管道和管段的导轨焊接的制作方法

1.本发明涉及导轨焊接。尤其地，本发明涉及将管道或管段焊接到一起的设备和方法，其基于接缝形貌的扫描和分析，相对于彼此定位和调平它们的接口表面，预先扫描和映射这些表面和基于扫描和映射结果用焊接材料填充在它们之间产生的任何间隙。


背景技术：

2.焊接是用于连接金属零件的成熟过程。尤其地，焊接对于铺设沿着相当长的距离延伸和/或流动流体、液体或气体的管线是必不可少的。这样的管线由相互连接并形成气密密封的内部体积的多根管段制成。确保管线不出现任何泄露需要用焊接材料密封并完整填充在每两个分段之间的连接区域。为了确保这一点，管段应尽可能一个相对于另一个调平，并且焊接材料应适合管段的接口表面的形貌和它们相互的相对定位。
3.目前，通过将管段焊接到一起形成管线主要依赖于人类专家的技能、经验和知识。在管道的施工现场利用监理专家的肉眼观察作出如何进行焊接的决定。专家监督分段相互的定位和调平，随着焊接进行持续地识别管段的表面的形貌，并在表面之间的接缝内手动地引导焊接装置。缺点主要是由于对人类专业知识和劳动力的严重依赖。这样的方法包括昂贵的手工劳动工作，对人类专业知识和个人知识的强烈依赖以及如何相对于彼此定位管道和到什么程度和在哪里将它们焊接到一起的现场直觉决策。未气密焊接的管道的严重程度影响其整个操作，并且可导致通过其的流动流体完全停止。此外，在不理想或甚至不可能的状况下将需要修复，并且修复甚至可能变得不可能。
4.在焊接管道或任何两个金属表面的领域中，焊接装置和设备是已知的。转让给本技术的申请人的wo 2013/076541描述并要求保护一种模块化焊接设备，其带有支承在移动单元上的焊接装置，用于在诸如管道的弯曲表面的弯曲表面上移动并焊接每两个管段之间的接口表面。在wo 2013/076541中所描述并描绘的焊接装置在本文并入作为参考。然而，其集成到本发明的用于导轨焊接的设备中，其需要如以下所详述的不同预先扫描方法和设备。
5.因此，本发明的目的是提供一种用于导轨焊接的设备，其替代当前的人工或手动管道焊接方法和当前的机械设备和方法。
6.本发明的又一目的是提供一种用于导轨焊接的设备，其包括用于在焊接之前和焊接期间预先扫描和映射管段的接口表面的形貌的扫描装置和技术。
7.本发明的又一目的是提供一种用于导轨焊接的设备和方法，其中，在可重复的闭合路径中进行焊接，其中，这样的路径尤其包括振荡路径、导轨路径、之字形路径和横八(lazy eight)路径。
8.本发明的又一目的是提供一种同步设备和方法，其在扫描和映射管道接口表面与焊接和使焊接设备沿着相邻管段之间的界面接缝推进之间同步。
9.随着描述的进行，本发明的这个及其它的目的和方面将变得显而易见。


技术实现要素：

10.在一个方面中，本发明利用预先扫描技术提供用于导轨焊接的新颖平台。导轨焊接通常用于连接金属管道，其中，焊接过程包括以下阶段：
11.准备，其包括：
12.将每两根管道或管段的端表面以它们彼此接触的方式放置；在两根管道或管段之间进行定位、调平和配合，并且为焊接接头准备它们；识别沿着两根管道之间的连接线可能是u形或v形的焊接接头轮廓。
13.应指出的是，在每两根管道或管段的表面之间的界面处的接缝的轮廓形状可以根据管壁的厚度和材料而具有不同的角度。此外，接缝弯曲不完全准确，并且可能因管道而异。另外，在管道尺寸之间也存在差异，这可导致沿着接头周边出现错位区域。例如，在某一区域中的一根管道可能高于平行区域的另一管道。
14.焊接，其包括：
15.焊接过程，其可选自gmaw(气体金属电弧焊接)、mag(金属活性气体)、mig(金属惰性气体)、脉冲mig、rmd(调节金属沉积)和fcaw(药芯焊丝电弧焊)；将焊嘴自动放置在两根管道的接口表面之间的接头中心，并在距它们底部预定的高度处；从根部层开始，然后热焊、填充焊(根据需要)并且最终盖面焊，分层施加焊接；焊接层的数量取决于壁厚。
