一种模拟水下焊接熔滴过渡的实时监测装置及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接过程监测技术领域，具体地说是涉及一种模拟水下压力环境下的焊接熔滴过渡实时监测装置及监测方法。
【背景技术】
[0002]近些年来，世界强国均将海洋发展放在战略地位，将海洋资源开发和利用摆在重要位置，《中国制造2025》中也明确指出要大力发展深海探测、资源开发利用、海上作业保障装备及其关键系统和专用设备，强调掌握重点配套设备集成化、智能化、模块化设计制造核心技术。此外，海洋的发展离不开海洋工程装备及高技术船舶的升级，同时需要改善现有的海洋工程技术。水下焊接技术是开发海洋、开采海底石油以及组装、维修诸如采油平台、输油管线和海底仓等大型海洋结构的关键技术之一，也是舰船应急修理、海上救助、桥梁架设等工作的必要技术手段
水下焊接技术由于作业环境的特殊性，冶金过程、传质传热过程与传统焊接方法相比发生了很大的变化，其熔滴过渡过程、电弧形态、焊接过程与水下环境的交互作用机理等方面尚未明确，所以对其焊接冶金机理、焊接过程控制方面的研究水平严重制约了水下焊接技术的发展。尤其是作为焊接传热过程中非常重要的熔滴过渡过程，目前还没有非常行之有效的装置与方法对其进行实时监测，尤其是当焊接过程在模拟高压环境下进行时。
[0003]对于传统电弧焊熔滴过渡过程监测方法是:采用光学相机与镜头配备滤光片与减光片，搭载高速摄像采集系统对焊接电弧区域的熔滴过渡进行直接监测观察，必要时需采用外部光源如激光光源对电弧弧光进行背光，以消除电弧弧光的干扰。上述方法在传统电弧焊熔滴过渡监测过程中已成为成熟技术并应用十分广泛，但是该方法在水下焊接熔滴过渡监测过程中无法实现，主要问题在于由于在水下焊接过程中会产生大量的气泡以及焊接区域周围水的扰动，会对该方法成像系统的光路造成很大的折射与反射作用，无法清晰成像同时由于熔滴附近存在大量的气泡，该方法无法将熔滴与气泡有效地分离。所以，目前对于水下焊接熔滴过渡的实时监测观察是水下焊接技术研究过程中的一大难题。目前国内外尚无水下焊接熔滴过渡实时监测技术的报道，尤其是在模拟水下高压环境下的焊接熔滴过渡实时检测技术的报道。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种组成合理、操作方便、受焊接环境影响小、适用性广、成像质量高、影像采集频率高、可实现远程控制的模拟水下压力环境下的水下焊接熔滴过渡实时监测装置及监测方法。
[0005 ]本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:
一种模拟水下焊接熔滴过渡的实时监测装置，包括压力容器、X射线源、X射线影像增强器、高速摄像机、焊接机构、焊接电信号采集单元、远程控制机构，其特征在于:焊接工件置于压力容器内的工作台上，焊接机构经支架支撑在压力容器内焊接工件的上方，X射线源、X射线影像增强器、高速摄像机、焊接机构分别与远程控制机构相连接，焊接工件和焊接机构与焊接电信号采集单元相连接，焊接电信号采集单元与远程控制机构相连接，焊接工件左右两侧对应的压力容器壁上分别设有视窗，X射线源安装在压力容器的左侧或右侧，压力容器的右侧或左侧依次设有X射线影像增强器和高速摄像机，所述X射线源发射出的X射线穿过压力容器视窗透过所述焊接工件上方的电弧区域，照射熔滴过渡过程形成熔滴过渡的X射线影像并再次穿过压力容器另一侧视窗由X射线影像增强器接收，所述X射线影像增强器将熔滴过渡X射线影像转化为可见光影像并投射出来并由所述高速摄像机进行拍摄转化为数字信号发送至所述远程控制机构，所述焊接电信号采集单元对焊接过程中的焊接电压以及焊接电流进行同步采集并发送至所述远程控制机构，远程控制机构将采集的影像信号与焊接电信号实时对焊接熔滴过渡过程进行实时监测并与获取的焊接电信号进行比对。
[0006]本发明所述的压力容器为模拟水深压力容器，导管一端穿过压力容器壁并与压力容器壁密封连接，导管另一端与气栗相连接，气栗与远程控制机构相连接，导管或压力容器上设有压力表，使压力容器的水模似不同深度水环境。
