CN103737163A - 一种用于窄间隙焊接的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪 - Google Patents

一种用于窄间隙焊接的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于窄间隙焊接的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，尤其适用于激光-电弧复合焊。它包括喷咀、气体分流器、导电咀、高度传感器、中央处理器以及执行机构；气体分流器上开有裸露在外的出气孔，气体分流器通过保护喷咀的紧箍力防止滑落；导电咀呈扁平状，与气体分流器相连，在导电咀端部安装两个对称布置的高度传感器，用以检测它与焊缝表面之间的距离；中央处理器根据高度传感器的采集信号控制执行机构以调节导电咀的伸长和收缩。本发明可以通过高度传感器检测焊缝底部与导电咀之间的距离，以自动调节导电咀伸出的长度，保证焊丝干伸长在合理的范围内，使得在激光-电弧复合焊过程中电弧能稳定存在，最终实现厚板的高质量焊接。

Description

一种用于窄间隙焊接的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种用于激光-电弧复合焊的焊枪，该焊枪可自动调节导电咀伸出长度，尤其适用于厚板窄间隙焊接。
背景技术
厚板的焊接是舰船和核设施制造、石油和天然气管道铺设、电站建设以及各种大型钢结构工程建造过程中必不可少的关键工艺。这些设施的厚度很大，受限于激光最大输出功率的限制，单激光焊在很多情况下无法很好地完成大厚度厚板的焊接。因此，激光-电弧复合焊接的方法成为厚板焊接的首选。该法一方面可以降低所需的激光功率，从而降低对激光器的要求；另一方面可以减小所开坡口的尺寸，从而减小焊接工程量以及焊接接头的残余应力和残余变形。但是较小的坡口尺寸，会导致焊枪的枪头无法进入坡口内侧，为了使熔滴在焊缝底部顺利过渡，不得不增加焊丝的干伸长，再加上坡口侧壁对电弧的吸引，使得电弧不稳，降低了焊接质量。
发明内容
本发明提供一种用于窄间隙焊接的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，目的在于使焊枪能够进入窄间隙坡口内部并根据焊缝底部的高度自动调节导电咀伸出长度，从而能够在厚板窄间隙焊接时获得高质量的焊接接头。
本发明提供的一种用于窄间隙焊接的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，其特征在于，该焊枪包括喷咀、气体分流器、导电咀、高度传感器、中央处理器以及执行机构；送丝软管位于焊枪直管内部，保护喷咀的端部与焊枪直管之间通过紧箍环箍紧，气体分流器的一端穿过保护喷咀与焊枪直管相接触，另一端上开有裸露在外的出气孔，气体分流器通过保护喷咀的紧箍力防止滑落；导电咀呈扁平状，与气体分流器相连，在导电咀端部安装两个沿导电咀轴线对称的高度传感器，用以检测它与焊缝表面之间的距离；执行机构固定在焊枪直管上，执行机构的输出轴和导电咀相连，中央处理器分别与执行机构以及高度传感器电信号连接，用于根据高度传感器的采集信号控制执行机构以调节导电咀的伸长和收缩。
作为上述技术方案的改进，所述高度传感器为GMR磁场传感器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述高度传感器的外部依次设置有磁屏蔽层和热屏蔽层。
本发明提供的焊枪可以通过高度传感器检测焊缝底部与导电咀之间的距离，从而自动调节焊枪导电咀伸出的长度，保证焊丝干伸长在合理的范围内，使得在激光-电弧复合焊过程中电弧能稳定存在，最终实现厚板的高质量焊接。
相对于一般的焊枪而言，本发明提出的厚板窄间隙焊枪具有以下诸多优越性：
(1)与普通的激光-电弧复合焊中的焊枪相比，该焊枪可焊更大厚度的板材。导电咀可伸入坡口内部并能调节伸出长度，意味着所需开坡口的尺寸较小，从而在很大程度上抑制了侧壁未融合等缺陷的产生，
(2)焊接厚板时容许开尺寸更小的坡口，大量减少焊接材料与能量消耗，提高了生产率，大大降低了焊接接头处的残余应力和残余变形。
(3)由于导电咀可以自动调节，故焊丝的干伸长可始终控制在合适的范围内，使得电弧稳定地存在，最终提高焊接质量。
附图说明
图1为焊枪的主视图；
图2为焊枪的左视图；
图3为厚板窄间隙激光电弧复合焊首道焊接左视图；
图4为厚板窄间隙激光电弧复合焊后续焊接左视图；
图5为厚板窄间隙激光电弧复合焊首道焊接主视图；
图6为厚板窄间隙激光电弧复合焊后续焊接主视图；
图7为高度传感器的安装示意图；
图中，1—送丝软管；2—保护喷咀；3—气体分流器；4—导电咀；5、5’—第一、第二高度传感器；6—焊丝；7—保护气体；8—待焊工件；9—焊缝；10—焊枪直管；11—熔池；12—激光束；13—中央处理器；14—执行机构。
具体实施方式：
