CN117259975A - 基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置及方法，涉及水下焊接技术领域，以解决现有技术中存在的现有的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，缺乏对焊缝坡口数据采集功能的技术问题。该装置包括排水模块、激光焊接模块以及机器视觉模块，排水模块上形成焊接安装位以及视觉安装位且视觉安装位位于焊接安装位的前侧，激光焊接模块以及机器视觉模块均与排水模块密封配合，机器视觉模块用于采集焊缝信息以便于规划焊道的排布。机器视觉模块可采集焊缝信息，并将数据传送给水上焊接系统的控制装置，可以完成局部干法水下激光填丝焊接过程的焊缝定位和跟踪，对焊缝信息采集以对坡口三维模型重建，通过坡口三维模型规划焊道的排布。
Description
技术领域
本发明涉及水下焊接技术领域，尤其是涉及一种基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置及方法。
背景技术
目前，核设施中有很多水下设备和构件，长时间在复杂工况的服役，设备和构件的主材或焊缝容易产生各类缺陷或损伤，需在水下进行必要的现场修复工作，保证核设施的安全稳定运行。
公开号为CN115319464A的发明专利公开了一种核辐射环境水下修复系统及方法，提出了水下定位、水下检测、水下坡口成形、水下焊接增材、水下打磨吸尘全流程系统性的修复流程，满足对水下设施的检测和修复需求。
公开号为CN108701498A的发明专利公开了用于水下修复核反应堆部件的孔洞的设备和方法，使用修复设备对孔洞进行再加工，修复设备可以实现切削任务同时可以完成刨屑的抽吸，避免刨屑对现场环境产生影响。
公开号为CN208231072U的实用新型专利公开了基于主动视觉的水下湿法激光焊接跟踪装置，通过设置的顶板、风机和摄像头,可以跟踪焊接过程，可以排除焊接时产生的水泡,保证视野的清晰。
公开号为CN102699534B的发明专利公开基于扫描式激光视觉传感的厚板窄间隙深坡口激光自动化多层焊焊接方法，它涉及一种焊接方法，以解决现有基于结构光视觉传感的焊接方法只能用于简单的浅坡口激光焊缝跟踪任务,用于厚板窄间隙深坡口的焊缝焊接时，易出现遮蔽现象、坡口设别精度较低以及只能实现实时焊缝对中校准,不能实现窄间隙深坡口的激光多层焊焊道规划和焊接的问题。
公开号为CN113042886A的发明专利公开一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，该方法采用激光视觉传感系统,针对激光焊接过程中焊缝间隙的几何特征实时观察检测激光焊接中间隙尺寸,通过高效算法补偿运算，反馈运算结果。根据结果选择采用激光自熔焊还是激光填丝焊,并在激光填丝焊过程中根据焊缝间隙调节激光功率、送丝速度等工艺参数，最终实现激光焊接的变间隙焊缝成形控制，并能实现自动焊接在线实时反馈控制,解决自动焊接过程中焊缝成形不良的问题。
公开号为CN115488499A的发明专利公开一种水下激光填丝焊接装置及方法，确保水下激光焊接用丝量同时实现了水下执行机构的小型化及轻量化,提升了水下激光焊接覆盖工作覆盖范围，减少了焊接死区，为水下激光焊接作业提供便捷。
公开号为CN105057884B的发明专利公开一种基于激光图像处理的水下焊接平台，采用激光成像设备基于声纳图像处理结果启动对水下激光图像的拍摄,所述焊缝跟踪设备与所述激光成像设备连接,对所述水下激光图像进行激光图像处理以确定焊缝相关信息，能够以高质量的激光图像为识别基础,及时定位水下焊缝位置。
公开号为CN116372368A的发明专利公开一种水下激光焊接装置及焊接修复方法，该装置通过沿着激光头的轴向逐级布设的吸附单元对水下激光焊接产生的飞溅烟尘形成有效吸附提高了对激光头的防护性,提升了水下焊接的修复作业效果。
公开号为CN112355440A的发明专利公开一种水下焊缝超声跟踪系统及算法，针对水下焊缝缺陷检测或湿法焊接，在水下自动爬行机构上位于检测探头或焊枪的前方设置一个用于焊缝跟踪的超声波探头。通过向水下爬行机构的方向调节机构发出控制信号，以调节其跟踪方向。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
