CN103949752B - 一种适用于超高频脉冲tig焊焊接温度场的实时观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，该装置包括有焊接温度场存储器、观测运动机构、红外热成像仪、工件位姿调节台。红外热成像仪安装在观测运动机构上，观测运动机构与焊枪运动机构连接，工件位姿调节台安装在导电板与变位机机构之间。本发明为非接触法进行温度测量，即提供了一种能够在超高频脉冲TIG焊中应用的焊接温度场的实时观测装置，本发明装置能够实时地进行焊接温度场观测，并一次性获得焊接全场温度信息。

Description

一种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置

技术领域

本发明涉及一种用于观测焊接过程热物理现象的装置，特别是涉及一种超高频脉冲TIG焊焊接过程的焊接温度场实时观测装置，该装置可用于了解和研究利用超高频脉冲TIG焊获得优质焊缝的最优参数。

背景技术

超高频脉冲TIG(Tungsten Inert Gas Welding)焊焊接技术是一种先进的焊接工艺方法，可实现20kHz以上的电流变换频率，且具有超快速的电流沿变化速率(di/dt≥50A/us)。研究表明，在自由电弧的基础上加入高频脉冲电流的调制作用，可有效降低焊缝的气孔敏感性，细化晶粒，显著提高焊接接头力学性能，能大幅提升航空飞行器焊接结构件的综合性能，具有重要的工程意义和广泛的应用前景。

目前，超高频脉冲TIG焊焊接系统如图1所示，图中，控制柜一方面通过焊枪运动指令控制焊枪运动机构作运动，另一方面通过工件台运动指令控制工件运动机构作运动，工件运动机构上安装有工件平台，工件平台用于放置被焊接的工件，焊枪安装在焊枪运动机构上，超高频脉冲焊接电源用于提供焊接工件所需的工艺参数。

焊接温度场是焊接过程中非常重要的物理参量，是影响焊接质量的重要因素。焊接温度场反映了复杂的焊接传热过程和焊接热循环过程，而该热过程对研究熔焊的金属熔化结晶和接头应力状态等都有重要的意义。如果温度过高，易产生热变形导致焊缝边缘出现过多的熔化金属难以从焊缝排出；如果温度过低，会出现低温焊接焊缝边缘只能局部熔化难以保证焊接质量。故焊接温度场的分布在一定程度上反映了复杂焊接过程的焊接质量并直接影响焊缝成形，因此获得焊接过程的动态温度场对于制定评定和优化焊接工艺具有重要意义。同时准确地测量焊件上的温度是进行焊接冶金分析、焊接应力、应变、弹塑性动态分析的基础，也是对焊接过程进行计算机控制的前提。所以通过焊接温度场信息反馈调节焊接参数，也成为控制焊接质量的主要手段之一。

测试焊接温度场的传统方法是使用热电偶和XY函数记录仪，该方法实时性差、精度低，工作量很大，很难同时得到多点乃至全场温度，且对焊件有一定的破坏性。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，该装置是为了实现对超高频脉冲TIG焊接过程中焊接温度场进行实时观测，是在现有超高频脉冲TIG焊焊接系统中增加红外热成像仪、焊接温度场存储器和观测运动机构。红外热成像仪用于采集焊接温度场的温度变化，焊接温度场存储器用于将焊接温度场的温度变化转换成数字信息存储到计算机中，观测运动机构用于带动红外热成像仪运动。本发明为非接触法进行温度测量，即提供了一种能够在超高频脉冲TIG焊中应用的焊接温度场的实时观测装置，本发明装置能够实时地进行焊接温度场观测，并一次性获得焊接全场温度信息。

本发明的一种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，是在现有超高频脉冲TIG焊焊接系统上增加了焊接温度场存储器、红外热成像仪(10)、观测运动机构(1)、工件位姿调节台(3)；因此适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置包括有焊接温度场存储器、红外热成像仪(10)、观测运动机构(1)、工件位姿调节台(3)、控制柜、超高频脉冲TIG焊焊接电源、焊枪运动机构(2)、焊枪(6)、导电板(40)、变位机机构(4)，导电板(40)安装在变位机机构(4) 上方，焊枪(6)安装在焊枪运动机构(2)上，超高频脉冲TIG焊焊接电源用于提供焊枪(6)工作时的引弧，控制柜用于控制焊枪运动机构(2)、变位机机构(4)的运动；工件位姿调节台(3)安装在变位机机构(4) 与工作台(40)之间，观测运动机构(1)与焊枪运动机构(2)连接；