本发明提供的可进入坡口内部并能自动调节导电咀伸出长度的窄间隙焊枪的构想主要是指：相对于一般的激光-电弧复合焊焊枪而言，该窄间隙焊枪中的用来使得保护气与电弧同轴的圆柱形保护喷咀无需将导电咀包裹住，而是将导电咀裸露在外面。根据实际的坡口尺寸确定首道焊接时导电咀伸出的长度，调节合适的保护气流量，通过坡口的两个侧壁来阻滞保护气，从而在坡口内部形成保护气氛来保护焊缝。该导电咀呈扁平状，可自动伸缩，可以进入较窄的坡口内部。导电咀端部集成安装两个对称的高度传感器，可自动检测焊缝与导电咀之间的距离，只有当两个传感器检测到的结果相同或者相差在0.5mm以内时才为最终的需要导电咀伸缩的长度，同时可以在高度传感器的外部依次增加磁屏蔽层和热屏蔽层来减小外部干扰对传感器的影响。磁屏蔽层涂覆在传感器外部，可以采用金属基B4C/Pb复合屏蔽材料，该材料以B4C、Pb、辅助添加组份为原料先后通过一系列工艺处理制备而成；热屏蔽层是在磁屏蔽层外部涂覆隔热涂层材料，该材料可以采用空心陶瓷微珠，其密度小，导热系数低，封闭的中空结构，热容高，抑制热传导。紧密排列的封闭型的中空微粒形成了一层对热具有阻隔效果的气体层，阻断了“热桥”从而使涂层具有良好的隔热效果。焊枪高度传感器可由四栅的高技术弱磁敏感材料GMR经过特殊的工艺加工而成，在其内部装备贴装式集成运算放大电路，灵敏度高，响应速度快，抗干扰能力强。在焊接过程中，该巨磁(GMR)电阻随焊枪与焊缝之间的气隙磁通量而变化，从而引起GMR上的电阻或电位差变化，经中央处理器13处理后，获得焊枪与工件相对高度位置的变化量，并发出控制指令给执行机构14，从而适时地通过调整导电咀伸出的长度来调整焊枪和焊缝之间垂直方向的相对位置，保证焊丝的干伸长在合适的范围内，使得电弧稳定存在。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1和图2分别显示了按照本发明构想所设计的窄间隙焊枪的主视图及左视图。如图1、2所示，按照本发明设计的焊枪包括保护喷咀2、气体分流器3、导电咀4、高度传感器5、中央处理器13以及执行机构14。送丝软管1在焊枪直管内部，保护喷咀2的一端与焊枪直管之间通过紧箍环箍紧，气体分流器3的一端穿过保护喷咀2与焊枪直管相接触，另一端上开有裸露在外的出气孔。气体分流器3通过保护喷咀的紧箍力防止滑落。导电咀4呈扁平状，与气体分流器3相连，可自动伸缩。在导电咀4端部安装两个沿导电咀轴线对称的高度传感器5、5’，用以检测它与焊缝表面之间的距离。执行机构14固定在焊枪直管上，中央处理器13分别与执行机构14以及高度传感器5电信号连接。执行机构14的输出轴和导电咀4相连，以调节导电咀4的伸长和收缩。
执行机构14可以采用电机等实现。
图3，图5分别为厚板窄间隙激光电弧复合焊第一道焊接示意图左视图及主视图。如图3所示，由气体分流器3喷出的保护气7被坡口两侧壁阻滞，在坡口内部形成保护气氛来保护焊缝；如图5所示，复合焊形成的熔池11被坡口两侧壁阻滞的保护气7所覆盖，从而保护焊缝。图4，图6分别为厚板窄间隙激光电弧复合焊后续焊接示意图左视图及主视图。待第一道焊接完成后，在后续的焊接过程中，如图4所示，由焊枪端部对称排列的两个高度传感器5检测焊缝9高度的变化，将检测到信号通过信号传输线路传给中央处理器13，中央处理器13发送指令给执行机构14，执行机构14通过输出轴来自动调节导电咀4的伸出长度，使得焊丝6干伸长在合适的范围内，图6为厚板窄间隙激光电弧复合焊后续焊接示意图的主视图。
图7为传感器安装示意图，第一高度传感器5和第二高度传感器5’对称安装在导电咀4上，高度传感器可以采用巨磁(GMR)电阻材料加工而成的GMR磁场传感器。该电阻随焊枪与焊缝9之间的气隙磁通量而变化，通过GMR上的电阻或电位差变化获得焊枪与焊缝相对高度位置的变化。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，其特征在于，该焊枪包括喷咀、气体分流器、导电咀、高度传感器、中央处理器以及执行机构；送丝软管位于焊枪直管内部，保护喷咀的端部与焊枪直管之间通过紧箍环箍紧，气体分流器的一端穿过保护喷咀与焊枪直管相接触，另一端上开有裸露在外的出气孔，气体分流器通过保护喷咀的紧箍力防止滑落；导电咀呈扁平状，与气体分流器相连，在导电咀端部安装两个沿导电咀轴线对称的高度传感器，用以检测它与焊缝表面之间的距离；执行机构固定在焊枪直管上，执行机构的输出轴和导电咀相连，中央处理器分别与执行机构以及高度传感器电信号连接，用于根据高度传感器的采集信号控制执行机构以调节导电咀的伸长和收缩。
2.根据权利要求1所述的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，其特征在于，所述高度传感器为GMR磁场传感器。
3.根据权利要求1或2所述的能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，其特征在于，所述高度传感器的外部依次设置有磁屏蔽层和热屏蔽层。
4.根据权利要求3所述的用能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，其特征在于，所述磁屏蔽层为金属基B4C/Pb复合屏蔽材料，热屏蔽层为空心陶瓷微珠材料。
5.根据权利要求1或2所述的用能自动调节导电咀伸出长度的焊枪，其特征在于，所述执行机构为电机。
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