一种水下热切割机理观察装置及其观察方法

摘要

本发明提供了一种水下热切割机理观察装置，该装置包括切割系统、X轴观察系统、Y轴移动系统、Z轴移动系统。其中切割系统包括焊枪割炬、箱体、切割工作台、工件、玻璃。X轴观察系统包括计算机、高速摄相机、排水导光通路、背景光源。Y轴和Z轴运动系统包括步进电机、丝杆、联轴器、导轨、滑块、支撑座。本发明解决了水下热切割时热源时常没入工件表面以下以及割口区域产生的气泡向四周发散致使切割过程观测困难的难题，能够清楚地观察到切割过程中割口形状的变化、电弧的运动方式以及熔滴过渡形式，设备简单、安全可靠、操作方便、成像质量高。除此以外，本发明还提供了一种利用该热切割机理观察装置的对工件进行切割作业的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及水下电弧热切割装备领域，具体来说，本发明涉及一种水下热切割机理观察装置及其观察方法。

背景技术

水下热切割技术是海洋工程中一种重要的作业方法，对其切割机理进行深入研究是不断提高切割质量和效率的有效途径。对水下热切割过程进行直接观察是研究水下热切割过程机理和工艺最有效的途径。由于水下热切割时热源时常没入工件表面以下，且割口区域会产生气泡并向四周发散，致使目前已有的观察方法难以对水下热切割过程中割口形状、电弧运动方式及熔滴过渡进行清楚地观察。

申请号为201410220889.4和201410536060.5的已公开专利介绍了两种水下焊接观察装置及使用方法，不过水下焊接时电弧是位于工件上方，而水下热切割时热源经常没入工件表面以下，上述两个专利无法用于水下热切割过程进行观察。申请号为201610316115.0的已公开专利提出一种水下熔化极电弧切割高速摄像观测装置及其使用方法，使用该方法观察，由于切割过程中割口附近会产生大量气泡，且气泡不受任何约束向四周自由扩散，以及切割过程中产生的金属熔融物也向四周扩散会遮挡住光路，所以该专利观察水下热切割机理效果不佳。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种水下热切割机理观察装置及其观察方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种水下热切割机理观察装置，包括箱体5、X轴观察系统、Y轴移动系统、Z轴移动系统，所述箱体5为中空的立体箱体，所述箱体5中充满适用于进行热切割的液体，待切割的工件7放置于箱体5内，工件7被切割液体覆没；所述Y轴移动系统沿平行于工件7的切割方向设置，所述工件7与所述Y轴移动系统连接，所述Y轴移动系统能够带动工件7在与箱体5一边平行的方向进行位置调整；所述X轴观察系统沿垂直于工件7的切割方向设置；所述Z轴移动系统设置于所述Y轴移动系统的一侧，所述Z轴移动系统上固定有焊枪割炬4，所述Z轴移动系统驱动所述焊枪割炬4在垂直与水箱底面的方向上进行位置调节。

进一步的，所述X轴观察系统包括排水导光通路3，所述排水导光为一圆筒形通道，并且沿垂直于所述Y轴移动系统布置的方向设置于水箱的侧壁，并且延伸凸出箱体5；所述圆筒形通道的中间部分断开，而该空缺的部分用于放置工件，所述排水导光通路3对准工件切割位置。

进一步的，所述圆筒形通道与所述箱体5接触的位置设置有透明镜片，所述透明镜片在水箱接合位置密封从而防止液体的泄露。

进一步的，所述X轴观察系统还包括计算机1、高速摄相机2与背景光源14，所述高速摄相机2与背景光源14沿排水导光通路3的轴线设置于所述排水导光通路3的两端，所述高速摄相机2连接计算机1，所述高速摄相机2将拍摄的切割数据传送至计算机1的显示终端。

进一步的，所述Y轴运动系统包括龙门架11、导轨15，16、丝杆17以及滑块19，所述龙门架11横跨于箱体5的上方，并且所述龙门架11的横梁平行于所述平行于工件7的切割方向设置；所述龙门架11的横梁上固定安装有所述导轨15，16与丝杆17，所述导轨15，16与丝杆17平行设置；所述导轨15，16上可移动的安装有所述滑块19，所述滑块19上与所述丝杆17螺旋连接。