16.随着接缝变宽，焊接可能涉及振荡，其典型地可以是∞(“横八”)或之字形移动。包括振荡模式的焊接的导轨模式使得焊接装置能够从接缝的底部到顶部以分层的方法填充管道/管段之间的接缝。尤其地，随着焊接过程从在底部处的根部焊接层推进至在接缝的顶部处的盖面，这样的振荡模式允许焊接材料的空间均匀分布和分层。随着焊接单元在振荡模式下操作，扫描仪单元适应于这样的模式，以向数据处理器提供要焊接的接缝部分的正确的瞬时图像。相应地，控制器向焊接单元发出正确的命令，以沿正确的路径轨道运行，直到在离接缝的底部的任何距离处完成任何特定层的焊接为止。应指出的是，任何类型的闭环路径都被包含在振荡模式中。
17.此外，控制器构造成监测、监督和控制焊接，并向焊接单元发出命令，以实时在管道/管段的接口表面上和它们之间的任何局部部分、区域、部位或点优化焊接。在焊接过程中，扫描仪焊接单元在任何给定的阶段扫描任何这样的特定部分、区域、部位或点，并将相关图像传送至处理器单元。处理器单元例如用图像分析软件分析图像，并产生局部焊接的当前状态。还可结合基于焊接档案的比较分析，以确定该局部焊接是否已达到最佳结果或者是否需要进一步的焊接操作。然后，控制器引导焊接单元和扫描仪焊接单元，以进一步通过焊接区域，以例如通过向接缝中留下的材料不足的孔隙或空壳(enclosure)中添加焊接材料或或刮掉多余的焊接材料来完成局部焊接。
18.检验，其包括：
19.在一些情况下，将移动x射线成像装置用于检验焊接质量；
20.在其他方面，可利用视觉检查或移动超声波装置进行检验。
21.测试焊接接缝的密封的其他方法可以是静压测量，其检查当在管道内施加压力时来自连接管线的泄露。在一些情况下，泄露检查利用静压压力测量进行。
22.在一个特定的实施方式中，焊接装置的轨道移动可在轨条(rail)上进行。在另一特定的实施方式中，焊接过程通常利用一起工作的两个或更多个焊接装置/移动单元进行。
在又一实施例方式中，在每个焊接过程之后测量焊接质量。
23.在一个方面中，本发明提供一种导轨焊接装置，其用于焊接在平行表面之间的界面处形成的接缝。尤其地，这样的装置包括：焊接扫描仪单元、控制单元和焊接单元。在一些实施方式中，控制单元还控制移动焊接单元和焊嘴的伺服机器人系统。
24.在一个特定的实施方式中，控制单元获得扫描信息并基于扫描仪信息控制焊嘴的位置和取向。控制单元还可控制焊接参数。这样的参数可以是或涉及焊嘴移动速度、焊嘴在接缝中的位置、焊嘴的移动/振荡、振荡频率和焊接材料流的量。
25.在一个实施方式中，导轨焊接扫描仪单元构造成进行以下操作：扫描仪扫描接缝轮廓，并测量纹理(如锈蚀和表面粗糙度)和几何参数。扫描仪可在导轨焊接过程之前、期间和之后使用。扫描仪可检测焊接接缝的异常情况。当在焊接之前检测到异常情况时，扫描仪使得能够在焊前扫描中优化管道对彼此的相对位置、调平和取向。
26.在焊后扫描中，当检测到可触发特殊焊接过程的异常情况时，扫描仪可提供警报。
27.在一些实施方式中，焊接装置包括历史焊接事件的数据库：
28.对于每个焊接事件，记录以下参数：时间、管道信息(直径、材料、壁深、形貌)、几何参数(例如，接缝形状和焊接角度)、环境状况(例如，温度、湿度)、焊接参数和焊接质量(特别地，我们以其为单位测量质量)。
29.在一些实施方式中，焊接角度取决于焊接单元相对于焊接位置的位置。
30.在一些实施方式中，焊接装置的控制单元根据当前检测的参数，使用用历史焊接数据来设定最佳焊接参数。
31.焊接装置的其他实施方式包括以下特征：控制单元保持焊嘴距离接缝的底部固定距离。
32.在一些情况下，焊嘴在接缝内振荡，以在焊嘴的设定位置处保持离接缝壁固定距离的方式设定水平振荡振幅(边到边)。给定距离管段的壁的安全距离，计算和设定振幅的一种方式如下：振幅＝在焊嘴位置处的轮廓宽度
