CN102317023A

CN102317023A - 焊接控制

Info

Publication number: CN102317023A
Application number: CN2009801482460A
Authority: CN
Inventors: B·梅琳; P·奥斯特格伦; 霍坎·拉松; B·扬松; 拉尔斯·E·扬松
Original assignee: ESAB AB
Current assignee: ESAB AB
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: SE533506C2; SE0900017A1; JP2014193490A; KR20110119638A; JP5646508B2; US20110297656A1; EP2379270A1; JP2012514536A; EP2379270B1; JP5977288B2; CN102317023B; BRPI0923959A2; WO2010080057A1; US9012809B2; KR101615871B1

Abstract

一种在两个工件(P1，P2)之间使用焊接材料以使工件(P1，P2)彼此机械连接的焊接设备(100)。焊接设备(100)包括焊头(110)和中心元件(120)。焊头(110)配置成在焊接设备(100)沿着工作方向(OD)的传送的过程中对工件(P1，P2)执行焊接操作。两个主传感器元件(S_R，S_L)相对于工作方向(OD)设置在焊头(110)上游的中心元件(120)上。两个主传感器元件(S_R，S_L)记录工件(P1，P2)之间的缝隙(G)的几何特性，在缝隙(G)内使用焊接材料。每个主传感器元件(S_R，S_L)配置成与邻近缝隙(G)的两个工件(P1，P2)各自的壁面(W1，W2)接触，同时允许中心元件(120)和相邻壁面之间的横向距离(d_R，d_L)改变。这是通过基本垂直于工作方向(OD)定向的至少一个旋转枢轴(P)将传感器元件(S_R，S_L)枢接至中心元件(120)来实现的。

Description

焊接控制

技术领域

本发明大致涉及精密焊接，尤指一种如权利要求1前序部分所述的焊接设备。

背景技术

自动焊接技术已经被众所周知数十年。下面的实例将描述如何控制焊接设备在两个工件之间使用焊接材料从而使所述工件彼此间机械连接。

EP 423 088公开了一种具有对焊接头的自动多道焊接方法。此处，具有探针的传感器相对于焊缝横向摆动以扫描多部分处的接缝，该探针具有球形前端。因此，传感器决定了所述焊缝的轮廓，并且随着焊接设备运动通过所述接缝，所述焊接是可相应调节的。

JP 59209483公开了一种检测槽宽的方法及利用该方法控制焊接过程的方法。一对触针式传感器(stylus sensor)正交地滑过所述槽，并且位移计根据所述传感器和所述槽之间在各个点处的接触确定所述槽的宽度。

US-3,612,818公开了一种在电焊中控制焊接金属使用的装置。根据一个可选实施例，通过一对被压靠在接缝边缘的扫描辊检测V型接缝的几何性质。所述辊被安装在托架上，其中它们被悬挂在公共的旋转点上。

该设计与前述设计相比是具有优势的，因为该设计允许对接缝几何性质的连续测量。因此，可得到相对高的精确度。然而，由于这种设计，所述装置被限制应用于具有与完全垂直表面不同的接缝边缘的接缝轮廓中。例如，所述装置不能被用于具有组成基本平行表面的边缘的接缝中。具体地说，不能将所述装置用于焊接具有陡峭边缘的窄接缝的较厚工件。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题并且提供一种能够在窄接缝中焊接材料自动适用的方法，该方法耐用、灵活，具有成本效益。

根据本发明，通过最初描述的设备实现上述目的，其中，中心元件包括至少一个旋转枢轴，各个主传感器组件被配置成围绕所述旋转枢轴旋转。此处，每个旋转枢轴被定向成基本垂直于工作方向。

所述设备是有优势的，因为其被允许应用于接缝壁面之间的任何角度。因此，可处理任意的接缝轮廓，包括平行壁面，并且当所述接缝非常窄时同样能够处理。

根据本发明的一个优选实施例，所述焊接设备包括辅助传感器装置，所述辅助传感器装置配置成记录焊头和位于所述工件之间的缝隙的底面之间的垂直距离。优选地，所述辅助传感器装置相应的包括辊元件，并且所述辅助传感器装置在所述设备沿着工作方向的传送过程中保持所述辊元件和所述底面之间的接触。从而，同样可连续地确定到所述底面的垂直距离。当然，从质量方面看这是有益的。