进一步的，所述Y轴运动系统还包括步进电机23，所述步近电机23设置于所述导轨15，16的一端，所述步进电机23的输出轴与所述丝杠17连接；所述步进电机23正转或反转带动所述丝杠17转动，所述丝杠17驱动所述滑块19在导轨15，16进行平移。

进一步的，所述Y轴移动系统还包括切割工作台9，所述切割工作台9包括连接杆与盛放框，所述连接管一端固定连接在所述滑块19上，所述连接杆朝所述箱体5的底面的方向延伸，所述盛放框固定在连接杆上远离滑块19的一端；所述滑块19能够驱动所述切割工作台进行位置调整。

进一步的，所述Z轴运动系统包括立柱25、竖直导轨31，33、竖直丝杆32、竖直滑块29、支架35与竖直步进电机24，所述立柱25设置于Y轴移动系统的一侧，所述立柱25沿垂直于箱体5底面的方向布置；所述立柱25上固定安装有所述竖直导轨31，33与竖直丝杆32，所述竖直导轨31，33与竖直丝杆32平行设置；所述竖直导轨31，33上可移动的安装有所述竖直滑块29，所述竖直滑块29与所述竖直丝杆32螺旋连接；所述支架35为一L形的连杆，该支架35的短杆固定在所述滑块29上，支架35长杆的一端设有滑套，所述滑套上固定安装有焊枪割炬4；所述竖直步近电机24设置于所述立柱25的顶端，所述竖直步近电机24的输出轴与所述竖直丝杆32连接，所述竖直步进电机24正转或反转带动所述竖直丝杠32转动，所述竖直丝杠32驱动所述竖直滑块29在竖直导轨31，33上移动，从而带动焊枪割炬4在竖直方向进行位置调整。

进一步的，所述工件7固定放置在所述切割工作台9上，所述工件7为一截面为矩形的长条形的块状零件；所述工件7位于两块平行设置的玻璃6,8之间，两块玻璃夹紧所述工件7。

还包括一种水下热切割机理的观察方法，包括如下步骤，

S1.将工件7放置于所述两块玻璃6,8之间，并且通过夹具夹紧固定在所述切割工作台9上；

S2.通过Y轴移动系统调节切割工作台9的位置，通过Z轴移动系统调节焊枪割炬4的高度，使得水下热切割焊枪割炬4上的导电嘴端部到工件7上表面的距离为8-15mm；然后使排水导光通路3与排水导光通路10的贯穿面经过焊枪割炬4端部、工件7被切割区域；

S3.打开背景光源14与高速摄像机2，调节背景光源14与高速摄像机2的位置，使得背景光源14发出的光源经过排水导光通路3和排水导光通路10被高速摄像机2接收；调节背景光源14光强，调节高速摄像机2上的减光片并匹配相应波长的滤光片；

S4.将箱体5将加满水，打开切割电源，调节切割参数，准备切割实验，切割时Z轴移动系统带动焊炬割枪4做上下往复运动，Y轴移动系统带动切割工作台9上的工件7水平移动，随着切割过程的进行，切割割口逐渐形成，高速摄像机2实现对割口及电弧区域的观测；

S5.切割结束后，对高速摄像机2采集的图像通过计算机1处理并分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明中工件厚度低于热切割所能形成割口的宽度，因此当工件形成割口后，背景光可穿过割口，通过工件两旁的玻璃作用，迫使水下切割区域产生的气泡向工件上方冒出，对高速摄像与背景光源轴向方向没有影响，故可以清楚地观察到水下热切割过程，包括切割过程中割口形状的变化、电弧的运动方式以及熔滴过渡形式；