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2*离接缝壁的距离。在特定的实施方式中，这样的典型的距离对于脉冲mig焊接可以是1mm，和对于连续mig可以是2mm。
33.在又一特定的实施方式中，焊接设备包括两个或更多个导轨焊接装置，其中，每个焊接装置包括扫描仪单元、控制单元和焊接单元。在又一特定的实施方式中，导轨焊接装置彼此通信，并交换用于焊接过程的相关信息。例如，一个导轨焊接装置的控制单元从另一导轨焊接装置的控制单元接收信息(包括扫描数据)。
34.在一个特定的实施方式中，当管道或管段的顶部边缘的垂直错位形成并大于设定阈值时，焊接装置在接缝的较低侧部署更多的焊接材料。
35.在又一特定的实施方式中，焊嘴的位置在测量焊接接缝的开口的宽度时确定。尤其地，将焊嘴定位在开口宽度的中间作为用于焊接的初始点。
36.在又一特定的实施方式中，焊嘴的高度根据该高度的测量值控制焊接材料流的量。具体地，从接缝的底部至壁轮廓变平的点来测量该高度。
37.在又一特定的实施方式中，可在管段的接口表面之间产生大于零的水平根部间隙。该间隙尤其地形成在接缝的底部，所述接缝在共同地形成v形或u形接缝的表面之间形成。在这种的情况下，振荡焊接装置在垂直于焊接线的方向上振荡焊接喷嘴，以封闭形成的间隙，并提供可在上面用焊接材料进一步填充接缝的焊接底板。
38.在焊穿事件的具体实施方式中，其中焊接过程在焊接位点生成孔，扫描仪可检测焊穿事件，并触发填充孔或防止孔的发生的校正操作。
39.在一个特定的实施方式中，用于将两根管道或管段焊接到一起的方法还包括以下动作：在焊接完成之后对接缝进行后扫描和映射；将焊接接缝的扫描和映射数据传送至处理单元；识别在接缝中的非最佳焊接的位置和/或部位；将机器人移动至这些位置和/或部位；和在这些位置和/或部位修复并完成焊接。
40.非最佳焊接可包括不完整、不足、有缺陷、不均匀分布或多余的焊接材料。
41.焊接方法还可涉及以往焊接操作和计划的历史数据，并将它们应用于当前的焊接项目。将参考应用于历史数据的特定动作如下：存储先前焊接轮次或焊道的扫描和焊接相关历史；读取该历史并将其提供给处理单元；将该历史与在当前焊接项目中获得的扫描数据相比较；识别这样的过去轮次或焊道的历史与扫描数据之间的相似和差异；并基于读取的历史与扫描数据之间的比较，为接缝的当前焊接构建焊接计划。
附图说明
42.图1示出了将两根管道彼此通过焊接装置进行焊接的总示意图。
43.图2示出了示例性焊接装置。
44.图3示出了用于示意性协调焊接的设备，其中，两个焊接装置安装在焊接接缝的平行位置处的两个机器人上。
45.图4示出了安装在两个移动单元上的两个焊接系统的设备，这两个移动单元沿管道表面上轨条靠近焊接接缝移动。该移动单元可以是由控制单元控制的机器人系统。
46.图5示出了焊接设备的示意性前视图，其中，焊接装置安装在沿着管道表面上的轨条移动的移动单元上。
47.图6a
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b以横截面视图示意性地示出了在机器人上的焊接装置和在管道表面上的移动单元。
48.图7示意性地示出了两根管道之间的焊接接缝中的焊接进程。
49.图8示意性地示出了在焊接过程中考虑到的、不同的接缝相对间隙和尺寸。
具体实施方式
50.在该部分中提供导轨焊接设备和方法的详细描述。下面将结合附图并且在不限制本发明的范围的情况下描述本发明的具体实施例和优选实施方式。
51.本发明的导轨焊接设备和方法基本适应于满足对两根接口管道或管段的气密焊接的迫切需求。如图1所示的焊接装置3定位在自然形成在两根管道1与2的接口表面之间的接缝4上。如图8所示的焊接装置的喷嘴10进入接缝并覆盖焊接管道1和2的外壁，即接口表面。图8还显示了在导轨焊接中考虑到的不同尺寸参数，以实现接缝的完整密封。这些参数随后在描述中讨论。