现有的基于视觉传感的局部干法水下激光填丝焊接技术方面，只对焊接过程进行监测，未涉及焊缝跟踪以及焊道排布。
发明内容
本发明的目的在于提供基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置及方法，以解决现有技术中存在的现有的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，缺乏对焊缝坡口数据采集功能的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，包括排水模块、激光焊接模块以及机器视觉模块，其中，所述排水模块上形成焊接安装位以及视觉安装位且所述视觉安装位位于所述焊接安装位的前侧，所述激光焊接模块以及所述机器视觉模块分别设置于所述焊接安装位和所述视觉安装位，所述激光焊接模块以及所述机器视觉模块均与所述排水模块密封配合，所述机器视觉模块用于采集焊缝信息以便于规划焊道的排布。
进一步地，所述机器视觉模块包括壳体、工业相机以及线激光器，所述工业相机和所述线激光器设置在所述壳体内，所述壳体的底部形成相机窗口和线激光窗口，所述相机窗口和所述线激光窗口的上方分别对应所述工业相机和所述线激光器，所述壳体的底部设置有机玻璃以覆盖所述相机窗口和线激光窗口，所述壳体上设置有分别与所述工业相机和所述线激光器相连接的防水航空插头；所述视觉安装位上形成有安装孔，所述壳体与所述排水模块相连接且所述安装孔正对所述有机玻璃。
进一步地，所述工业相机与所述壳体的内侧面相连接，所述工业相机的高度可调节；所述线激光器与所述壳体的内侧面相连接，所述工业相机的高度和/或角度可调节。
进一步地，所述排水模块包括下盖体、上盖体以及连接盖板，所述上盖体设置在下盖体的顶面且两者的内部相连通，所述视觉安装位形成在所述下盖体的顶面上且位于所述上盖体的一侧，所述连接盖板设置在所述上盖体的顶面上，所述连接盖板上形成所述焊接安装位。
进一步地，所述连接盖板上设置进气接头且该所述进气接头沿所述焊接安装位的周向设置；所述下盖体上设置进气接头且该所述进气接头沿所述视觉安装位的周向方向设置；所述焊接安装位以及所述视觉安装位的附近还设置有水下照明灯，所述水下照明灯固定在所述下盖体和所述连接盖板；所述连接盖板上还设置穿板送丝管，所述排水模块内设置与所述穿板送丝管相连接的送丝管结构。
进一步地，所述焊接装置还包括气刀模块，所述气刀模块设置在所述排水模块内且与所述排水模块内侧顶面相连接，所述气刀模块与所述激光焊接模块相配合；所述气刀模块的侧面以及所述排水模块上设置有气刀进气接头，两个所述气刀进气接头通过管道相连接。
进一步地，所述激光焊接模块包括焊接壳体、水下激光头、相机壳体、水下工业相机以及光纤接头，所述相机壳体设置在所述焊接壳体的一侧且两者相连接，所述水下激光头设置在所述焊接壳体内，所述水下工业相机设置在所述相机壳体内，所述水下激光头的顶部连接所述光纤接头。
本发明提供一种采用所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，包括以下内容：定位焊接坡口的位置；扫描焊接坡口并对坡口进行三维模型重建；依据坡口三维模型规划焊道排布；控制进行熔丝焊接操作并监控焊接过程。
本发明优选技术方案至少可以产生如下技术效果：本发明提供的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，增加了机器视觉模块，机器视觉模块可采集焊缝信息，并将数据传送给水上焊接系统的控制装置，可以完成局部干法水下激光填丝焊接过程的焊缝定位和跟踪，对焊缝信息采集以对坡口三维模型重建，通过坡口三维模型规划焊道的排布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明提供的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置的结构示意图；