[0007]本发明所述的焊接机构包括焊枪、焊枪运动机构，其中焊枪固定在焊枪运动机构上，焊枪运动机构由步进电机与滑轨组成，可实现X、Y、Z三轴方向上的运动。
[0008]本发明所述的焊接电信号采集单元包括焊接电流传感器、焊接电压传感器、数据采集卡，焊接电流传感器和焊接电压传感器分别与数据采集卡电连接，数据采集卡电与远程控制机构电连接。
[0009]本发明所述的远程控制机构包括X射线远程控制器、焊接机构远程控制器、影像采集远程控制器、模拟水压压力容器远程控制器、焊接机构控制器及计算机，通过所述远程控制机构可实现所述X射线源、所述X射线影像增强器、所述压力容器、所述点信号采集单元、所述焊接机构及焊接机构中的焊枪进行工作开启或关闭，并实现压力容器的充压泄压控制、X摄像影像采集与焊接电信号采集同步;实时画面可以通过远程控制机构中的计算机进行观察，采集的影像可通过远程控制机构中的计算机进行回放与存储。
[0010]本发明所述高速摄像机采用电动三可变镜头，所述远程控制机构设有高速摄像机远程控制器，通过所述高速摄像机远程控制器实时调节高速摄像机远程变焦、调焦以及调整光圈尺寸，以获得高质量图像资料。
[0011]本发明还设有铅室，至少压力容器、X射线源、X射线影像增强器安装在铅室中，使焊接熔滴过渡影像信号以及焊接电信号的采集均在铅室防护下进行，确保工作人员的人身安全。
[0012]—种模拟水下焊接熔滴过渡的实时监测方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1、通过远程控制机构中的X射线远程控制器调整和确定X射线源、X射线影像增强器形成的X射线成像系统的焦距、放大倍数、射线强度，使其满足X射线影像清晰成像要求；步骤2、通过远程控制机构中的高速摄像机远程控制器调整与确定高速摄像机的光圈、焦距、对焦距离、采集频率、分辨率，使其满足对影像增强器输出端可见光影像的清晰采集；步骤3、通过气栗向深压力容器内部充入空气模拟水下压力环境，由压力表读数确定压力容器内部压强，使压力容器获得不同水下深度的压力环境；
步骤4、通过远程控制机构调整与确定焊接机构的电弧区域、熔滴过渡位置与焊接轨迹，使其满足熔滴过渡过程发生在X射线影像成像范围内，X射线穿透电弧区域与熔滴； 步骤5、通过远程控制机构中的焊接机构控制器使焊接机构和焊枪工作，同时通过X射线远程控制器、焊接机构远程控制器、影像采集远程控制器触发X射线源、X射线影像接收器、焊接电信号采集单元、高速摄像机通过射线影像接收器将射线影像转换成可见光影像通过高速摄像机对焊接工件上的焊接熔滴过渡进行高速采集；
步骤6、通过远程控制机构中的计算机可对焊接熔滴过渡过程进行实时监测，并可选择性地进行数据存储。
[0013]本发明在压力容器内放置焊接机构，可在压力容器外部完成对焊接机构的实时控制。并在压力容器两侧安装X射线源、X射线影像增强器，所述X射线影像增强器可以将熔滴过渡X射线影像转化为可见光影像并被X射线影像增强器后端的高速摄像机拍摄下来并储存进远程控制机构中的计算机，实现熔滴过渡影像采集;同时，焊接点引号采集单元对焊接过程的焊接电压以及焊接电流进行同步采集;采集的影像信号以及焊接电信号实时传输到远程控制机构中的计算机中，通过计算机对焊接熔滴过渡过程实时监测，实现焊接过程的可视化。本发明具有以下的优点:(I)、可模拟水深200m高压环境下的水下焊接过程，并对焊接熔滴过渡过程进行实时监测；(2)、受焊接环境影响小，尤其极端环境(如水下环境、烟尘环境、电弧弧光干扰等)；(3)、成像质量高，射线成像的特点决定了成像效果具有高质量的对比度，对熔滴形态包括熔滴内部缺陷均可实现良好的观察；(4)、影像采集频率高；(5)、远程控制、操作方便。是一种理想的水下焊接熔滴过渡实时监测装置及方法。
【附图说明】
[0014]图1是本发明模拟水下压力环境下的水下焊接熔滴过渡实时监测装置组成结构示意图。
[0015]图中的标号是:1.铅室；2.X射线源;3.压力容器;4焊枪;5.焊接电信号采集单元；
6.焊接工件;7.焊接熔滴;8.电弧区域;9.远程控制