环焊缝窄间隙MAG焊接过程模拟、熔池信息采集装置及方法与流程

环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟、熔池信息采集装置及方法
技术领域
1.本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟、熔池信息采集装置及方法。


背景技术：

2.近年来，大厚度焊接产品广泛应用于船舶、重机等大型设备中，但其生产制造过程中存在的焊接问题渐渐凸显。传统焊接方法常采用大v型坡口，因其焊接填充量大、效率低及变形难以控制等问题严重影响工程生产进度，故而如何实现厚板高效、可靠的连接便成为实现大型整体构件制造的关键技术之一。
3.窄间隙mag焊接方法作为一种大幅度减小坡口面积，可在较小的焊接线能量下实现高效优质焊接的焊接方法，已成为解决厚板焊接难题的一种极具潜力的焊接方法。通过特制焊枪在窄间隙内部填充，可极大的节约焊材使用量并提高焊接效率，降低生产成本。
4.但窄间隙焊接中由于独特的坡口形式常易出现层间或侧壁未熔合的等缺陷，其工艺窗口通常比较窄，须通过大量的试验优化工艺参数。在mag焊接过程中，由于可调节的参数众多，同时对焊枪位置、送丝速度等参数的要求较为严格，一旦各个参数匹配协调较差，可能出现焊接过程不稳定的现象。另外，由于装配误差的存在，可能出现焊偏、下塌、咬边以及焊缝不连续等焊接缺陷，大大影响焊接质量。因此，如何快速高效的获取优化工艺参数并提高参数适用范围尤为重要。
5.但由于窄间隙坡口形式的限制，现有的监测技术效果并不理想。通常为观测窄间隙坡口内的熔池图像，常通过以下两种方式。第一种是通过同轴或者旁轴的方式直接观测坡口内的熔池流动情况，但由于坡口的限制以及焊炬对熔滴及熔池的遮挡，无法准确的看到熔滴过渡情况以及熔池流动行为。另一种方式是采用平板堆焊的方式来替代真实焊接情况，虽然摆脱了空间限制，但其与真实焊接情况有较大差异，无法真实反映坡口内熔池与侧壁的焊接情况。这些方法的不足都使得窄间隙焊接过程及其熔池动态行为的研究受到极大阻碍，也使得工艺参数的优化变得困难。因此，亟需一种可模拟窄间隙坡口内熔池、熔滴特性获取装置进行实时焊接状态的监测。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中的不足，本发明提供一种环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟、熔池信息采集装置及方法，能真实模拟环焊缝窄间隙mag焊接过程，为研究焊接熔池的动态行为和优化mag焊接参数创造了条件。
7.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：第一方面，提供一种环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置，包括：工作台，所述工作台上设有可同轴转动的第一夹具和第二夹具；固定在所述第一夹具上的金属试件，所述金属试件的一个表面设有指定的焊接坡口；固定在所述第二夹具上的透光板，在所述透光板与所述金属试件相贴合的一面设有指定的焊接坡口，并与金属试件上的焊接坡口形成焊
缝；mag焊机，用于对焊缝进行模拟焊接操作。
8.进一步地，所述第一夹具为三爪夹具。
9.进一步地，所述第二夹具为真空吸盘。
10.进一步地，所述透光板为gg17高温玻璃。
11.进一步地，所述mag焊机包括焊枪，所述焊枪包括用于输送焊丝的送丝枪和用于输送保护气的送气管。
12.第二方面，提供一种环焊缝窄间隙mag焊接过程熔池特征信息采集装置，包括：第一方面所述的环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置；工业相机，安装在工作台上，用于通过透光板采集mag焊机对焊缝进行焊接的过程中熔池的图像信息；数据处理系统，用于接收工业相机采集的熔池的图像信息并进行处理，获取熔池的特征信息。
13.进一步地，还包括若干个温度传感器，若干个所述温度传感器均匀安装在金属试件的表面，用于采集熔池的温度并上传至数据处理系统，每个温度传感器与焊缝钝边的延长线的距离为3~5mm。
14.进一步地，所述工业相机上安装有滤光片。
15.进一步地，所述数据处理系统包括工业计算机。