图2是本发明提供的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置的结构示意图；
图3是本发明提供的机器视觉模块内部示意图；
图4是本发明提供的气刀模块的示意图；
图5是本发明提供的焊接装置的工作流程图。
图中1、排水模块；11、下盖体；12、上盖体；13、连接盖板；2、激光焊接模块；21、焊接壳体；22、水下激光头；23、相机壳体；24、光纤接头；3、机器视觉模块；31、壳体；311、线激光窗口；32、工业相机；33、线激光器；34、防水航空插头；4、进气接头；5、水下照明灯；6、穿板送丝管；7、气刀模块；71、气刀进气接头；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
参见图1-图2，本发明提供了一种基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，包括排水模块1、激光焊接模块2以及机器视觉模块3，其中，排水模块1上形成焊接安装位以及视觉安装位且视觉安装位位于焊接安装位的前侧，激光焊接模块2以及机器视觉模块3分别设置于焊接安装位和视觉安装位，激光焊接模块2以及机器视觉模块3均与排水模块1密封配合，机器视觉模块3用于采集焊缝信息以便于规划焊道的排布。
本发明提供的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，增加了机器视觉模块，机器视觉模块可采集焊缝信息，并将数据传送给水上焊接系统的控制装置，可以完成局部干法水下激光填丝焊接过程的焊缝定位和跟踪，对焊缝信息采集以对坡口三维模型重建，通过坡口三维模型规划焊道的排布。
采用局部干法焊接，避免复杂水环境对视觉传感模块和激光焊接模块的干扰问题，避免水环境中气泡、杂质、光的折射对视觉传感模块受到影响，增加视觉传感模块的检测测量精度，提升了激光填丝焊接质量。
关于“视觉安装位位于焊接安装位的前侧”，这里的方位是以局部干法水下坡口激光填丝焊接装置在焊接过程中，以行走的方向定义为前。
关于机器视觉模块3的具体结构，参见图3，机器视觉模块3包括壳体31、工业相机32以及线激光器33，工业相机32和线激光器33设置在壳体31内，壳体31的底部形成相机窗口和线激光窗口311，相机窗口和线激光窗口311的上方分别对应工业相机32和线激光器33，壳体31的底部设置有机玻璃以覆盖相机窗口和线激光窗口311，壳体31上设置有分别与工业相机32和线激光器33相连接的防水航空插头34；视觉安装位上形成有安装孔，壳体31与排水模块1相连接且安装孔正对有机玻璃。
工业相机32前部设有光学滤光片，允许激光通过但是滤去所有其他的光；通过线激光器作为结构光源，以预定的角度将激光条纹投影到工业相机下部的坡口表面，工业相机直接观察在下部的条纹；通过监控条纹的变化，以进行三维重建及焊缝跟踪。关于通过工业相机32采集的条纹条纹信息以进行三维模型重建，可采用现有技术，本发明不做过多赘述。
优选地，工业相机32与壳体31的内侧面相连接，工业相机32的高度可调节；线激光器33与壳体31的内侧面相连接，工业相机32的高度和/或角度可调节。
关于“工业相机32的高度可调节”，在壳体31的内侧面上沿高度方向设置多个安装孔位，通过调整连接件与不同的安装孔位配合，进行实现工业相机32高度的调节。关于工业相机32，可采用现有技术，实现工业相机32的高度和/或角度的调节。
关于排水模块1，参见图1和图2，排水模块为分体组装结构，排水模块1包括下盖体11、上盖体12以及连接盖板13，上盖体12设置在下盖体11的顶面且两者的内部相连通，视觉安装位形成在下盖体11的顶面上且位于上盖体12的一侧，连接盖板13设置在上盖体12的顶面上，连接盖板13上形成焊接安装位。参见1和图2，示意出了上盖体12和机器视觉模块3均设置在下盖体11上。下盖体11底部设置有密封垫。关于密封垫与焊接工件之间的密封，采用现有技术即可。
