一种管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理的制造方法
【专利摘要】一种管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，包括管内爬行定位机构、通过该管内爬行定位机构推动位移及定位的管内焊缝等离子清渣及热处理机构、用于控制管内爬行定位机构和管内焊缝等离子清渣及热处理机构动作的监控单元。本发明的设备柔性好，对不同尺寸管道的适应性强，采用一套设备可对不同管径的管道内部焊缝进行焊缝清渣及热处理，焊缝清渣效果好；本发明在清渣的同时能够对焊缝进行热处理，可明显改善焊缝力学性能，提高焊缝使用寿命；本发明的设备结构紧凑、易实现整机小型化，而且应用范围广，适用于直径范围为219mm～325mm的不同金属材质管道。
【专利说明】一种管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机
【技术领域】
[0001]本发明涉及等离子技术应用于管道闪光对焊【技术领域】，具体是涉及一种管道闪光对焊管内焊缝等离子清渣及热处理机。
【背景技术】
[0002]闪光对焊是一种先进的焊接方法，和传统焊接方法相比，具有如下优势:1、属于固相焊接，不存在熔池，焊接质量高；2、无需添加熔敷金属，焊接接头化学成分与母材相同；
3、无需气体保护或渣保护，消除了污染源；4、自动化程度高，不依靠手工焊接技能；5、焊接周期短，焊接效率高。
[0003]闪光焊接技术虽然有诸多优点，但是闪光焊接技术存在一个极为关键的技术瓶颈，就是焊接后焊缝残渣需要清理。对于小直径长管道，管道内部接头焊缝清理难题表现的尤为突出。闪光焊接焊缝清渣问题成为管道闪光焊接技术推广应用的一个技术壁垒，必须攻克。
[0004]目前，国内外采用的清渣方法主要有手工打磨法和机械推凸法等。然而，手工打磨法的工人劳动强度大，效率低，且对于小型管道根本无法伸入管内作业。机械推凸法在去除管道焊接接头毛刺时的缺点是对于每个尺寸的管道，都需要一个单独的去毛刺装置，特别是处理小直径管道焊接接头的装置，具有极复杂的结构和高昂的成本。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构可靠、使用方便灵活，在清除焊缝残渣的同时能够对焊缝进行热处理，能够显著提高管道的焊接质量及使用寿命的管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机。
[0006]本发明的技术方案是这样实现的:
本发明所述的管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特点是包括管内爬行定位机构、通过该管内爬行定位机构推动位移及定位的管内焊缝等离子清渣及热处理机构、用于控制管内爬行定位机构和管内焊缝等离子清渣及热处理机构动作的监控单元。
[0007]其中，上述管内爬行定位机构包括车架及安装在车架上的交流电机、行星二级减速器、主动轮、被动轮、齿轮齿条机构、制动电磁铁和行走位移测量机构，其中所述行星二级减速器的动力输入端与交流电机的动力输出端相连接，所述主动轮和齿轮齿条机构分别与行星二级减速器的动力输出端相连接，所述制动电磁铁与齿轮齿条机构相连接，所述行走位移测量机构包括测长编码齿轮和旋转编码器，所述测长编码齿轮与被动轮上设置的齿轮啮合连接，所述旋转编码器的轴端与测长编码齿轮通过键槽配合连接。
[0008]上述管内焊缝等离子清渣及热处理机构包括用于对管内焊缝进行清渣及热处理的等离子枪、用于调节等离子枪使用位置的三自由度调节机构和用于监测等离子枪清渣状态及焊缝处理效果的单目视觉监测单元。
[0009]上述三自由度调节机构包括用于带动等离子枪旋转的伺服电机、用于带动等离子枪径向移动的直线电机机构和用于带动等离子枪偏转摆动的双齿轮传导机构，其中所述直线电机机构包括直线电机及与直线电机的传动轴相连接的运动导轨，所述直线电机安装在直线电机套筒内并通过直线电机套筒与伺服电机的传动轴固定连接，所述双齿轮传导机构包括驱动电机、与驱动电机的传动轴相连接的主动齿轮及与主动齿轮啮合连接的被动齿轮，所述双齿轮传导机构和等尚子枪分别安装在运动导轨上，且所述等尚子枪与被动齿轮固定连接并与外部的离子气及保护气设备和循环冷却水箱相连通。