16.第三方面，提供一种环焊缝窄间隙mag焊接过程熔池特征信息采集装置的使用方法，包括：将加工好焊接坡口的金属试件安装在第一夹具上；将加工好焊接坡口的透光板安装在第二夹具上，并将透光板和金属试件相贴合，使位于金属试件上的焊接坡口与位于透光板上的焊接坡口形成焊缝；将调试好的mag焊机的焊枪安装在焊缝的位置；启动调试好的工业相机及数据处理系统；启动mag焊机对焊缝进行焊接，工业相机采集熔池的图像信息并传送至数据处理系统进行处理，获取熔池的特征信息。
17.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：（1）本发明通过开设有焊接坡口的金属试件、透光板模拟窄间隙环焊缝，能真实模拟整个焊接过程，便于观察焊接熔池的内部变化，为研究焊接熔池的动态行为和优化mag焊接参数创造了条件；（2）本发明通过将环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置与工业相机、数据处理系统相结合，解决了窄间隙坡口对内部焊接过程动态信息采集的阻挡，通过高速摄像直接观测到窄间隙焊接坡口内的焊接情况，使得焊接过程中熔池及表面信息实现可视化，装置简单易于实现，工作稳定可靠，可广泛应用于窄间隙mag焊接系统中；（3）本发明通过拍摄获得窄间隙内部熔池流动行为及熔滴过渡行为，了解窄间隙mag填充焊接过程，并通过数据处理系统提取焊接过程中实时图像中的特征信息，从而分析焊接质量，有利于优化试验设计，提高焊接过程稳定性；（4）本发明可以获取焊丝在窄间隙内部铺展行为，有利于优化设计坡口尺寸，避免壁面侧壁未熔合缺陷的产生。该装置可在大量焊接前进行试验，了解窄间隙激光填丝焊接过程特征及稳定性,优化焊接工艺，节约了焊接成本,保证了焊接质量而且该装置结构简单，成本低,有利于在实验室、工程实际中的大量应用。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的一种环焊缝窄间隙mag焊接过程熔池特征信息采集装
置的系统示意图；图2是本发明实施例提供的一种环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置的三维结构示意图；图3是本发明实施例中金属试件上的坡口示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
20.实施例一：如图1、图2所示，一种环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置，包括：工作台1，工作台1上设有可同轴转动的第一夹具2和第二夹具6；固定在第一夹具2上的金属试件3，金属试件3的一个表面设有指定的焊接坡口；固定在第二夹具6上的透光板5，在透光板5与金属试件3相贴合的一面设有指定的焊接坡口，并与金属试件3上的焊接坡口形成焊缝；mag焊机9，用于对焊缝进行模拟焊接操作。
21.在本实施例中，第一夹具2为三爪夹具；第二夹具6为真空吸盘；工作台1上的驱动机构驱动三爪夹具做旋转运动，金属试件3卡接在三爪夹具上与三爪夹具同轴转动并带动透光板5转动。透光板5为gg17高温玻璃，通过gg17高温玻璃可以动态观察到焊接区域内的熔池、熔滴的整个动态过程。mag焊机包括焊枪4，焊枪4包括用于输送焊丝的送丝枪和用于输送保护气的送气管。
22.本实施例通过开设有焊接坡口的金属试件、透光板模拟窄间隙环焊缝，能真实模拟整个焊接过程，便于观察焊接熔池的内部变化，为研究焊接熔池的动态行为和优化mag焊接参数创造了条件。
23.实施例二：如图1、图2所示，基于实施例一所述的一种环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置，本实施例提供一种环焊缝窄间隙mag焊接过程熔池特征信息采集装置，包括：实施例一所述的环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置；工业相机7，安装在工作台1上，用于通过透光板5采集mag焊机对焊缝进行焊接的过程中熔池的图像信息；数据处理系统8，用于接收工业相机7采集的熔池的图像信息并进行处理，获取熔池的特征信息。
24.本实施例中，金属试件3与gg17高温玻璃接触处加工成模拟实际焊接状态的窄间隙坡口；图像采集系统包括布置在gg17高温玻璃一侧的正对着坡口内焊接区域的高动态工业相机7，其通过高速摄像采集图像并与工业计算机相连，本实施例中，工业相机为工业ccd相机，具有高动态范围，动态范围≥100hz，滤光片采用窄带滤光片，滤光波长为635