根据本发明的另一优选实施例，所述设备配置成在所述工作方向上沿着所述工件之间的至少两条基本平行的轨迹运动，其中每条轨迹导致生成一个焊道(weld bead)。因此，多个焊道可被用于填充所述接缝。

根据本发明的又一优选实施例，所述设备配置成允许焊头改变其相对于中心元件的位置。优选在基本垂直于所述工作方向的至少一个方向上是可变的。从而，可以简单的方式沿工件之间的两条或更多的轨迹施用焊接材料。此外，优选的是，所述焊头和所述中心元件之间的位置关系在基本垂直于工件之间的缝隙的底面的方向上是可变的。因此，所述焊头和焊接表面之间的距离可被进一步最佳化。

根据本发明的又一优选实施例，作为对上面的替换或补充，所述焊头配置成围绕基本平行于工作方向的倾斜轴倾斜。因此，焊接操作可方便地瞄准接缝内的不同区域。

根据本发明的进一步的优选实施例，所述焊接设备包括粉道，所述粉道配置成将焊粉使用于所述工件之间的缝隙中。所述粉道具有出口，所述出口相对于传送过程中的工作方向设置在焊头的上游和主传感器元件的下游。因此，在没有干预接缝轮廓的几何特性的条件下使用适量的焊粉。

根据本发明的该方面中的另一优选实施例，将焊头配置成控制至少一条可消耗型焊丝进入工件之间的缝隙。此外，优选的是，所述焊头具有至少两个焊丝输出口，所述至少两个焊丝输出口配置成向各个焊极送料。此外，焊丝输出口设置成第一焊极的伸出部分(stick-out)相对于第二焊极的伸出部分成角度放置。因此，可以非常有效率地进行所述焊接过程。并且，为进一步使所述焊接适应接缝的特性提供了可能。

一般来说，本发明是有益的，因为它能够在具有陡峭边缘的窄接缝中实现高精度焊接。因此，本技术方案适合焊接反应堆槽和其它需要连接的厚金属板。

本发明的其它优点，具有优势的特征和应用从下面的描述和后附的权利要求书显而易见的。

附图说明

下面将结合附图并通过作为实例公开的较佳实施方式进一步详细说明本发明。

图1示出了根据本发明的一个实施例的焊接设备；

图2示出了图1中焊接设备的另一角度示意图；

图3示意性示出了根据本发明的一个实施例如何操作焊接设备自动测量接缝并在其中使用焊接材料；

图4示出了包含多个焊道的接缝的示意图；

图5示意性示出了根据本发明的一个实施例如何将多个焊道应用于一个接缝；

图6示出了根据本发明的一个实施例的优选焊接设备的俯视示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的焊接设备的侧视示意图；

图8a-b示出了根据本发明的一个实施例的焊头是如何倾斜的。

具体实施方式

首先参照图1，示出了根据本发明的一个实施例的焊接设备100。图2示出了图1中焊接设备100的另一角度示意图。

调节焊接设备100以在两个工件之间应用焊接材料以使所述工件彼此机械连接。优选的焊接设备100包括焊头110和中心元件120。根据本发明的实施例，焊接设备100还可以包括辅助传感器装置S_A和/或粉道140。焊接设备100可以进一步包括用于记录和处理测量数据的测量元件150。

在焊接设备100沿着工作方向传送的过程中，焊头110用于对所述工件执行焊接操作。中心元件120包括两个主传感器元件S_R和S_L，在所述传送过程中，主传感器元件S_R和S_L分别设置在相对于工作方向的焊头110的上游。主传感器元件S_R和S_L枢接中心元件120，并被设置成记录所述工件之间的缝隙的几何特性，在所述缝隙中使用所述焊接材料。还将每个主传感器元件S_R和S_L配置成与邻近所述缝隙的所述两个工件各自的壁面持续接触。下面将结合图3和图6说明。