2、本装置可以对获取的图像进行后期图像处理分析；

3、本装置结构简单，安全可靠，操作方便，成像质量高。

附图说明

图1为本发明水下热切割机理观察装置的结构示意图；

图2为本发明切割工作台结构示意图；

图3为本发明工件及其两边玻璃固定结构示意图。

图中：1.计算机，2.高速摄像机，3.排水导光通路，4.焊枪割炬，5.箱体，6.玻璃，7.工件，8.玻璃，9.切割工作台，10.排水导光通路，11.龙门架，12.支撑座，13.底座，14.背景光源，15.导轨，16.导轨，17.丝杆，18.螺栓，19.滑块，20.支撑座，21.联轴器，22.支撑座，23.步进电机，24.步进电机，25.立柱，26.支撑座，27.底座，28.支撑座，29.滑块，30.螺栓，31.竖直导轨，32.竖直丝杆，33.竖直导轨，34.支撑座，35.支架。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。在描述时各个部件的结构位置例如上、下、顶部、底部等方向的表述不是绝对的，而是相对的。当各个部件如图中所示布置时，这些方向表述是恰当的，但图中各个部件的位置改变时，这些方向表述也相应改变。

如图1-图3所示，本发明的一种水下热切割机理观察装置，包括箱体5、X轴观察系统、Y轴移动系统、Z轴移动系统，所述箱体5为中空的立体箱体，箱体5中充满适用于进行热切割的液体，待切割的工件7放置于箱体5内，工件7被切割液体覆没。Y轴移动系统沿平行于工件7的切割方向设置，工件7与所述Y轴移动系统连接，Y轴移动系统能够带动工件7在与箱体5一边平行的方向进行位置调整。X轴观察系统沿垂直于工件7的切割方向设置。Z轴移动系统设置于所述Y轴移动系统的一侧，Z轴移动系统上固定有焊枪割炬4，Z轴移动系统驱动所述焊枪割炬4在垂直与水箱底面的方向上进行位置调节。

如图1所示，X轴观察系统包括排水导光通路3，排水导光为一圆筒形通道，并且沿垂直于所述Y轴移动系统布置的方向设置于水箱的侧壁，并且延伸凸出箱体5的侧壁。圆筒形通道的中间部分断开，而该空缺的部分用于放置工件，排水导光通路3对准工件切割位置。圆筒形通道与所述箱体5接触的位置设置有透明镜片，透明镜片在水箱接合位置密封从而防止液体的泄露。

X轴观察系统还包括计算机1、高速摄相机2与背景光源14。高速摄相机2与背景光源14沿排水导光通路3的轴线设置于排水导光通路3的两端。高速摄相机2连接计算机1，高速摄相机2将拍摄的切割数据传送至计算机1的显示终端。

如图1所示，Y轴运动系统包括龙门架11、导轨15，16、丝杆17以及滑块19。龙门架11横跨于箱体5的上方，并且龙门架11的横梁平行于工件7的切割方向设置。龙门架11的横梁上固定安装有所述导轨15，16与丝杆17，所述导轨15，16与丝杆17平行设置。导轨15，16上可移动的安装有所述滑块19，滑块19上与所述丝杆17螺旋连接。在本实施例中，导轨为截面为圆形的导轨，导轨15，16的数量优选为两根并且根据滑块的尺寸大小平行间隔布置。导轨15，16的一端固定在步近电机支撑座22上，导轨15，16沿龙门架穿过支撑座20，导轨15，16的另一端固定在龙门架尾端的支撑座12上。支撑座12通过底座13固定在龙门架11上。

Y轴运动系统还包括步进电机23，步近电机23设置于所述导轨15，16的一端，步进电机23的输出轴与所述丝杠17连接。步进电机23正转或反转带动所述丝杠17转动，丝杠17驱动所述滑块19在导轨15，16进行平移。本实施例中优选步近电机的驱动方案，应当理解的是，在其他实施方案中可以选择手动的驱动方式。

如图1所示，Y轴移动系统还包括切割工作台9，所述切割工作台9包括连接杆与盛放框，所述连接管一端固定连接在所述滑块19上，所述连接杆朝所述箱体5的底面的方向延伸，所述盛放框固定在连接杆上远离滑块19的一端。滑块19能够驱动所述切割工作台进行位置调整。

