗室观察窗；6.光学检测装置；7.干燥暗室；8.配重块；9.滑块；10.连杆；11.立竿；12.平板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供的一种水下自动切割观测装置包括割条1、母材2、观测组件、自动切割组件、立杆11和平板12，立杆11和平板12连接，用于安置固定观察装置其余组件。

本试验装置的自动切割功能由安装于立杆11上的自动切割组件实现。

自动切割组件一端连接割条1，割条1包括水下电氧割条和无电自蔓延型割条两种。自动切割组件包括配重块8、滑块9和连杆10，所述立杆11上端固定滑块9，滑块9固定连杆10，连杆10的另外一端固定割条1。切割过程开始之前，将滑块9上移一段距离，在连杆10上固定好割条1，割条1另外一端抵在母材2上。

本发明所述自动切割过程是借助配重块8的重力实现水下自动送条过程的。引弧成功后，在重力作用下，固定于连杆10上的割条1沿滑块9的轨道向下移动。其中，移动速度通过配重调节，配重块8由低密度材料和高密度材料通过配比组成，通过调节配重块8的重力与体积，实现在不同介质环境下对向下移动速度进行调整。

对于水下切割过程，滑块9的浮力不可忽视，当增加较多的浮性材料时，重力的加速作用受到抑制，下移速度受限；若减少浮性材料，适当增加高密度材料，向下的合力增加，连杆10将加速下移。需要说明的是，切割过程的启停控制由外部的切割控制器实现，与电氧割条配套的切割控制器是带有遥控启停控制功能的大功率弧焊电源，通过控制弧焊电源的启停，实现对切割过程的控制，而无电自蔓延割条则是通过外置电子点火装置实现对引弧过程的控制。为实现对切割过程的精确观测，在启动切割过程的同时，需通过外部切割控制器同步启动观测组件内的光学检测装置。

本试验装置的观测功能由固定于平板12上的观测组件实现。

本试验装置的主要设计目的是检测水下切割过程中母材穿孔时刻的相关物理特征。将观测组件和割条1分别置于母材2两侧，在母材2背面与观测组件之间构成暗箱，可以通过监测母材2穿孔时刻瞬间增加的光通量，来判断这一状态是否发生。不难理解，穿孔瞬间由于开孔极小，光通量有限，加之周围环境对光线的折射和对观测过程的干扰，进一步增加了观测难度。而本试验装置在母材2背面与观测组件内的光学检测装置之间构成暗箱，若母材未穿孔，该区域无光线通过；穿孔瞬间，微弱的光通量也易于被光学检测装置检测到。因此，对固定于平板12上的观测组件做如下设计：

观测组件包括支撑架3、透明观测窗4、干燥暗室观察窗5、光学检测装置6和干燥暗室7。支撑架3固定于平板12中心处上方，支撑架3顶部放置待切割母材2，支撑架3内侧底部设置透明观察窗4。平板12中心处下方固定干燥暗室7，干燥暗室7仅靠近平板12的一侧设置由透明材料构成的干燥暗室观察窗5，其余外壁均由遮光材料构成，干燥暗室7内部安装用于用于观测切割过程的光学检测装置6。

需要说明的是，本发明的一个特点是利用放置于母材2背面的观测组件研究母材穿孔过程。为准确判定穿孔时刻需要避免弧光干扰，须确保干燥暗室7中的光学检测装置6处于暗处，当穿孔过程发生之前，支撑架3、未被割透的母材2和干燥暗室7共同构成一黑暗环境。因此，所述支撑架3呈倒扣花盆状，顶部用于放置母材2，且顶部预留一开孔，其面积小于母材2；底部无遮盖，便于观测，其余部位密封，以便于遮光。

一旦穿孔过程发生瞬间，细微的弧光随之穿透母材2。此时，暗箱中的光学检测装置6极易通过检测到弧光而判定穿孔过程发生。本发明所述的光学检测装置6可以为高速相机也可以为光传感器。为提高检测装置的时域响应性能，需提高观测装置的响应速度。为丰富研究内容，获取更多的实验数据，从中提取母材穿透时刻各类信息特征，以便于研究工作的开展。

还需要说明的是，穿孔过程发生后，母材2底部易于富集熔渣，从而影响后续观测效果，为低成本高效率地清理熔渣，透明观测窗4内置于支撑架3内部下方，并且倾斜设置，以免溅落熔渣影响观测效果。

在上述水下自动切割观测装置的基础上，开发了一种水下自动切割观测方法，包括以下步骤：

步骤1、连接所述水下自动切割观测装置的各部件：立杆和平板连接，用于安置固定观察装置其余组件。立杆上端固定滑块，滑块移动平台上固定连杆，连杆的另外一端固定割条，在重力作用下，固定于连接杆上的割条可以沿滑块轨道上下移动。配重块固定于连杆上。平板中心处上方固定支撑架，在支撑架内侧底部，放置透明观察窗，支持架顶部放置待切割母材。平板下方固定干燥暗室，干燥暗室中放置观察窗的一侧靠近平板，干燥暗室内部安装光学检测装置，用于观测切割过程。