±
20 nm之间；数据处理系统8包括工业计算机。本实施例中，数据处理系统集成在工业计算机中。工业相机7上安装有滤光片，用于滤除电弧等离子体的干扰。
25.如图3所示，本实施例还可集成实时测温单元，所述测温单元包括若干个温度传感器31，温度传感器31可布置在金属试件3表面，每个温度传感器31与焊缝钝边32的延长线的距离a为3~5mm，温度传感器31获取焊接过程中的温度变化，温度传感器31的输出端亦可与数据处理系统8相连。通过测温单元对不同位置的温度信号采集分析，可与焊后的组织性能测试结果相结合，分析焊接过程热循环，有利于进一步的优化工艺参数。
26.本实施例通过图像采集系统还可对熔滴过渡行为进行监测。具体做法是：工业相机对准环形焊缝焊接熔池；相机前添加滤波片滤除电弧等离子体；相机采集焊接熔池图像信息并传输到数据处理系统；通过数据处理系统的相应图像处理，获取窄间隙坡口内mag焊焊丝熔滴过渡熔池图像。通过监测熔滴过渡,一方面可以了解焊丝熔化进入熔池的方式及其稳定性，另一方面也可以观察到电弧与熔滴之间的相互作用。
27.本实施例通过将环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置与工业相机、数据处理系统相结合，解决了窄间隙坡口对内部焊接过程动态信息采集的阻挡，通过高速摄像直接观测到窄间隙焊接坡口内的焊接情况，使得焊接过程中熔池及表面信息实现可视化，装置简单易于实现，工作稳定可靠，可广泛应用于窄间隙mag焊接系统中。
28.本实施例通过拍摄获得窄间隙内部熔池流动行为及熔滴过渡行为，了解窄间隙mag填充焊接过程，并通过数据处理系统提取焊接过程中实时图像中的特征信息，从而分析焊接质量，有利于优化试验设计，提高焊接过程稳定性。
29.本实施例可以获取焊丝在窄间隙内部铺展行为，有利于优化设计坡口尺寸，避免壁面侧壁未熔合缺陷的产生。该装置可在大量焊接前进行试验，了解窄间隙激光填丝焊接过程特征及稳定性，优化焊接工艺，节约了焊接成本，保证了焊接质量而且该装置结构简单，成本低,有利于在实验室、工程实际中的大量应用。
30.实施例三：基于实施例一所述的一种环焊缝窄间隙mag焊接过程模拟装置和实施例二所述的一种环焊缝窄间隙mag焊接过程熔池特征信息采集装置，本实施例提供一种环焊缝窄间隙mag焊接过程熔池特征信息采集装置的使用方法，包括：将加工好焊接坡口的金属试件安装在第一夹具上；将加工好焊接坡口的透光板安装在第二夹具上，并将透光板和金属试件相贴合，使位于金属试件上的焊接坡口与位于透光板上的焊接坡口形成焊缝；将调试好的mag焊机的焊枪安装在焊缝的位置；启动调试好的工业相机及数据处理系统；启动mag焊机对焊缝进行焊接，工业相机采集熔池的图像信息并传送至数据处理系统进行处理，获取熔池的特征信息。
31.具体使用方法如下：a. 准备模拟件，包括金属试件和gg17高温玻璃，并在金属试件和gg17高温玻璃试板上开设模拟实际焊接接头的窄间隙坡口，为固定gg17高温玻璃一侧，采用真空吸盘将其固定并与金属试件侧贴合，保证坡口对齐；b. 在gg17高温玻璃一侧布置高速摄像工业相机以及温度传感器，并将其监测设备对准焊接区域，布置时应确保监测设备不会阻碍转台的转动；所述监测设备的输出端均与数据处理系统相连；c. 在窄间隙坡口内部布置用于输送焊丝的窄间隙专用送丝枪和用于输送焊接保护气的窄间隙送气管，模拟窄间隙内部的填丝焊接过程；d. 在焊接过程中，工业相机前放置窄带滤光片，根据实际情况适当添加减光片，滤除电弧等离子体干扰，并对准焊接熔池区域。待焊接开始后，维持相机位置不动，工作台匀速转动进行环缝焊接，工业相机开始采集熔池动态图像及熔滴过渡行为，将图像信息传输到数据处理系统；通过数据处理系统的图像处理功能，将采集到的的图像进行二值化处理，并根据实际工况设定合适的阈值，获得其焊接熔池的轮廓边缘，对熔池几何形状及相应
的特征信息数据进行提取，即可得到窄间隙mag焊坡口内的焊接区域实时图像以及熔池图像几何特征信息。
32.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，如本发明同样适用环焊缝窄间隙激光焊接、环焊缝窄间隙tig焊接等，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。