52.图2示意性地描绘了焊接装置3。该装置配备有与管道的轴线平行的线性臂5。可调机构16使得能够实现焊接装置8与扫描仪7之间的距离的精细调整。带有焊嘴10(参见图8)的焊接装置8沿着接缝4的开口移动，并插入接缝内用于从底部到顶部的气密密封。扫描仪7用于跟踪和扫描接缝，并向臂5提供命令(例如，通过控制器)，以调整其位置。臂5由驱动移
动滑块16的马达9驱动。焊接装置3可配备高度调整和控制18。屏蔽装置17为焊嘴提供保护，并因此如gmaw、mag、mig、脉冲mig、rmd和fcaw中已知的，使得可以使用保护气体。
53.为了在焊接过程中沿着接缝推进焊接装置，移动单元支承焊接单元、控制单元和焊接扫描仪单元，并在控制单元的控制和指令下随着焊接进行，而使它们移动。移动单元还可包括用于支承焊接扫描仪单元、控制单元和焊接单元并沿着管道/管段的表面移动的机器人。或者，移动单元可包括用于支承焊接扫描仪单元、控制单元和焊接单元并沿着管道/管段的表面移动的轨道或轨条。
54.为了使得焊接扫描仪单元能够识别其在接缝内的位置并引导焊接单元，其可检测离接缝底部的选定距离。然后焊接装置与扫描仪单元的选定相对高度同步，并将焊嘴保持在该相对高度/距离。
55.图3示出了可由超过一个的焊接装置同时焊接接缝，该焊接装置安装在移动单元19上，该移动单元19沿着两根接口管段的表面并在接缝4上移动。这样的设备需要两个(或更多个)焊接装置在它们之间协调焊接，例如通过在它们的控制之间共享信息和交换命令。由于在两个焊接装置上的扫描仪的组合扫描可更好地识别应进一步填充的接缝内的不完整的部位和区域，所以该协调操作可有益于更快的焊接和更完整的接缝密封。然后焊接装置可以在组合操作中完成这样的部位和区域。另外，每个焊接装置可负责接缝的一侧或部分，并且焊接填料随后可在侧面和/或分段的界面处相接。
56.两个焊接单元的设备可由单个控制单元控制，该控制单元同时操作两个焊接单元以焊接接缝，彼此通信并且彼此交换有关所述接缝的焊接的数据。此外，这样的数据可包括在由每个焊接单元焊接的每个部分中的焊接参数，和在焊接完成之前、期间和之后在每个部分中的接缝表面和接缝主体的扫描和映射细节。
57.图4示出了用于在管段的表面上移动焊接设备的装置。在该情况下，两个焊接设备分别安装在机器人19上，并沿着轨条移动或由在管道1和2的表面上延伸的链条或轨道20支承。在示出焊接设备的主要部件的图6a
‑
b中示出了焊接设备更详细的图示。以焊嘴结束的焊接装置8位于设备的下面处并垂直于设备移动路线。其构造成以便引入到管道接口表面之间的接缝至任何需要的深度，从而确保通过焊接完全密封。扫描仪7先于焊嘴的移动路径，并扫描和映射管道表面的形貌和表面内容(content)。扫描和映射数据被传送至数据处理器(未示出)，该数据处理器向控制器发出命令，以将焊嘴导航至管道表面中的特定区域进行焊接。在给定管道的接口表面的表面区域的完整映射的情况下，数据处理器还可发出焊接计划。焊接计划可包括一系列指令，用于控制器导航焊接装置和焊嘴以及使机器人沿着接缝推进。这些指令可基于现场收集的不同参数和基于这些参数的计算。例如，在表面的特定局部形貌给定的情况下，可在将焊接材料分布在不同区域之前预先计算焊接材料的量。考虑到的其它变量是表面之间的接缝间隙，这可能由于两根管段的相对位置和调平的错位引起。在图8中示意性地示出了这样的情形。
58.在焊接计划的一些应用中，扫描仪单元预先扫描接缝，并将从预先扫描获得的数据传送数据处理单元。基于预先扫描的数据，数据处理单元在启动焊接之前生成接缝表面的映射和焊接计划。然后控制单元通过控制焊接装置的操作来执行焊接计划。例如，控制单元命令焊接单元分布接缝的每个部分所需的焊接材料的量，以获得牢固且连续的焊接。在另一实施方式中，扫描仪单元扫描最近焊接的部分，以识别焊接中的缺陷。然后扫描仪单元