[0010]为了使本发明的操作人员能够实时并准确地掌握焊缝的清渣及热处理状态，上述单目视觉监测单元包括CCD相机、图像采集卡、环形光源、滤波器和无线发射器，所述无线发射器与监控单元信号连接，所述CCD相机通过支架安装固定在三自由度调节机构上且位于等离子枪的下方。
[0011]为了使本发明的位置调节方便、准确，本发明还包括有通过监控单元控制动作的管内位置调节机构，所述管内位置调节机构设置在管内爬行定位机构和管内焊缝等离子清渣及热处理机构之间。
[0012]为了使本发明能够满足不同直径管道的需求，上述管内位置调节机构包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的径向位置进行粗调的丝杆调节机构，该丝杆调节机构由调节丝杆和调节螺母组成且连接在管内爬行定位机构上。
[0013]为了使本发明能够保证管道轴线与等离子枪旋转的轴线重合，从而实现精确调心定位，上述管内位置调节机构包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的径向位置进行精调的变径调心机构，该变径调心机构包括连接轴及连接轴两端各设置的一组气动调心定位机构，所述各组气动调心定位机构分别由连接套、固定在连接套上且按圆周均匀排布的三个气缸及各气缸的活塞杆外端连接的一个球形压轮组成。
[0014]为了使本发明能够实现等离子枪的轴向微调功能，从而提高等离子枪使用位置的精度，上述管内位置调节机构包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的轴向位置进行微调的轴向位移微调机构，该轴向位移微调机构由伺服气缸、电磁换向阀、压力传感器、位置传感器和控制器组成。
[0015]为了使本发明的操作及控制方便，且自动化程度高，上述监控单元包括机载控制单元和管外监控单元，所述机载控制单元包括PLC控制器及与PLC控制器电连接的无线数据传输器，所述管外监控单元包括图像监视器、无线收发信号单元、离子气及保护气控制单元、循环冷却水箱控制单元、焊缝图像算法处理单元、管内爬行定位机构位移控制单元和等离子枪位姿调节控制单元，所述无线数据传输器与收发信号单元信号连接。
[0016]本发明与现有技术相比，具有如下优点:设备柔性好，采用一套设备可对不同管径的管道进行焊缝修整，而且对不同尺寸管道的适应性强；焊缝修整效果好，在清除焊缝残渣的同时能够对焊缝进行热处理，明显改善了焊缝的力学性能，提高了焊缝的使用寿命；设备结构紧凑、使用安全方便，易实现整机小型化；应用范围广，适用于直径范围为219mm?325mm的不同材质金属管道。
[0017]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明其中一方向的剖面结构示意图。[0019]图2为本发明另一方向的剖面结构示意图。
[0020]图3为本发明中爬行小车的结构示意图。
[0021]图4为本发明中变径调心机构的横截面结构示意图。
[0022]图5为图1中CXD相机与等离子枪在1:1处的安装位置放大示意图。
[0023]图6为本发明中齿轮齿条机构与制动电磁铁的安装示意图。
[0024]图7为本发明中伺服气缸的工作原理图。
【具体实施方式】
[0025]如图1-图7所示，本发明所述的管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，包括管内爬行定位机构、通过该管内爬行定位机构推动位移及定位的管内焊缝等离子清渣及热处理机构、用于控制管内爬行定位机构和管内焊缝等离子清渣及热处理机构动作的监控单元、通过监控单元控制动作的管内位置调节机构，该管内位置调节机构设置在管内爬行定位机构和管内焊缝等离子清渣及热处理机构之间。其中，如图1及图3所示，管内爬行定位机构是一种机、电、气一体化的作业小车，其包括车架I及安装在车架I上的交流电机2、行星二级减速器3、主动轮4、被动轮5、齿轮齿条机构6、制动电磁铁7和行走位移测量机构，其中行星二级减速器3的动力输入端与交流电机2的动力输出端相连接，主动轮4和齿轮齿条机构6分别与行星二级减速器3的动力输出端相连接，制动电磁铁7与齿轮齿条机构6相连接，而且小车可安装在一个小车套筒28内，在该小车套筒28上对应开设有供主动轮
