激光控制的管道内焊机的制作方法
【专利说明】激光控制的管道内焊机
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]依照美国法典第35法案第§ 119 (a)-(d)条的规定，本申请要求2013年5月23日提交的美国临时申请N0.61/826628的优先权，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及一种将两个管段对准和通过焊接将两个管段连接在一起的系统。
【背景技术】
[0004]常规内焊机通常包括从管道内部径向向外扩展以接触管道内部的内部对准机构。如美国专利 N0.3，461，264 ；N0.3，009，048 ；N0.3，551，636 ；N0.3，612，808 和 GB1261814(它们的全部内容均以引用的方式并入本文)所示，当中央部件的延伸部件与管道的相对靠近连接处任一侧上的管段连接面的内部接触时，从内部完成两个管段的对准。为了焊接连接处，扩展器的结构必须留有足够的空间来容纳旋转焊炬。因此，有利的是，提供为旋转焊炬或铰接焊炬留有足够空间的内部对准，或从外部对准管段，以便省去可能显著令内部杂乱和产生杂波的内部扩展器。
[0005]另外，内部焊接的常规方法通常涉及内部或外部对准和内部焊机的插入，以便焊炬对准端面连接处。在该方法中，有时难以评估内部焊机特别是焊炬的定位精度。甚至更难以于焊接期间在焊炬沿其轨道路径横穿管道内部时评估焊炬的位置精度。因此，有利的是，提供在管道接口处追踪管道边缘的结构或定位的系统，以通过利用所追踪到的接口条件来控制焊炬。具体而言，将有利的是，在向电子控制器发送信号之前，首先用激光追踪接口的轮廓，以相对于所追踪到的管道接口轮廓引导焊炬的位置和取向。
[0006]此外，采用外部对准机构的常规管道焊接系统通常将两个管段支撑在辊上并操纵管段的位置和取向，直至对准符合要求。对准是否符合要求通常取决于例如工业上可接受的高低量规，高低量规相当精确却是手动操作的，并且定位在离散位置，而不布满整个管道接口。在任何情况下，从管道内部观察到的接口轮廓或结构通常不是对准质量的考虑因素。因此，有利的是，提供一种这样的对准系统:在外部对准过程中，使用由激光读取的关于接口轮廓的信息作为输入参数。具体而言，有利的是，从控制焊炬的激光装置向控制器提供信息，控制器将利用该信息来控制外部对准机构。
[0007]此外，用于焊接管段的常规管道系统通常缺乏目视检查焊炬所施加的焊缝的能力。因此，有利的是，提供跟随焊炬施加焊接的摄像机和用于显示焊缝图像的显示器，以便操作者能够目视检查焊缝的质量。
[0008]通过审阅本公开内容，将清楚本发明的其它优点。可取得专利权的优点不限于本文重点说明的部份。
【发明内容】
[0009]本发明公开一种用于将两个管段的端面对准和焊接在一起的系统，包括外部对准机构和焊接机构。外部对准机构可以像附图所示的对准组件般复杂或像美国专利N0.1，693，064所示的提普顿(tipton)夹具般简单。所使用的机构还可能适合于海上或陆上管道施工。美国专利N0.1，693，064的全部内容以引用的方式并入本文。无论采用什么机构，外部对准机构均支撑各管段并且能够调节各管段的位置，使得管段基本上共线或沿它们的纵轴线轴向对准。
[0010]外部对准机构可以支撑管段，并且可以包括允许调节管道的位置和取向的动力促动特征/装置。具体而言，外部对准机构可以包括允许管道纵向移动的辊。管道还可以被允许管道上下移动和围绕纵轴线滚动的辊支撑。位置和取向调节可以通过在操作员站控制的电机动力或液压动力般自动进行，或送入中央控制器，基于预定对准参数或来自读取接口或连接处轮廓的内部激光装置的反馈自动控制和对准管段。
[0011]焊接机构优选地为能够从管段内部对管段的端面或边缘连接处进行焊接(例如，熔化极气体保护电弧焊“GMAW”)并且进入由两个管段的倒角边缘形成的V形(也可以使用除V形以外的其它横截面形状)开口中的内部焊机。焊接机构包括:托架，其能够接合管道的内壁，以将其自身固定或锁定在管道内的固定位置；以及焊接部，其在管道内可旋转地被支撑在托架上。具体而言，内部焊机位于对准的管道内，然后纵向定位，使得焊接头或焊炬沿纵向靠近边缘连接处。焊接机构还包括用于相对于托架旋转焊接部的旋转机构。焊接头或焊炬在管道纵轴线周围可旋转地被支撑在焊接部上，使得焊炬可以沿轨道旋转紧靠整个内部连接接口。具体而言，在焊接期间，铰接头的焊炬沿着管道的整个内周周围的边缘连接处施加焊接材料。除了相对于托架的圆形旋转之外，各种控制元件可以沿管道轴线相对于托架移动焊接头、径向地朝向和远离连接处移动焊接头、围绕点或轴线(例如，与管道纵轴线A-Α平行或垂直的轴线)枢转地移动焊接头。控制器可以引导焊炬枢转。这些铰接自由度允许焊接头非常有效且高效率地填充接口轮廓和其它需要填充的地方。