步骤2、当操作人员通过启动装置外部的切割控制器后，割条引燃，切割过程开始，割条在重力作用下向母材移动；与此同时，切割控制器同步启动光学检测装置并开始计时；一旦穿孔过程发生瞬间，细微的弧光随之穿透母材，此时干燥暗室中的光学检测装置通过检测到弧光而判定穿孔过程发生。

步骤3、达到预设的时间时，关断切割控制器，切割过程随后将自行终止；再延长一段时间后，关断光学检测装置，并采集相应的数据，进行分析。

在本实施例中，以光传感器研究无电自蔓延割条的切割过程为例说明。割条为无电自蔓延割条，由于自蔓延割条无需电源为其提供切割过程所需的能量，仅需外置电源引燃电弧，因此外置电源作为切割控制装置，切割过程中，割条利用配重块的重力向下移动，直至割条内的热剂燃烧完成，结束切割过程。

当引弧过程开始时，即可触发视觉装置(光传感器)。为丰富观测内容，获得更为详实数据，可以选取穿孔区域周围温度场的变为作为考察的物理量，具体方法是：在母材穿孔周围预放一系列温度传感器，引弧开始时同步触发温度传感器，记录各个位置温度的变化。当光传感器测量到的光通量达到一定阈值时，即可判定穿孔过程的发生，此时记录当前时刻，计算出穿孔时间，并分析出切割过程穿孔区域温度场变化规律。

综上所述，本发明特点是：观测过程操作简便，设备简单可靠，能够实现简易自动切割过程，并及时检测到割透穿孔时刻，从而准确的分析切割穿透过程。基于上述方法，在水下切割研究时，利用本套装置所判定的切割过程起始时刻和母材穿透时刻，并根据需要同步测量必要的物理量，即可提炼出必要的实验数据，辅助对水下切割过程的理论研究和工艺开发。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水下自动切割观测装置，其特征在于，包括割条（1）、母材（2）、观测组件、自动切割组件、立杆（11）和平板（12），所述立杆（11）和平板（12）连接，所述自动切割组件安装于立杆（11）上，并且一端连接割条（1），所述观测组件固定于平板（12）上，所述观测组件和割条（1）分别置于母材（2）两侧，在母材（2）背面与观测组件之间构成暗箱；所述观测组件包括支撑架（3）、透明观测窗（4）、干燥暗室观察窗（5）、光学检测装置（6）和干燥暗室（7）；所述支撑架（3）固定于平板（12）中心处上方，支撑架（3）顶部放置待切割母材（2），支撑架（3）内侧底部设置透明观测窗（4）；所述干燥暗室（7）固定于平板（12）中心处下方，干燥暗室（7）靠近平板（12）的一侧设置由透明材料构成的干燥暗室观察窗（5），其余外壁均由遮光材料构成，干燥暗室（7）内部安装用于观测切割过程的光学检测装置（6）；穿孔过程发生之前，所述支撑架（3）、未被割透的母材（2）和干燥暗室（7）共同构成一黑暗环境；

所述自动切割组件包括配重块（8）、滑块（9）和连杆（10），所述立杆（11）上端固定滑块（9），滑块（9）固定连杆（10），连杆（10）的另外一端固定割条（1）；切割过程开始之前，滑块（9）上移一段距离，割条（1）另外一端抵在母材（2）上，引弧成功后，在重力作用下，固定于连杆（10）上的割条（1）沿滑块（9）的轨道向下移动。

2.根据权利要求1所述的水下自动切割观测装置，其特征在于，所述支撑架（3）呈倒扣花盆状，顶部用于放置母材（2），且顶部预留一开孔，其面积小于母材；底部无遮盖，其余部位密封、遮光。

3.根据权利要求1所述的水下自动切割观测装置，其特征在于，所述透明观测窗（4）内置于支撑架（3）内部下方，并且倾斜设置。

4.根据权利要求1所述的水下自动切割观测装置，其特征在于，所述配重块（8）由低密度材料和高密度材料通过配比组成，通过调节配重块（8）的重力与体积，实现在不同介质环境下对向下移动速度进行调整。

5.根据权利要求1所述的水下自动切割观测装置，其特征在于，所述割条（ 1） 为水下电氧割条或无电自蔓延型割条，所述光学检测装置（ 6） 为高速相机或为光传感器。

6.一种水下自动切割观测方法，其特征在于，利用权利要求4所述的水下自动切割观测装置进行，包括以下步骤：

步骤1、连接所述水下自动切割观测装置的各部件；

步骤2、当操作人员通过启动装置外部的切割控制器后，割条引燃，切割过程开始，割条在重力作用下向母材移动；与此同时，同步启动光学检测装置并开始计时；一旦穿孔过程发生瞬间，细微的弧光随之穿透母材，此时干燥暗室中的光学检测装置通过检测到弧光而判定穿孔过程发生；

步骤3、达到预设的时间时，关断切割控制器，切割过程随后将自行终止；再延长一段时间后，关断光学检测装置，并采集相应的数据，进行分析。

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