4、被动轮5和制动电磁铁7穿过的通孔，如图6所示，制动电磁铁7是固定安装在齿轮齿条机构6的两齿条之间，当小车到达指定位置后，行走位移测量机构发出运动位置已到达的信号后，安装在车架I下端的齿轮齿条机构6控制制动电磁铁7向下运动，制动电磁铁7下降到最低端与准备进行焊缝清渣及热处理的管道的管壁紧密接触，制动电磁铁7通电后实现对小车的固定作用，避免小车在管道内滑动，行走位移测量机构包括测长编码齿轮和旋转编码器，所述测长编码齿轮与被动轮5上设置的齿轮啮合连接，所述旋转编码器的轴端与测长编码齿轮通过键槽配合连接，被动轮5的转动等同旋转编码器的轴转动，通过旋转编码器的码盘进行计数，从而实现对爬行位置的精确控制。如图1及图2所示，管内焊缝等离子清渣及热处理机构包括用于对管内焊缝进行清渣及热处理的等离子枪23、用于调节等离子枪23使用位置的三自由度调节机构和用于监测等离子枪23清渣状态及焊缝处理效果的单目视觉监测单元。其中，三自由度调节机构包括设置在保护套筒16内的用于带动等离子枪23旋转的伺服电机17、用于带动等离子枪23径向移动的直线电机机构和用于带动等离子枪23偏转摆动的双齿轮传导机构，其中直线电机机构包括直线电机18及与直线电机18的传动轴相连接的运动导轨19，直线电机18安装在直线电机套筒20内并通过直线电机套筒20与伺服电机17的传动轴171固定连接，如图所示，直线电机套筒20与伺服电机17的传动轴171是通过轴套26相连接并通过固定联轴器15连接固定。双齿轮传导机构包括驱动电机、与驱动电机的传动轴相连接的主动齿轮21及与主动齿轮21啮合连接的被动齿轮22，所述双齿轮传导机构和等离子枪23分别安装在运动导轨19上，且所述等离子枪23与被动齿轮22固定连接并与外部的离子气及保护气设备和循环冷却水箱相连通，本发明使用时，可根据需要，通过直线电机18带动等离子枪23径向移动，实现等离子枪23的径向位移调节，并可通过双齿轮传导机构带动等离子枪23偏摆，同时通过伺服电机17经直线电机18带动等离子枪23旋转而实现等离子枪23对管内焊缝清渣及热处理需要的轴向旋转运动。单目视觉监测单元包括CXD相机24、图像采集卡、环形光源、滤波器和无线发射器，无线发射器与监控单元信号连接，CXD相机24通过支架25安装固定在三自由度调节机构上且位于等离子枪23的下方,如图1及图5所示，(XD相机24是通过支架25安装固定在直线电机套筒20上，而且CXD相机24可根据需要按圆周设置有多个，通过该单目视觉监测单元可实时并准确地检测等离子枪23的清渣工作状态及焊缝处理信息。管内位置调节机构包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的轴向位置进行微调的轴向位移微调机构，该轴向位移微调机构由伺服气缸9、电磁换向阀、压力传感器、位置传感器和控制器组成，压力传感器检测伺服气缸9两个压力室的压力信号，位置传感器检测伺服气缸9的活塞杆91的行走位移信号，经控制器计算后由伺服电机9的伺服阀精确控制活塞杆91的行走位移，从而实现等离子枪23的轴向微调功能，如图7所示，为伺服气缸9的工作原理图，当管内焊缝等离子清渣及热处理机构未调整到预定位置时，电磁换向阀切向右端，整个气动回路接通，气体推动伺服气缸9的活塞杆91向前运动，推动管内焊缝等离子清渣及热处理机构向前运动；当管内焊缝等离子清渣及热处理机构超过预定位置时，电磁换向阀切向左端，整个气动回路方向接通，气体推动伺服气缸9的活塞杆91向后运动，带动管内焊缝等离子清渣及热处理机构向后运动；当管内焊缝等离子清渣及热处理机构恰好调整到预定位置时，控制电磁换向阀处于截止位置，伺服气缸9维持不动状态，实现精确定位功能。进一步地，管内位置调节机构还包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的径向位置进行粗调的丝杆调节机构8，该丝杆调节机构8由调节丝杆和调节螺母组成且连接在管内爬行定位机构上，如图2及图3所示，伺服气缸9安装在气缸支架27上并通过丝杆调节机构8连接在车架I的上部，通过丝杆调节机构8上的调节螺母可使车架I上方的伺服气缸9升高或降低实现变径，从而满足不同直径管道的需求，最大变径调节范围为106_。