激光控制的管道內(nèi)焊機的制作方法
【專利說明】激光控制的管道內(nèi)焊機
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]依照美國法典第35法案第§ 119 (a)-(d)條的規(guī)定，本申請要求2013年5月23日提交的美國臨時申請N0.61/826628的優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種將兩個管段對準(zhǔn)和通過焊接將兩個管段連接在一起的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]常規(guī)內(nèi)焊機通常包括從管道內(nèi)部徑向向外擴展以接觸管道內(nèi)部的內(nèi)部對準(zhǔn)機構(gòu)。如美國專利 N0.3，461，264 ；N0.3，009，048 ；N0.3，551，636 ；N0.3，612，808 和 GB1261814(它們的全部內(nèi)容均以引用的方式并入本文)所示，當(dāng)中央部件的延伸部件與管道的相對靠近連接處任一側(cè)上的管段連接面的內(nèi)部接觸時，從內(nèi)部完成兩個管段的對準(zhǔn)。為了焊接連接處，擴展器的結(jié)構(gòu)必須留有足夠的空間來容納旋轉(zhuǎn)焊炬。因此，有利的是，提供為旋轉(zhuǎn)焊炬或鉸接焊炬留有足夠空間的內(nèi)部對準(zhǔn)，或從外部對準(zhǔn)管段，以便省去可能顯著令內(nèi)部雜亂和產(chǎn)生雜波的內(nèi)部擴展器。
[0005]另外，內(nèi)部焊接的常規(guī)方法通常涉及內(nèi)部或外部對準(zhǔn)和內(nèi)部焊機的插入，以便焊炬對準(zhǔn)端面連接處。在該方法中，有時難以評估內(nèi)部焊機特別是焊炬的定位精度。甚至更難以于焊接期間在焊炬沿其軌道路徑橫穿管道內(nèi)部時評估焊炬的位置精度。因此，有利的是，提供在管道接口處追蹤管道邊緣的結(jié)構(gòu)或定位的系統(tǒng)，以通過利用所追蹤到的接口條件來控制焊炬。具體而言，將有利的是，在向電子控制器發(fā)送信號之前，首先用激光追蹤接口的輪廓，以相對于所追蹤到的管道接口輪廓引導(dǎo)焊炬的位置和取向。
[0006]此外，采用外部對準(zhǔn)機構(gòu)的常規(guī)管道焊接系統(tǒng)通常將兩個管段支撐在輥上并操縱管段的位置和取向，直至對準(zhǔn)符合要求。對準(zhǔn)是否符合要求通常取決于例如工業(yè)上可接受的高低量規(guī)，高低量規(guī)相當(dāng)精確卻是手動操作的，并且定位在離散位置，而不布滿整個管道接口。在任何情況下，從管道內(nèi)部觀察到的接口輪廓或結(jié)構(gòu)通常不是對準(zhǔn)質(zhì)量的考慮因素。因此，有利的是，提供一種這樣的對準(zhǔn)系統(tǒng):在外部對準(zhǔn)過程中，使用由激光讀取的關(guān)于接口輪廓的信息作為輸入?yún)?shù)。具體而言，有利的是，從控制焊炬的激光裝置向控制器提供信息，控制器將利用該信息來控制外部對準(zhǔn)機構(gòu)。
[0007]此外，用于焊接管段的常規(guī)管道系統(tǒng)通常缺乏目視檢查焊炬所施加的焊縫的能力。因此，有利的是，提供跟隨焊炬施加焊接的攝像機和用于顯示焊縫圖像的顯示器，以便操作者能夠目視檢查焊縫的質(zhì)量。
[0008]通過審閱本公開內(nèi)容，將清楚本發(fā)明的其它優(yōu)點?？扇〉脤＠麢?quán)的優(yōu)點不限于本文重點說明的部份。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明公開一種用于將兩個管段的端面對準(zhǔn)和焊接在一起的系統(tǒng)，包括外部對準(zhǔn)機構(gòu)和焊接機構(gòu)。外部對準(zhǔn)機構(gòu)可以像附圖所示的對準(zhǔn)組件般復(fù)雜或像美國專利N0.1，693，064所示的提普頓(tipton)夾具般簡單。所使用的機構(gòu)還可能適合于海上或陸上管道施工。美國專利N0.1，693，064的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文。無論采用什么機構(gòu)，外部對準(zhǔn)機構(gòu)均支撐各管段并且能夠調(diào)節(jié)各管段的位置，使得管段基本上共線或沿它們的縱軸線軸向?qū)?zhǔn)。