[0012]焊接机构还包括激光追踪机构，激光追踪机构与焊接部的焊炬组合工作，以感测接口连接处轮廓和/或焊接材料轮廓，以在合适的位置将合适量的焊接材料施加到边缘连接处。激光机构调查焊缝并向铰接焊接头的控制器发送信号，以控制焊接头围绕整个边缘连接处的运动。具体而言，当焊接头控制系统连续接收来自边缘连接处的焊缝轮廓信息时，焊炬跟随激光装置。该信息随后被用于连续调节焊炬，以实现所需的焊接结构。
[0013]除了激光追踪机构之外，系统还可以包括用于目视检查焊缝的2D摄像机。2D摄像机被安装在焊接部上并且跟随焊炬，使得操作者可以在焊炬产生焊缝之后马上检查焊缝。视觉信号被传送到外部操作员显示器。例如，2D摄像机可以是彩色摄像机，并且颜色的变化可以向操作者指示焊缝缺陷。感知到的轮廓变化也可以指示缺陷。
【附图说明】
[0014]图1示出本发明的管道焊接系统的立体视图，示出了被支撑在对准机构上的两个外部对准管段。
[0015]图2示出将要利用图1的系统进行焊接的两个管段的管道接口的放大外观图。
[0016]图3示出图1的系统，示出了插入到根据图1的管段中的焊接机构。
[0017]图4示出图3的一部分的放大图，示出了定位在根据图1的管段中进行焊接的焊接机构的焊接部。
[0018]图5示出沿图4的B-B截取的剖视图，示出了各种焊接部元件的布置。
[0019]图6和图7示出图1的焊接机构的侧视图。
[0020]图8示出处于如下构造的图1的系统的立体视图，示出将管段放置在外部对准机构上的第一使用步骤。
[0021]图9示出处于如下构造的图1的系统的立体视图，示出将焊接机构插入到管段中的图8之后的步骤。
[0022]图10示出图1的系统的焊接部的侧视图。
[0023]图11示出图1的系统的焊接部的一部分的放大立体视图。
[0024]图12示出图1的系统的焊接部的一部分的另一放大立体视图。
[0025]图13示出图1的系统的旋转机构的放大立体视图。
[0026]在整个公开内容中，相同的附图标记已被用于标识相同的元件。
【具体实施方式】
[0027]参考图1至图3，将在下面对用于将管段焊接在一起的系统进行描述。图1示出能够支撑、定位和重新定位多种长度的管道的外部对准机构10A、10B。各个机构10A、10B可以包括支撑件(例如，辊)，在支撑件上可以支撑一段管道。纵向辊12可移动地支撑管段105，使得可以沿管段105的用箭头A限定的纵向对管段105重新定位。另外，旋转辊14能够在管段105的任一侧上围绕与支撑管段105的轴线A-A平行的轴线旋转，从而使旋转辊14能够旋转或调节管段105围绕轴线A-A的角度取向。外部对准机构10能够经由电动机、液压装置等将多个管段自动操纵到各种位置和取向。例如，管段可以被升高、降低、旋转、倾斜、枢转等。
[0028]如图1所示，外部对准机构10A、10B支撑多个管段105、110并且调节它们的位置和取向，直至管段105、110这两者对准，使得它们的纵向轴线A-A是共线的并且每个管段105、110的一端抵接在接口边缘处。具体而言，图2示出图1的细节100的放大图，其中，边缘形成管道接口 120 (被称为“初组装”连接处)。
[0029]本发明的管道对准系统和焊接系统从初组装的管段105、110内部对接口 120的内部进行焊接。为了对接口 120的内部进行焊接，内部焊接机构300如图3所示般滚动入管段105之一的端部。然后将第二管段110放置在外部对准机构10B上并且进行操纵，直至两个管段105、110对准成符合要求。然后可以对内部焊接机构300的拉杆345施加外力，或机构可以包括用于在对准管段105、110内调节拉杆轴向位置的自动推进装置。
[0030]如图4至图7所示，焊接机构300包括托架301和焊接部302。托架301包括至少一个对准机构340A、340B，对准机构340A、340B可以沿径向扩展，以接合管段105或110的内表面。这种扩展和接合均能够固定焊接机构300相对于管段105、110的轴向/纵向位置，并且在管段105、110内对准焊接机构300或使焊接机构300径向居中。托架301还包括主体311，在主体311上支撑有旋转机构335。主体311由在对准机构340A、340B之间延伸的多个细长结构支撑部件组成。如下所述，焊接部302包括类似相应的结构313。
[0031]焊接部302可旋转地连接在托架301上并从托架301的端部延伸。托架301与焊接部302之间的相对旋转由旋转机构335推动。旋转机构335被固定在托架301上，并且相对于托架301围绕纵轴线A自动(经由电动机和齿轮)旋转焊接部302。焊接部302可以以悬臂的方式从托架301向外延伸，或者可以被额外对准机构340C支撑，使得焊炬305位于对准机构340B、340C之间。在设置有对准机构340C的情况下，当对准机构340B、340C扩展以将自身固定在管段内部上时，焊接部302能够相对于对准机构340B、340C并在对准机构340B、340C之间旋转。此外，托架301可以包括拉杆345，拉杆345可以构造为自托架301起的细长延伸部，操作者可以握持拉杆345，以将焊接机构300插入/推动或缩回/拉出，从而在管段105、110内对焊接机构300进行轴向定位。
[0032]图4示出图3的一