将扫描数据传到处理单元，并且处理单元通过焊后焊道更新焊接计划，以完成焊接。然后控制单元命令焊接装置移动至有缺陷的部分并完成焊接过程。
59.图8图示并例证了两根管道或管段在界面处一个相对于另一个的定位和调平中的错位。这种相对定位的绝对准确在实践中很少出现，并且甚至管道/管段的相对高度的微小差异将在接缝的顶部和底部区域产生垂直和水平的开放间隙，该接缝产生于管道/管段的平行表面之间。尤其地，管道/管段的两个接口表面的相对非调平在接缝的底部产生垂直高度差异11，并且是通过管线流动的泄漏的潜在威胁。管道在接缝的底部的水平相对错位12也可由这样的非调平引起，并且也应完全密封，以防止泄漏(未熔合、焊接的间断、未焊接和该区域需要修复)。为此，本发明的焊接设备的扫描仪(图8中未示出)在接缝内沿其整个长度和宽度移动，并识别管道表面的失配和间断。数据被传送至单元处理器，并且焊接计划指示焊接装置，以使其焊嘴10朝着识别的间隙移动，以用焊接材料将其密封。
60.两根管道的相对错位同时产生底部和顶部非调平，其中，在顶部的垂直间隙11的长度自然与在接缝的底部的垂直间隙11的长度相同。此外，考虑到沟槽几乎总是u形或v形的，管道在接缝底部相对于彼此的水平位错12表现为在顶部接缝的宽度15的加宽。在焊接时，例如在确定焊接材料在接缝中应达到的高度或完整密封所需的材料量时，会考虑这两个顶部间隙。
61.焊接过程开始于接缝的底部，并朝着边缘向上进行。在焊接过程的任何给定阶段，形成具有高度14的芯，直到选定水平13。这些高度和水平通过从焊接装置伸出到接缝中的焊嘴10的位置确定。如参考图2所描述地，焊接装置3可通过高度调整机构18调整焊嘴10在接缝中的高度，并且在焊接过程中动态地向上推进接缝。
62.图7是在管道/管段之间的接缝中形成的焊接阶段和层的示意图。层1是密封接缝的底部的根部层，并用作铺设上焊接层的基础。层2表示随着焊接进行的当前铺设的层，并因此其总是热的。如图7所示，焊接过程以一层接一层扩展层的形式向上推进接缝4。因此，取决于不同的参数，如接缝的深度和宽度、管道/管段的垂直和水平的相对错位和管道/管段的表面的形貌，在层2上的填充被分成多个层。可根据这些参数生成焊接计划，该焊接计划可包括焊嘴为了完整的填充和密封应在接缝内进行的焊道的数量。因此，该计划还将确定总层数，尤其是在层2上方的填充层数量。给定如图7所示的顶部盖面层并将总层数设定为n，则在层2上方填充层数量为3
‑
(n
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1)。盖面层尤其地是密封焊接接缝的层，并具有安装在管道/管段的上边缘上的厚度。这样做是为了确保焊接可靠，并提供气密密封、管道主体的连续性和沿着管线的应力分布均匀。
63.图5是安装在移动单元19上的焊接设备的示意图，所述移动单元19沿着围绕管道中的一根管道的表面的轨条(焊接带)20移动。轨条位于管道上一定距离处，该距离允许将包括焊嘴和扫描仪的焊接装置8置于两根管道/管段之间的接缝上，并位于能够将所述焊嘴和扫描仪引入接缝内以扫描表面的形貌、调平和推进焊接并进行焊接的位置处。带有扫描仪和焊嘴的焊接装置8与移动单元一起围绕管道并在接缝4内移动。移动单元和焊接装置的移动速率取决于焊接的推进速率。处理单元可基于从扫描仪接收的数据产生焊接计划，并相应地根据当前焊接的接缝的任何部分的局部特性设定焊接的速率。焊接计划还可提供焊接接缝的综合视角，并确保各处焊接牢固连续，以避免例如孔、空腔、未熔合、焊接内有气泡、局部区域的材料填充不足顶部盖面不完整和根部气密填充不完整的缺陷。