连接盖板13上设置进气接头4且该进气接头4沿焊接安装位的周向设置；下盖体11上设置进气接头4且该进气接头4沿视觉安装位的周向方向设置；进气接头4与气管相连接，通过气管向下盖体11内通入惰性气体，下盖体11可为氮气或氩气，下盖体11内的惰性气体可通过其底部排出(密封垫与工件之间缝隙和坡口位置出气)。
焊接安装位以及视觉安装位的周向均设置视觉安装位，实现在焊接位置以及视觉传感模块观察位置没有水，保证焊接和视觉检测质量。
焊接安装位以及视觉安装位的附近还设置有水下照明灯5，水下照明灯5固定在下盖体11和连接盖板13，为焊接监测和视觉检测过程提供光源。
参见图4，连接盖板13上还设置穿板送丝管6，排水模块1内设置与穿板送丝管6相连接的送丝管结构。穿板送丝管6上部设有螺纹结构与连接盖板13螺纹孔实现螺纹连接，可以保证密封性，穿板送丝管6上部设有螺纹孔，外接送丝快插接头与其连接；穿板送丝管6下部设有螺纹缺口结构，通过送丝固定螺母将送丝导管固定在穿板送丝管6上，可以实现对送丝导管的上下位置和送丝方向的调节，以适应复杂环境的焊接任务；焊丝通过送丝快插接头、穿板送丝管和送丝导管，从送丝嘴导出，送向焊接熔。
参见图4，焊接装置还包括气刀模块7，气刀模块7设置在排水模块1内且与排水模块1内侧顶面相连接，气刀模块7与激光焊接模块2相配合；气刀模块7的侧面以及排水模块1上设置有气刀进气接头71，两个气刀进气接头71通过管道相连接。气刀模块7可采用现有的结构，因此，其具体结构不做过多赘述。通过气刀进气接头通入惰性气体，如氮气或氩气，可以实现将坡口内部水排开，避免水环境影响熔池，焊接过程为熔池提供保护，防止出现氧化；有效防止焊接等离子与焊接过程产生的飞溅对保护镜片造成损伤，提高保护镜片的使用寿命。
关于激光焊接模块2，激光焊接模块2包括焊接壳体21、水下激光头22、相机壳体23、水下工业相机以及光纤接头24，相机壳体23设置在焊接壳体21的一侧且两者相连接，水下激光头22设置在焊接壳体21内，水下工业相机设置在相机壳体23内，水下激光头22的顶部连接光纤接头24。光纤接头、水下激光头之间以及水下激光头与排水罩模块之间形成密封；另外，设有水下同轴工业相机，可以完成对焊接熔池的实时监控。关于激光焊接模块的具体结构，采用现有技术即可，本发明不做过多赘述。
本发明提供一种采用上述基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置进行焊接的方法，包括以下内容：
定位焊接坡口的位置；
扫描焊接坡口并对坡口进行三维模型重建；
依据坡口三维模型规划焊道排布；
控制进行熔丝焊接操作。
机器视觉模块可采集焊缝信息，并将数据传送给水上焊接系统的控制装置，可以完成局部干法水下激光填丝焊接过程的视觉焊缝定位和跟踪，对焊缝信息采集以对坡口三维模型重建，通过坡口三维模型规划焊道的排布。
参见附图5，示意出了局部干法水下坡口激光填丝焊接装置的工作流程图，先进行排水模块排水—视觉传感模块定位坡口—视觉传感模块扫描坡口—坡口三维重建—坡口智能排道焊接—进行焊接并焊接过程监控—视觉传感模块焊后检测—发现缺陷后焊接修补—完成焊接维修。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上；术语″上″、″下″、″左″、″右″、″内″、″外″、″前端″、″后端″、″头部″、″尾部″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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语″第一″、″第二″、″第三″等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一个示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，其特征在于，包括排水模块(1)、激光焊接模块(2)以及机器视觉模块(3)，其中，
所述排水模块(1)上形成焊接安装位以及视觉安装位且所述视觉安装位位于所述焊接安装位的前侧，所述激光焊接模块(2)以及所述机器视觉模块(3)分别设置于所述焊接安装位和所述视觉安装位，所述激光焊接模块(2)以及所述机器视觉模块(3)均与所述排水模块(1)密封配合，所述机器视觉模块(3)用于采集焊缝信息以便于规划焊道的排布。