所述的焊接温度场存储器用于对红外热成像仪(10)采集到的温度场信息进行存储；

观测运动机构(1)包括有第一支架(1B)、第二支架(1C)、第一横梁(1D)、第二横梁(1E)、第一U形架(1F)、第二U形架(1G)、 X轴微调组件、Y轴微调组件、第二固定座(1K)、第一固定座(1L)、第一连接板(1M)和第二连接板(1P)。X轴微调组件中的第一步进电机(1H)的输出轴上连接有X轴联轴器(1H1)，X轴联轴器(1H1) 上套接有X轴蜗轮(1H2)，X轴蜗轮(1H2)与X轴蜗杆(1H3)啮合。Y轴微调组件中的第二步进电机(1J)的输出轴上连接有Y轴联轴器(1J1)，Y轴联轴器(1J1)上套接有Y轴蜗轮(1J2)，Y轴蜗轮(1J2) 与Y轴蜗杆(1J3)啮合。Y轴联轴器(1J1)、Y轴蜗轮(1J2)和Y 轴蜗杆(1J3)置于第二固定座(1K)内。X轴联轴器(1H1)、X轴蜗轮(1H2)、X轴蜗杆(1H3)置于第一固定座(1L)内。第二U形架 (1G)的B横板(1G1)上设有供安装X轴蜗杆(1H3)一端的C安装孔(1G5)，X轴蜗杆(1H3)的另一端安装在第一固定座(1L)的E 安装孔(1L3)中。第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)上设有供安装Y轴蜗杆(1J3)一端的A安装孔(1F4)，Y轴蜗杆(1J3)的另一端安装在第二固定座(1K)的板面(1K11)的安装孔上。

第一支架(1B)为滑块结构。在第一支架(1B)的支撑板(1B1) 上固定安装红外热成像仪(10)，第一支架(1B)的滑块(1B2)安装在第二支架(1C)上，且滑块(1B2)在第二支架(1C)上滑动。当调节好滑块(1B2)在第二支架(1C)上的位置后，用顶紧钉(1B3)将滑块(1B2)与第二支架(1C)顶紧，实现第一支架(1B)与第二支架 (1C)固定。

第一U形架(1F)上设有A横板(1F1)，所述A横板(1F1)的两侧设有AA侧板(1F2)、AB侧板(1F3)。第一U形架(1F)的A 横板(1F1)底部安装有第二连接板(1P)；第一U形架(1F)的AA 侧板(1F2)上安装有第一横梁(1D)和第二U形架(1G)的BA侧板(1G2)；第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)上安装有第二横梁(1E) 和第二U形架(1G)的BB侧板(1G3)。

第二U形架(1G)上设有B横板(1G1)，所述B横板(1G1)的两侧设有BA侧板(1G2)、BB侧板(1G3)。第二U形架(1G)的B 横板(1G1)安装在第一固定座(1L)上；第二U形架(1G)的BA侧板(1G2)与第一U形架1F的AA侧板(1F2)固定；第二U形架 (1G)的BB侧板(1G3)与第一U形架1F的AB侧板(1F3)固定。

第一横梁(1D)的一端部安装有第二支架(1C)的一端，第一横梁 (1D)的另一端部安装在第一U形架(1F)的AA侧板(1F2)上。

第二横梁(1E)的一端上安装有第二支架(1C)的另一端，第二横梁(1E)的另一端安装在第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)上。

第一固定座(1L)的后板面(1L2)的中心位置设有E安装孔(1L3)，该E安装孔(1L3)用于放置X轴蜗杆(1H3)的一端，置入E安装孔 (1L3)内的X轴蜗杆(1H3)的一端通过键卡紧实现X轴蜗杆(1H3) 与第一固定座(1L)的固定。第一固定座(1L)的前板面(1L1)与第二U形架(1G)的B横板(1G1)的外侧板面固定，第一固定座(1L) 的后板面与第一连接板(1M)连接，第一连接板(1M)固定在沿Y轴运动组件(2C)的Y轴盖板(2C1)上。

第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)的内侧通过螺钉固定有挡板 (1K1)。挡板(1K1)与第二固定座(1K)固定安装，所述第二固定座 (1K)内放置有Y轴蜗杆(1J3)、Y轴联轴器(1J1)和Y轴蜗轮(1J2)。挡板(1K1)的中心设有D安装孔(1K2)，该D安装孔(1K2)用于Y 轴蜗杆(1J3)的一端穿过。Y轴蜗杆(1J3)的一端通过键卡紧在第二 U形架(1G)的BB侧板(1G3)的B安装孔(1G4)中。Y轴蜗杆(1J3) 的一端安装在第二U形架(1G)的BB侧板(1G3)上，Y轴蜗杆(1J3) 的另一端穿过第一U形架(1F)的A安装孔(1F4)、挡板(1K1)的 D安装孔(1K2)后，安装在第二固定座(1K)的板面(1K11)上。

工件位姿调节台(3)包括有基座(3A)、绝缘板(3C)、第一组滑块(3D)、第二组滑块(3E)、第一导轨(3F)、第二导轨(3G)、丝杠 (3H)、第四步进电机(3J)。