[0010]外部對準(zhǔn)機構(gòu)可以支撐管段，并且可以包括允許調(diào)節(jié)管道的位置和取向的動力促動特征/裝置。具體而言，外部對準(zhǔn)機構(gòu)可以包括允許管道縱向移動的輥。管道還可以被允許管道上下移動和圍繞縱軸線滾動的輥支撐。位置和取向調(diào)節(jié)可以通過在操作員站控制的電機動力或液壓動力般自動進(jìn)行，或送入中央控制器，基于預(yù)定對準(zhǔn)參數(shù)或來自讀取接口或連接處輪廓的內(nèi)部激光裝置的反饋自動控制和對準(zhǔn)管段。
[0011]焊接機構(gòu)優(yōu)選地為能夠從管段內(nèi)部對管段的端面或邊緣連接處進(jìn)行焊接(例如，熔化極氣體保護(hù)電弧焊“GMAW”)并且進(jìn)入由兩個管段的倒角邊緣形成的V形(也可以使用除V形以外的其它橫截面形狀)開口中的內(nèi)部焊機。焊接機構(gòu)包括:托架，其能夠接合管道的內(nèi)壁，以將其自身固定或鎖定在管道內(nèi)的固定位置；以及焊接部，其在管道內(nèi)可旋轉(zhuǎn)地被支撐在托架上。具體而言，內(nèi)部焊機位于對準(zhǔn)的管道內(nèi)，然后縱向定位，使得焊接頭或焊炬沿縱向靠近邊緣連接處。焊接機構(gòu)還包括用于相對于托架旋轉(zhuǎn)焊接部的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。焊接頭或焊炬在管道縱軸線周圍可旋轉(zhuǎn)地被支撐在焊接部上，使得焊炬可以沿軌道旋轉(zhuǎn)緊靠整個內(nèi)部連接接口。具體而言，在焊接期間，鉸接頭的焊炬沿著管道的整個內(nèi)周周圍的邊緣連接處施加焊接材料。除了相對于托架的圓形旋轉(zhuǎn)之外，各種控制元件可以沿管道軸線相對于托架移動焊接頭、徑向地朝向和遠(yuǎn)離連接處移動焊接頭、圍繞點或軸線(例如，與管道縱軸線A-Α平行或垂直的軸線)樞轉(zhuǎn)地移動焊接頭?？刂破骺梢砸龑?dǎo)焊炬樞轉(zhuǎn)。這些鉸接自由度允許焊接頭非常有效且高效率地填充接口輪廓和其它需要填充的地方。
[0012]焊接機構(gòu)還包括激光追蹤機構(gòu)，激光追蹤機構(gòu)與焊接部的焊炬組合工作，以感測接口連接處輪廓和/或焊接材料輪廓，以在合適的位置將合適量的焊接材料施加到邊緣連接處。激光機構(gòu)調(diào)查焊縫并向鉸接焊接頭的控制器發(fā)送信號，以控制焊接頭圍繞整個邊緣連接處的運動。具體而言，當(dāng)焊接頭控制系統(tǒng)連續(xù)接收來自邊緣連接處的焊縫輪廓信息時，焊炬跟隨激光裝置。該信息隨后被用于連續(xù)調(diào)節(jié)焊炬，以實現(xiàn)所需的焊接結(jié)構(gòu)。
[0013]除了激光追蹤機構(gòu)之外，系統(tǒng)還可以包括用于目視檢查焊縫的2D攝像機。2D攝像機被安裝在焊接部上并且跟隨焊炬，使得操作者可以在焊炬產(chǎn)生焊縫之后馬上檢查焊縫。視覺信號被傳送到外部操作員顯示器。例如，2D攝像機可以是彩色攝像機，并且顏色的變化可以向操作者指示焊縫缺陷。感知到的輪廓變化也可以指示缺陷。
【附圖說明】
[0014]圖1示出本發(fā)明的管道焊接系統(tǒng)的立體視圖，示出了被支撐在對準(zhǔn)機構(gòu)上的兩個外部對準(zhǔn)管段。
[0015]圖2示出將要利用圖1的系統(tǒng)進(jìn)行焊接的兩個管段的管道接口的放大外觀圖。
[0016]圖3示出圖1的系統(tǒng)，示出了插入到根據(jù)圖1的管段中的焊接機構(gòu)。
[0017]圖4示出圖3的一部分的放大圖，示出了定位在根據(jù)圖1的管段中進(jìn)行焊接的焊接機構(gòu)的焊接部。
[0018]圖5示出沿圖4的B-B截取的剖視圖，示出了各種焊接部元件的布置。
[0019]圖6和圖7示出圖1的焊接機構(gòu)的側(cè)視圖。
[0020]圖8示出處于如下構(gòu)造的圖1的系統(tǒng)的立體視圖，示出將管段放置在外部對準(zhǔn)機構(gòu)上的第一使用步驟。
[0021]圖9示出處于如下構(gòu)造的圖1的系統(tǒng)的立體視圖，示出將焊接機構(gòu)插入到管段中的圖8之后的步驟。
[0022]圖10示出圖1的系統(tǒng)的焊接部的側(cè)視圖。
[0023]圖11示出圖1的系統(tǒng)的焊接部的一部分的放大立體視圖。
[0024]圖12示出圖1的系統(tǒng)的焊接部的一部分的另一放大立體視圖。
[0025]圖13示出圖1的系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的放大立體視圖。
[0026]在整個公開內(nèi)容中，相同的附圖標(biāo)記已被用于標(biāo)識相同的元件。
【具體實施方式】