图3示意性示出了根据本发明的一个实施例的焊接设备如何沿着工作方向OD运动以自动测量接缝的几何特性，并通过焊头110的装置根据这些测量结果将焊接材料使用于所述接缝。因此，所述焊接过程将两个工件P1和P2彼此机械连接。每个工件P1和P2分别具有面向待焊接的接缝的壁面W1和W2。缝隙G将壁面W1和W2分开。因此，将焊接材料使用于缝隙G内。通过至少一个旋转枢轴P将每个主传感器元件S_R和S_L各自的近端S_Rp和S_Lp固定至中心元件120。在图1、图2、图3和图6所示的实施例中，主传感器元件S_R和S_L设置有共用旋转枢轴以提供紧凑设计。然而，根据本发明，每个主传感器元件S_R和S_L可同样具有独立的旋转枢轴。在任何情形中，每个旋转枢轴P都定向成基本垂直于工作方向OD。

主传感器元件S_R和S_L还具有各自的远端S_Rd和S_Ld。根据本发明，中心元件120用于控制远端S_Rd和S_Ld使得在焊接设备100沿着工作方向OD的传送过程中远端S_Rd和S_Ld与各自相邻的壁面W1和W2保持接触，同时允许改变中心元件120和相邻壁面之间的横向距离d_R和d_L。例如，焊接设备100可包括一个或多个伺服电动机(未示出)，所述伺服电动机用于控制主传感器元件S_R和S_L，使得在焊接设备100插入接缝或自接缝移开时这些元件组合到一起(或靠拢)，并且使得这些元件分别紧贴壁面W1和W2。

根据本发明的优选实施例，焊接设备100还配备有辅助传感器装置S_A，辅助传感器装置S_A用于记录焊头110与位于工件P1和工件P2之间的缝隙G的底面B之间的垂直距离d_V。辅助传感器装置S_A优选包括通过轴131固定至中心元件120的辊元件130。

如图1和图2所示的实施例，中心元件120可包括允许辅助传感器装置S_A围绕枢轴点132旋转的杠杆式设计。在任何情形中，与主传感器元件S_R和S_L类似，辅助传感器装置S_A被柔性连接至中心元件120且用于在焊接设备100沿着工作方向OD的传送过程中保持辊元件130和底面B之间的接触。

主传感器元件S_R和S_L可向测量元件150发送表示主传感器元件S_R和S_L各自的摆动角(即等同于分别到相邻的壁面W1和W2的横向距离d_R和d_L)的信号。相应地，辅助传感器装置S_A可向测量元件150发送独立的信号。而测量元件150可包括专用模块151、152和153，这些模块用于记录并处理每个所述信号。可替换地，单个模块可处理两个或多个所述信号。模块151、152和/或153中的电位计可被用于确定横向距离d_R和d_L和/或垂直距离d_V。当焊接设备100沿着工作方向OD移动时，一个或多个用于表示焊头110所需位置与确定的实际位置之间差异的位差信号可被用于控制焊头110的移动方向。当然，根据主传感器元件S_R和S_L和辅助传感器装置S_A所产生的信号，可使用任何类型的位置控制算法(例如，PID(比例积分微分)算法)来控制焊头110的运动。

为了实现粉末焊接，焊接设备100可包括粉道140，粉道140用于将焊粉导入工件P1和工件P2之间的缝隙G中。粉道140具有出口141，出口141相对于工作方向OD被设置在焊头110的上游和主传感器元件S_R和S_L的下游。

根据本发明的一个优选实施例，焊头110配置成控制一条或多条可消耗型焊丝进入工件P1和工件P2之间的缝隙G。图1和图2中示出了两个焊丝E1和E2，其余附图通过符号焊极的方式简单地示意焊头110。然而，如果焊头110设置有用于向各个焊极送料的至少两个焊丝输出口111、112，焊丝输出口111、112优选被设置成第一焊极E1的伸出部分相对于第二焊极E2的伸出部分呈一定的角度。即，从而可有效率地进行所述焊接过程。还可能促使进一步使所述焊接适应接缝的具体特性。

