激光控制的管道內焊機的制作方法
【專利說明】激光控制的管道內焊機
[0001]相關申請的交叉引用
[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的優先權，該申請的全部內容以引用的方式并入本文。
技術領域
[0003]本發明涉及一種將兩個管段對準和通過焊接將兩個管段連接在一起的系統。
【背景技術】
[0004]常規內焊機通常包括從管道內部徑向向外擴展以接觸管道內部的內部對準機構。如美國專利 N0.3，461，264 ；N0.3，009，048 ；N0.3，551，636 ；N0.3，612，808 和 GB1261814(它們的全部內容均以引用的方式并入本文)所示，當中央部件的延伸部件與管道的相對靠近連接處任一側上的管段連接面的內部接觸時，從內部完成兩個管段的對準。為了焊接連接處，擴展器的結構必須留有足夠的空間來容納旋轉焊炬。因此，有利的是，提供為旋轉焊炬或鉸接焊炬留有足夠空間的內部對準，或從外部對準管段，以便省去可能顯著令內部雜亂和產生雜波的內部擴展器。
[0005]另外，內部焊接的常規方法通常涉及內部或外部對準和內部焊機的插入，以便焊炬對準端面連接處。在該方法中，有時難以評估內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構或定位的系統，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焊炬的位置和取向。
[0006]此外，采用外部對準機構的常規管道焊接系統通常將兩個管段支撐在輥上并操縱管段的位置和取向，直至對準符合要求。對準是否符合要求通常取決于例如工業上可接受的高低量規，高低量規相當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，從管道內部觀察到的接口輪廓或結構通常不是對準質量的考慮因素。因此，有利的是，提供一種這樣的對準系統:在外部對準過程中，使用由激光讀取的關于接口輪廓的信息作為輸入參數。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機構。
[0007]此外，用于焊接管段的常規管道系統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量。
[0008]通過審閱本公開內容，將清楚本發明的其它優點。可取得專利權的優點不限于本文重點說明的部份。
【發明內容】
[0009]本發明公開一種用于將兩個管段的端面對準和焊接在一起的系統，包括外部對準機構和焊接機構。外部對準機構可以像附圖所示的對準組件般復雜或像美國專利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的全部內容以引用的方式并入本文。無論采用什么機構，外部對準機構均支撐各管段并且能夠調節各管段的位置，使得管段基本上共線或沿它們的縱軸線軸向對準。
[0010]外部對準機構可以支撐管段，并且可以包括允許調節管道的位置和取向的動力促動特征/裝置。具體而言，外部對準機構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。位置和取向調節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行，或送入中央控制器，基于預定對準參數或來自讀取接口或連接處輪廓的內部激光裝置的反饋自動控制和對準管段。
[0011]焊接機構優選地為能夠從管段內部對管段的端面或邊緣連接處進行焊接(例如，熔化極氣體保護電弧焊“GMAW”)并且進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)開口中的內部焊機。焊接機構包括:托架，其能夠接合管道的內壁，以將其自身固定或鎖定在管道內的固定位置；以及焊接部，其在管道內可旋轉地被支撐在托架上。具體而言，內部焊機位于對準的管道內，然后縱向定位，使得焊接頭或焊炬沿縱向靠近邊緣連接處。焊接機構還包括用于相對于托架旋轉焊接部的旋轉機構。焊接頭或焊炬在管道縱軸線周圍可旋轉地被支撐在焊接部上，使得焊炬可以沿軌道旋轉緊靠整個內部連接接口。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)樞轉地移動焊接頭。控制器可以引導焊炬樞轉。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]焊接機構還包括激光追蹤機構，激光追蹤機構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。激光機構調查焊縫并向鉸接焊接頭的控制器發送信號，以控制焊接頭圍繞整個邊緣連接處的運動。具體而言，當焊接頭控制系統連續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調節焊炬，以實現所需的焊接結構。
[0013]除了激光追蹤機構之外，系統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示出本發明的管道焊接系統的立體視圖，示出了被支撐在對準機構上的兩個外部對準管段。
[0015]圖2示出將要利用圖1的系統進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，示出了插入到根據圖1的管段中的焊接機構。
[0017]圖4示出圖3的一部分的放大圖，示出了定位在根據圖1的管段中進行焊接的焊接機構的焊接部。
[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的焊接機構的側視圖。
[0020]圖8示出處于如下構造的圖1的系統的立體視圖，示出將管段放置在外部對準機構上的第一使用步驟。
[0021]圖9示出處于如下構造的圖1的系統的立體視圖，示出將焊接機構插入到管段中的圖8之后的步驟。
[0022]圖10示出圖1的系統的焊接部的側視圖。
[0023]圖11示出圖1的系統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的系統的旋轉機構的放大立體視圖。
[0026]在整個公開內容中，相同的附圖標記已被用于標識相同的元件。
【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進行描述。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機構10A、10B。各個機構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。縱向輥12可移動地支撐管段105，使得可以沿管段105的用箭頭A限定的縱向對管段105重新定位。另外，旋轉輥14能夠在管段105的任一側上圍繞與支撐管段105的軸線A-A平行的軸線旋轉，從而使旋轉輥14能夠旋轉或調節管段105圍繞軸線A-A的角度取向。外部對準機構10能夠經由電動機、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、傾斜、樞轉等。
[0028]如圖1所示，外部對準機構10A、10B支撐多個管段105、110并且調節它們的位置和取向，直至管段105、110這兩者對準，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的細節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]本發明的管道對準系統和焊接系統從初組裝的管段105、110內部對接口 120的內部進行焊接。為了對接口 120的內部進行焊接，內部焊接機構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放置在外部對準機構10B上并且進行操縱，直至兩個管段105、110對準成符合要求。然后可以對內部焊接機構300的拉桿345施加外力，或機構可以包括用于在對準管段105、110內調節拉桿軸向位置的自動推進裝置。
[0030]如圖4至圖7所示，焊接機構300包括托架301和焊接部302。托架301包括至少一個對準機構340A、340B，對準機構340A、340B可以沿徑向擴展，以接合管段105或110的內表面。這種擴展和接合均能夠固定焊接機構300相對于管段105、110的軸向/縱向位置，并且在管段105、110內對準焊接機構300或使焊接機構300徑向居中。托架301還包括主體311，在主體311上支撐有旋轉機構335。主體311由在對準機構340A、340B之間延伸的多個細長結構支撐部件組成。如下所述，焊接部302包括類似相應的結構313。
[0031]焊接部302可旋轉地連接在托架301上并從托架301的端部延伸。托架301與焊接部302之間的相對旋轉由旋轉機構335推動。旋轉機構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(經由電動機和齒輪)旋轉焊接部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機構340C支撐，使得焊炬305位于對準機構340B、340C之間。在設置有對準機構340C的情況下，當對準機構340B、340C擴展以將自身固定在管段內部上時，焊接部302能夠相對于對準機構340B、340C并在對準機構340B、340C之間旋轉。此外，托架301可以包括拉桿345，拉桿345可以構造為自托架301起的細長延伸部，操作者可以握持拉桿345，以將焊接機構300插入/推動或縮回/拉出，從而在管段105、110內對焊接機構300進行軸向定位。
[0032]圖4示出圖3的一