更进一步地，管内位置调节机构还包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的径向位置进行精调的变径调心机构，如图1、图2及图4所示，该变径调心机构包括连接轴11及连接轴11两端各设置的一组气动调心定位机构12，各组气动调心定位机构12分别由连接套121、固定在连接套121上且按圆周均匀排布的三个气缸122及各气缸122的活塞杆外端连接的一个球形压轮123组成，其中连接轴11的一端通过两个万向联轴器10与伺服气缸9的活塞杆91同轴连接，其一端通过固定联轴器15与伺服电机17同轴连接，而且在连接轴11内设置有与各气缸122的气路相连通的气管。并且，变径调心机构可安装在一个调心机构套筒29内，同时在该调心机构套筒29对应各球形压轮123的位置处分别开设有一个可供各球形压轮123穿行的通孔。监控单元包括机载控制单元和管外监控单元，其中机载控制单元包括PLC控制器14及与PLC控制器14电连接的无线数据传输器13，PLC控制器14和无线数据传输器13通过固定联轴器15连接在连接轴11上并位于两组气动调心定位机构12之间，交流电机2、伺服气缸9、气缸122、伺服电机17和等离子枪23分别与PLC控制器14电连接，且PLC控制器14连接有电源，管外监控单元包括图像监视器、无线收发信号单元、离子气及保护气控制单元、循环冷却水箱控制单元、焊缝图像算法处理单元、管内爬行定位机构位移控制单元和等离子枪位姿调节控制单元，无线数据传输器13与收发信号单元信号连接，通过管外监控单元能够方便地实现管道内部焊缝的等离子清渣及热处理功能。
[0026]本发明的工作原理是:管外监测单元接收CXD相机24采集到的焊缝图像信息，通过PLC控制器14发出控制指令，驱动管内爬行定位机构、轴向位移微调机构、变径调心机构、三自由度调节机构和等离子枪23运动，实现爬行、定位、清渣及热处理，清渣过程实时监测等功能。整个过程也可分为三个阶段，第一阶段:管内爬行定位机构把管内焊缝等离子清渣及热处理机构送到准备进行焊缝清渣及热处理的管道的焊缝处，焊缝位置处的定位通过CCD相机24来确定。当管内焊缝等离子清渣及热处理机构到达指定位置后，控制制动电磁铁7使之吸住管道的管壁以固定管内爬行定位机构，然后用车架I上的伺服气缸9轴向微调管内焊缝等离子清渣及热处理机构的位置实现精确定位；第二阶段:控制变径调心机构的六个气缸122让管道轴线与管内焊缝等离子清渣及热处理机构的轴线重合，实现调心功能，当管道轴线与管内焊缝等离子清渣及热处理机构的轴线重合后，通过各气缸122的活塞杆外端的球形压轮123紧压管道的内壁，实现定位功能；第三阶段:通过三自由度调节机构的直线电机机构和双齿轮传动机构让等离子枪23的枪嘴与管内焊缝残渣保持工艺要求姿态，然后通过伺服电机17旋转带动等离子枪23轴向旋转，实现管道的管内焊缝等离子清渣及热处理。
[0027]本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
【权利要求】
1.一种管道闪光对焊管内焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于包括管内爬行定位机构、通过该管内爬行定位机构推动位移及定位的管内焊缝等离子清渣及热处理机构、用于控制管内爬行定位机构和管内焊缝等离子清渣及热处理机构动作的监控单元。
2.根据权利要求1所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于还包括有通过监控单元控制动作的管内位置调节机构，所述管内位置调节机构设置在管内爬行定位机构和管内焊缝等离子清渣及热处理机构之间。
3.根据权利要求2所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述管内位置调节机构包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的径向位置进行粗调的丝杆调节机构(8)，该丝杆调节机构(8)由调节丝杆和调节螺母组成且连接在管内爬行定位机构上。