图4示出了工件P1和工件P2之间接缝的示意图。此处，所述接缝包含多个焊道b1、b2、b3和b4。图5示出了如何在接缝中将第二焊道b2应用至第一焊道b1的顶面。根据本发明的一个优选实施例，优选的焊接设备100被配置成在工作方向OD上沿着工件P1和工件P2之间的至少两条基本平行的轨迹上运动。此处，每条所述轨迹导致生成一个焊道b1、b2、b3或b4。在图5中，焊头110被操作生成第二焊道b2。

图6示出了根据本发明的一个实施例的焊接设备的俯视示意图。如图6所示，焊头110相对于承载有主传感器元件S_R、S_L的中心元件120偏离了距离D_{offset-lat(横向偏移)}。一般优选地，允许焊头110改变其相对于中心元件120的位置，因为借此可以简单的方式使焊接过程适应接缝的几何特性。

根据本发明的优选实施例，焊头110和中心元件120之间的位置关系在基本垂直于工作方向OD的至少一个方向上是可变的。在图6所示的实施例中，相对于中心元件120对称轴的横向偏移D_offset-lat(即，基本平行于底面B的一个方向上的移动)说明了该变化。借此，相对于中心元件120设置焊头110向左方便焊接靠近焊接设备100左侧的工件P1，例如产生图5中的第二焊道b2。

然而，本发明的另一优选实施例中，焊头110和中心元件120之间的位置关系还在同时基本垂直于工作方向OD和位于工件P1和工件P2之间的缝隙G的底面B的方向上D_{offset-vert(垂直偏移)}是可改变的。图7示出了根据本发明的该实施例的焊接设备100的侧视示意图。因此，此处的焊头110相对于中心元件120是可以向上/向下移动的。这是可取的，因为借此可简便地控制焊头110在焊接表面上的水平高度，希望所述水平高度在任何非平坦底面B(例如，由前面的接缝中的焊道导致的)也产生高质量的焊接。当然，不排除在同一实施例中结合使用上述横向偏移D_offset-lat和垂直偏移D_offset-vert，使得在二维坐标中相对于中心元件120重新定位焊头110。相反地，这是可取的，因为在焊接过程对于接缝的几何特性的特征是可定制的情形中可提供非常高的灵活性。

图8a和图8b根据本发明的又一优选实施例示出了焊头110是如何倾斜的。此处，焊头110围绕倾斜轴A_T以基本平行于工作方向OD的方向倾斜。这是有优势的，因为借此当焊头110瞄准接缝中的具体区域，例如向左产生第二焊道b2，或向右产生第三焊道b3时，焊头110的横向位置可基本保持不变。从而，以简单的方式实现了高精确度焊接。为了进一步提高灵活性，可以将焊头110围绕倾斜轴A_T的倾斜与上述焊头110和中心元件120之间的一个或多个位置变化相结合。

尽管如上所述，焊头110和中心元件120之间的位置或定向关系可通过不同的方式改变，但根据本发明，除此之外还能够使焊头110和中心元件120相对于彼此被固定。这是有优势的，因为这样一种关系允许将比较简单的控制算法用于焊接设备100。例如，如果相邻的壁面W1和W2为基本平行的表面，则可以采用简单的比例控制算法，其直接根据主传感器元件S_R和S_L和/或辅助传感器装置S_A产生的信号工作。然而，如果缝隙G具有另一种截面形状(例如，V型或U型)，一般需要较复杂的算法。即，此处更需要根据主传感器元件S_R和S_L和/或辅助传感器装置S_A记录的信号来确定焊头/焊极110和相关接缝表面之间的距离。当然，如果焊头110和中心元件120之间的关系在一个或多个方向和/或角度上是可变的，则需要高度先进的算法来控制焊接设备100。