[0027]參考圖1至圖3，將在下面對用于將管段焊接在一起的系統(tǒng)進(jìn)行描述。圖1示出能夠支撐、定位和重新定位多種長度的管道的外部對準(zhǔn)機構(gòu)10A、10B。各個機構(gòu)10A、10B可以包括支撐件(例如，輥)，在支撐件上可以支撐一段管道?？v向輥12可移動地支撐管段105，使得可以沿管段105的用箭頭A限定的縱向?qū)芏?05重新定位。另外，旋轉(zhuǎn)輥14能夠在管段105的任一側(cè)上圍繞與支撐管段105的軸線A-A平行的軸線旋轉(zhuǎn)，從而使旋轉(zhuǎn)輥14能夠旋轉(zhuǎn)或調(diào)節(jié)管段105圍繞軸線A-A的角度取向。外部對準(zhǔn)機構(gòu)10能夠經(jīng)由電動機、液壓裝置等將多個管段自動操縱到各種位置和取向。例如，管段可以被升高、降低、旋轉(zhuǎn)、傾斜、樞轉(zhuǎn)等。
[0028]如圖1所示，外部對準(zhǔn)機構(gòu)10A、10B支撐多個管段105、110并且調(diào)節(jié)它們的位置和取向，直至管段105、110這兩者對準(zhǔn)，使得它們的縱向軸線A-A是共線的并且每個管段105、110的一端抵接在接口邊緣處。具體而言，圖2示出圖1的細(xì)節(jié)100的放大圖，其中，邊緣形成管道接口 120 (被稱為“初組裝”連接處)。
[0029]本發(fā)明的管道對準(zhǔn)系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)從初組裝的管段105、110內(nèi)部對接口 120的內(nèi)部進(jìn)行焊接。為了對接口 120的內(nèi)部進(jìn)行焊接，內(nèi)部焊接機構(gòu)300如圖3所示般滾動入管段105之一的端部。然后將第二管段110放置在外部對準(zhǔn)機構(gòu)10B上并且進(jìn)行操縱，直至兩個管段105、110對準(zhǔn)成符合要求。然后可以對內(nèi)部焊接機構(gòu)300的拉桿345施加外力，或機構(gòu)可以包括用于在對準(zhǔn)管段105、110內(nèi)調(diào)節(jié)拉桿軸向位置的自動推進(jìn)裝置。
[0030]如圖4至圖7所示，焊接機構(gòu)300包括托架301和焊接部302。托架301包括至少一個對準(zhǔn)機構(gòu)340A、340B，對準(zhǔn)機構(gòu)340A、340B可以沿徑向擴展，以接合管段105或110的內(nèi)表面。這種擴展和接合均能夠固定焊接機構(gòu)300相對于管段105、110的軸向/縱向位置，并且在管段105、110內(nèi)對準(zhǔn)焊接機構(gòu)300或使焊接機構(gòu)300徑向居中。托架301還包括主體311，在主體311上支撐有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)335。主體311由在對準(zhǔn)機構(gòu)340A、340B之間延伸的多個細(xì)長結(jié)構(gòu)支撐部件組成。如下所述，焊接部302包括類似相應(yīng)的結(jié)構(gòu)313。
[0031]焊接部302可旋轉(zhuǎn)地連接在托架301上并從托架301的端部延伸。托架301與焊接部302之間的相對旋轉(zhuǎn)由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)335推動。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)335被固定在托架301上，并且相對于托架301圍繞縱軸線A自動(經(jīng)由電動機和齒輪)旋轉(zhuǎn)焊接部302。焊接部302可以以懸臂的方式從托架301向外延伸，或者可以被額外對準(zhǔn)機構(gòu)340C支撐，使得焊炬305位于對準(zhǔn)機構(gòu)340B、340C之間。在設(shè)置有對準(zhǔn)機構(gòu)340C的情況下，當(dāng)對準(zhǔn)機構(gòu)340B、340C擴展以將自身固定在管段內(nèi)部上時，焊接部302能夠相對于對準(zhǔn)機構(gòu)340B、340C并在對準(zhǔn)機構(gòu)340B、340C之間旋轉(zhuǎn)。此外，托架301可以包括拉桿345，拉桿345可以構(gòu)造為自托架301起的細(xì)長延伸部，操作者可以握持拉桿345，以將焊接機構(gòu)300插入/推動或縮回/拉出，從而在管段105、110內(nèi)對焊接機構(gòu)300進(jìn)行軸向定位。
[0032]圖4示出圖3的一