如图1所示，Z轴运动系统包括立柱25、竖直导轨31，33、竖直丝杆32、竖直滑块29、支架35与竖直步进电机24。立柱25设置于Y轴移动系统的一侧，立柱25沿垂直于箱体5底面的方向布置。立柱25上固定安装有所述竖直导轨31，33与竖直丝杆32，竖直导轨31，33与竖直丝杆32平行设置，竖直导轨31，33上可移动的安装有竖直滑块29，竖直滑块29与竖直丝杆32螺旋连接。支架35为一L形的连杆，该支架35的短杆固定在滑块29上，支架35长杆的一端设有滑套，滑套上固定安装有焊枪割炬4。竖直步近电机设置于所述立柱25的顶端，竖直步近电机24的输出轴与所述竖直丝杆32连接，竖直步进电机24正转或反转带动竖直丝杠32转动，所述竖直丝杠32驱动竖直滑块29在竖直导轨31，33上移动，从而带动焊枪割炬4在竖直方向进行位置调整。在本实施例中，导轨为截面为圆形的导轨，导轨31，33的数量优选为两根并且根据滑块的尺寸大小平行间隔布置，竖直丝杠32转动设置于导轨31，33之间。导轨15，16的一端固定在步近电机支撑座22上，导轨15，16沿立柱25穿过支撑座20，导轨15，16的另一端固定在龙门架尾端的支撑座12上。支撑座12通过底座13固定在龙门架11上。

工件7固定放置在切割工作台9上，工件7为一截面为矩形的长条形的块状零件，工件7位于两块平行设置的玻璃6,8之间，两块玻璃夹紧所述工件7。在本实施例中，工件7加工成窄条状，其厚度低于热切割所能形成割口的宽度，因此当工件7形成割口后，背景光源14可穿过割口。切割工作台9中间部分是镂空的，玻璃6和玻璃8为高硼硅GG17型耐820℃玻璃，厚度为3-10mm。背景光源14可以调整光源的强弱，高速摄像机2镜头前端配有减光片和滤光片。步进电机23和步进电机24为86型电机，步距角为1.8°，静力矩为8.5N.m。更进一步的是，两片玻璃6，8通过夹具固定在切割工作台9上，夹具优选为切割工作台上设置的固定槽，或者是通过螺栓挡块将两片玻璃6，8互相抵紧，又或者是通过弹簧夹紧块推紧。

具体实验方法的实施例为：

水下热切割方法以水下熔化极电弧热切割为例，其装置具体操作步骤如下：

第一步，将工件7及其两边的玻璃6和玻璃8通过夹具夹紧固定在切割工作台9上且平行于Y轴运动系统上的丝杆17。其中，工件7为16mm厚的低碳钢板，宽度加工为10mm。

第二步，通过Y轴运动系统调节切割工作台9的位置，通过Z轴运动系统调节焊枪割炬4的高度，使得水下热切割焊枪割炬4上的导电嘴端部到工件7上表面的距离为10mm，并使得排水导光通路3与排水导光通路10的贯穿面经过焊枪割炬4端部、工件7被切割区域。

第三步，打开背景光源14与高速摄像机2，调节背景光源14与高速摄像机2的位置，使得背景光源14发出的光源经过排水导光通路3和排水导光通路10被高速摄像机2接收。调节背景光源14光强，调节高速摄像机2上的减光片并匹配相应波长的滤光片。此处采用中心波距为680nm，宽度为10nm的滤光片，减光片为50％，光圈f5.6；

第四步，将水箱5将加满水，打开切割电源，调节切割参数，切割电流设为500A，切割电压设为45V。切割实验时，Z轴运动系统带动焊炬割枪4做上下周期性运动，Y轴运动系统带动切割工作台9上的工件7水平移动，速度为130mm/min。随着切割过程的进行，在热源的作用下，金属被熔融吹落，切割割口逐渐形成，背景光源14发出的背景光依次穿过排水导光通道10、玻璃8、割口、玻璃6、排水导光通道3进入高速摄像机2，高速摄像机2实现对割口及电弧区域的观测；

第五步，切割结束后，对高速摄像机2采集的图像通过计算机1处理并分析。

以上已揭示本发明的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的构思作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。