4.根据权利要求2所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述管内位置调节机构包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的径向位置进行精调的变径调心机构，该变径调心机构包括连接轴(11)及连接轴(11)两端各设置的一组气动调心定位机构(12)，所述各组气动调心定位机构(12)分别由连接套(121 )、固定在连接套(121)上且按圆周均匀排布的三个气缸(122)及各气缸(122)的活塞杆外端连接的一个球形压轮(123)组成。
5.根据权利要求2所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述管内位置调节机构包括用于对管内焊缝等离子清渣及热处理机构的轴向位置进行微调的轴向位移微调机构，该轴向位移微调机构由伺服气缸(9)、电磁换向阀、压力传感器、位置传感器和控制器组成。
6.根据权利要求1所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述管内焊缝等离子清渣及热处理机构包括用于对管内焊缝进行清渣及热处理的等离子枪(23 )、用于调节等离子枪(23)使用位置的三自由度调节机构和用于监测等离子枪(23)清渣状态及焊缝处理效果的单目视觉监测`单元。
7.根据权利要求6所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述三自由度调节机构包括用于带动等离子枪(23)旋转的伺服电机(17)、用于带动等离子枪(23)径向移动的直线电机机构和用于带动等离子枪(23)偏转摆动的双齿轮传导机构，其中所述直线电机机构包括直线电机(18)及与直线电机(18)的传动轴相连接的运动导轨(19)，所述直线电机(18)安装在直线电机套筒(20)内并通过直线电机套筒(20)与伺服电机(17)的传动轴(171)固定连接,所述双齿轮传导机构包括驱动电机、与驱动电机的传动轴相连接的主动齿轮(21)及与主动齿轮(21)啮合连接的被动齿轮(22)，所述双齿轮传导机构和等离子枪(23)分别安装在运动导轨(19)上，且所述等离子枪(23)与被动齿轮(22)固定连接并与外部的离子气及保护气设备和循环冷却水箱相连通。
8.根据权利要求6所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述单目视觉监测单元包括CCD相机(24)、图像采集卡、环形光源、滤波器和无线发射器，所述无线发射器与监控单元信号连接，所述C⑶相机(24)通过支架(25)安装固定在三自由度调节机构上且位于等离子枪(23)的下方。
9.根据权利要求1所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述管内爬行定位机构包括车架(I)及安装在车架(I)上的交流电机(2)、行星二级减速器(3)、主动轮(4)、被动轮(5)、齿轮齿条机构(6)、制动电磁铁(7)和行走位移测量机构，其中所述行星二级减速器(3)的动力输入端与交流电机(2)的动力输出端相连接，所述主动轮(4)和齿轮齿条机构(6)分别与行星二级减速器(3)的动力输出端相连接，所述制动电磁铁(7)与齿轮齿条机构(6)相连接，所述行走位移测量机构包括测长编码齿轮和旋转编码器，所述测长编码齿轮与被动轮(5)上设置的齿轮啮合连接，所述旋转编码器的轴端与测长编码齿轮通过键槽配合连接。
10.根据权利要求1所述管道闪光对焊焊缝等离子清渣及热处理机，其特征在于上述监控单元包括机载控制单元和管外监控单元，所述机载控制单元包括PLC控制器(14)及与PLC控制器(14)电连接的无线数据传输器(13)，所述管外监控单元包括图像监视器、无线收发信号单元、离子气及保护气控制单元、循环冷却水箱控制单元、焊缝图像算法处理单元、管内爬行定位机构位移控制单元和等离子枪位姿调节控制单元，所述无线数据传输器(13)与收发信号单元信号连接。`
【文档编号】C21D9/50GK103447676SQ201310387172
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】高世一, 陈和兴, 李海权, 郭春富, 刘正林, 房卫萍, 易耀勇, 郑世达 申请人:广州有色金属研究院