2.根据权利要求1所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，其特征在于，所述机器视觉模块(3)包括壳体(31)、工业相机(32)以及线激光器(33)，所述工业相机(32)和所述线激光器(33)设置在所述壳体(31)内，所述壳体(31)的底部形成相机窗口和线激光窗口(311)，所述相机窗口和所述线激光窗口(311)的上方分别对应所述工业相机(32)和所述线激光器(33)，所述壳体(31)的底部设置有机玻璃以覆盖所述相机窗口和线激光窗口(311)，所述壳体(31)上设置有分别与所述工业相机(32)和所述线激光器(33)相连接的防水航空插头(34)；所述视觉安装位上形成有安装孔，所述壳体(31)与所述排水模块(1)相连接且所述安装孔正对所述有机玻璃。
3.根据权利要求2所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，其特征在于，所述工业相机(32)与所述壳体(31)的内侧面相连接，所述工业相机(32)的高度可调节；所述线激光器(33)与所述壳体(31)的内侧面相连接，所述工业相机(32)的高度和/或角度可调节。
4.根据权利要求1所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，其特征在于，所述排水模块(1)包括下盖体(11)、上盖体(12)以及连接盖板(13)，所述上盖体(12)设置在下盖体(11)的顶面且两者的内部相连通，所述视觉安装位形成在所述下盖体(11)的顶面上且位于所述上盖体(12)的一侧，所述连接盖板(13)设置在所述上盖体(12)的顶面上，所述连接盖板(13)上形成所述焊接安装位。
5.根据权利要求4所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，其特征在于，所述连接盖板(13)上设置进气接头(4)且该所述进气接头(4)沿所述焊接安装位的周向设置；所述下盖体(11)上设置进气接头(4)且该所述进气接头(4)沿所述视觉安装位的周向方向设置；
所述焊接安装位以及所述视觉安装位的附近还设置有水下照明灯(5)，所述水下照明灯(5)固定在所述下盖体(11)和所述连接盖板(13)；
所述连接盖板(13)上还设置穿板送丝管(6)，所述排水模块(1)内设置与所述穿板送丝管(6)相连接的送丝管结构。
6.根据权利要求1或4所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括气刀模块(7)，所述气刀模块(7)设置在所述排水模块(1)内且与所述排水模块(1)内侧顶面相连接，所述气刀模块(7)与所述激光焊接模块(2)相配合；
所述气刀模块(7)的侧面以及所述排水模块(1)上设置有气刀进气接头(71)，两个所述气刀进气接头(71)通过管道相连接。
7.根据权利要求1所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置，其特征在于，所述激光焊接模块(2)包括焊接壳体(21)、水下激光头(22)、相机壳体(23)、水下工业相机以及光纤接头(24)，所述相机壳体(23)设置在所述焊接壳体(21)的一侧且两者相连接，所述水下激光头(22)设置在所述焊接壳体(21)内，所述水下工业相机设置在所述相机壳体(23)内，所述水下激光头(22)的顶部连接所述光纤接头(24)。
8.一种采用权利要求1-7中任一项所述的基于视觉传感的局部干法水下坡口激光填丝焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，包括以下内容：
定位焊接坡口的位置；
扫描焊接坡口并对坡口进行三维模型重建；
依据坡口三维模型规划焊道排布；
控制进行熔丝焊接操作并监控焊接过程。
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