说明书中使用的术语“包括”用于具体说明要求的特征、整体、步骤或部件的存在。然而，所述术语不排除一个或多个附加特征、整体、步骤、部件或其组合的存在。

在该说明书中对于任何现有技术的引用不能并且不应该被作为对构成澳大利亚或其它国家内的公知常识的部分的引用的现有技术的承认或任何的提示。

本发明不限于附图中所绘的实施例，并且可在权利要求书的范围内被自由改变。

Claims

1.一种在两个工件(P1，P2)之间使用焊接材料以使所述工件(P1，P2)彼此机械连接的焊接设备(100)，所述焊接设备(100)包括：

焊头(110)，所述焊头(110)配置成在所述焊接设备(100)沿着工作方向(OD)传送的过程中对所述工件(P1，P2)执行焊接操作；及

两个主传感器元件(S_R，S_L)，所述两个主传感器元件(S_R，S_L)相对于所述传送过程中的所述工作方向(OD)设置在所述焊头(110)的上游，所述两个主传感器元件(S_R，S_L)配置成记录所述工件(P1，P2)之间的缝隙(G)的几何特性，在所述缝隙(G)内使用所述焊接材料，并且所述每个主传感器元件(S_R，S_L)配置成与邻近所述缝隙(G)的所述两个工件(P1，P2)各自的壁面(W1，W2)接触，所述每个主传感器元件(S_R，S_L)的近端(S_Rp，S_Lp)枢接至所述焊接设备(100)的中心元件(120)，并且所述每个主传感器元件(S_R，S_L)包括远端(S_Rd，S_Ld)，所述远端(S_Rd，S_Ld)配置成在所述焊接设备(100)沿着所述工作方向(OD)的传送过程中与各自相邻的壁面(W1，W2)保持接触同时允许所述中心元件(120)和相邻壁面之间的横向距离(d_R，d_L)改变，其特征在于，所述中心元件(120)包括至少一个旋转枢轴(P)，所述主传感器元件(S_R，S_L)分别配置成围绕所述至少一个旋转枢轴(P)旋转，并且所述至少一个旋转枢轴(P)中的每一个都定向成基本垂直于所述工作方向(OD)。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述焊接设备(100)配置成在所述工作方向(OD)上沿着所述工件(P1，P2)之间的至少两条基本平行的轨迹运动，每条所述轨迹导致生成一个焊道(b1，b2，b3，b4)。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述焊接设备(100)包括辅助传感器装置(S_A)，所述辅助传感器装置(S_A)配置成记录所述焊头(110)与位于所述工件(P1，P2)之间的所述缝隙(G)的底面(B)之间的垂直距离(d_V)。

4.根据权利要求3所述的设备(100)，其特征在于，所述辅助传感器装置(S_A)包括辊元件(130)，所述辅助传感器装置(S_A)配置成在所述焊接设备(100)沿着所述工作方向(OD)的传送过程中保持所述辊元件(130)和所述底面(B)之间的接触。

5.根据前述任一权利要求所述的设备(100)，其特征在于，所述焊接设备(100)配置成允许焊头(110)改变其相对于所述中心元件(120)的位置。

6.根据权利要求5所述的设备(100)，其特征在于，所述焊头(110)和所述中心元件(120)之间的位置关系在基本垂直于所述工作方向(OD)的至少一个方向(D_offset-lat，D_offset-vert)上是可变的。

7.根据权利要求6所述的设备(100)，其特征在于，所述焊头(110)和所述中心元件(120)之间的位置关系在基本垂直于所述工件(P1，P2)之间的所述缝隙(G)的底面(B)的方向(D_offset-vert)上是可变的。

8.根据前述任一权利要求所述的设备(100)，其特征在于，所述焊头(110)配置成围绕倾斜轴(A_T)以基本平行于所述工作方向(OD)的方向倾斜。

9.根据前述任一权利要求所述的设备(100)，其特征在于，所述焊接设备(100)包括粉道(140)，所述粉道(140)配置成将焊粉使用于所述工件(P1，P2)之间的所述缝隙(G)中，所述粉道(140)具有出口(141)，所述出口(141)相对于所述传送过程中的所述工作方向(OD)设置在所述焊头(110)的上游和所述主传感器元件(S_R，S_L)的下游。

10.根据前述任一权利要求所述的设备(100)，其特征在于，所述焊头(110)配置成控制至少一条可消耗型焊丝(E1，E2)进入所述工件(P1，P2)之间的所述缝隙(G)。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述焊头(110)包括至少两个焊丝输出口(111，112)，所述至少两个焊丝输出口(111，112)配置成向各自焊极送料，所述焊丝输出口(111，112)设置成使第一焊极(E1)的伸出部分相对于第二焊极(E2)的伸出部分呈一定的角度。