所述基座(3A)上设有底板(3A1)、前侧板(3A2)、后侧板(3A3)；底板(3A1)的两侧分别设有第一组通孔、第二组通孔(3A4)，该第一组通孔和第二组通孔(3A4)用于螺钉穿过，穿过的螺钉置于变位机机构(4)的转盘(4A)的槽孔(4B)内；前侧板(3A2)的外侧面板上安装有第四步进电机(3J)；前侧板(3A2)上设有一通孔，一通孔内安装有A滚珠轴承，该A滚珠轴承的内圈与联轴器套接；联轴器相对A滚珠轴承转动；后侧板(3A3)上设有C通孔(3A5)，C通孔(3A5)内安装有B滚珠轴承，该B滚珠轴承的内圈套接在丝杠(3H)上；丝杠 (3H)相对B滚珠轴承转动；丝杠(3H)的一端通过联轴器与第四步进电机(3J)的输出轴连接，丝杠(3H)的另一端套接在B滚珠轴承的内圈上；第一导轨(3F)与第二导轨(3G)平行安装在前侧板(3A2) 与后侧板(3A3)之间；第一导轨(3F)上安装有第一组滑块(3D)；第二导轨(3G)上安装有第二组滑块(3E)；第一组滑块(3D)与第二组滑块(3E)安装在绝缘板(3C)的底部；绝缘板(3C)的底部安装有第一组滑块(3D)、第二组滑块(3E)，绝缘板(3C)的上部安装有导电板(40)。

本发明的焊接温度场的实时观测装置优点在于：

①将红外热成像仪加载到现有超高频脉冲TIG焊焊接系统中，实现了对焊接温度场的温度变化进行观测。

②将红外热成像仪安装在观测运动机构上，同时观测运动机构与现有超高频脉冲TIG焊焊接系统中的焊枪运动机构连接，实现了对红外热成像仪的位移的粗调、精调，更加有利于对焊接温度场的温度变化进行观测。

③将红外热成像仪采集到的温度变化信息转存到计算机设备中，能够实时地进行焊接温度场观测，并一次性获得焊接全场温度信息。该焊接全场温度信息能够为后续进行焊接冶金分析、焊接应力、应变、弹塑性动态分析提供数据基础，也是对焊接过程采用控制柜进行控制的前提，所以通过焊接温度场信息反馈调节焊接参数，成为提高控制焊接质量的手段。

④本发明设计的超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，适用于钛合金、铝合金、不锈钢等航空航天领域常用金属材料的TIG焊焊接温度场的观测，较为简便地实现了不同焊接参数条件下的实时温度场的观测显示，可在焊接过程中及时发现一些明显缺陷，及时调整，大大减少了多次重复实验，来获得高质量的焊缝。并且据此可建立不同型号，不同厚度尺寸材料得到焊件优质焊缝成型的最优参数匹配数据库，为以后的超高频脉冲TIG焊工程实践应用提供设备支持和实验数据支持。

附图说明

图1是传统超高频脉冲TIG焊焊接系统的结构框图。

图2是本发明的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置的结构框图。

图3是本发明的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置中工件位置调整部分的外部结构图。

图3A是图3的右视图。

图4是本发明实时观测装置中观测运动机构部分的结构图。

图4A是本发明实时观测装置中微调部分的结构图。

图4B是本发明实时观测装置中微调部分的分解图。

图5是本发明实时观测装置中工件位姿调节台的结构图。

图5A是本发明实时观测装置中工件位姿调节台的分解图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图2、图3、图3A所示，本发明的一种适用于超高频脉冲TIG 焊焊接温度场的实时观测装置，该装置包括有控制柜、焊接温度场存储器、红外热成像仪10、观测运动机构1、工件位姿调节台3、焊枪运动机构2、焊枪6、导电板40、变位机机构4、超高频脉冲TIG焊焊接电源，所述的焊接温度场存储器可以是计算机，用于对红外热成像仪10采集到的温度信息进行存储，以方便该温度信息进行后续的使用。超高频脉冲TIG焊焊接电源输出脉冲电流上升沿、下降沿变化率di/dt≥50A 的超高频脉冲电流；脉冲电流幅值0～200A可调，脉冲电流频率0～ 80kHz可调，脉冲电流占空比0～100％可调。

红外热成像仪10安装在观测运动机构1上，观测运动机构1与焊枪运动机构2连接，工件位姿调节台3安装在导电板40(即工件平台) 与变位机机构4之间，其中，焊枪运动机构2、变位机机构4、工件平台 40(即导电板)和底座5为现有超高频脉冲TIG焊焊接系统中的部分机构。

计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘50GB；操作系统为windows 2000/2003/XP。红外热成像仪10选用福禄克测试仪器(上海)有限公司出的 SAT-HY6000型号红外热成像仪及其组件，探测器类型为非致冷焦面，工作波段为8～14μm，像素数为320×240，测温范围为-20～2000 ℃，分为低温、中温和高温三档。红外热成像仪10通过数据线与计算机连接。

观测运动机构1

参见图3、图3A、图4、图4A所示，观测运动机构1包括有第一支架1B、第二支架1C、第一横梁1D、第二横梁1E、第一U形架1F、第二U形架1G、X轴微调组件、Y轴微调组件、第二固定座1K、第一固定座1L、第一连接板1M和第二连接板1P。X轴微调组件中的第一步进电机1H的输出轴上连接有X轴联轴器1H1，X轴联轴器1H1上套接有X轴蜗轮1H2，X轴蜗轮1H2与X轴蜗杆1H3啮合。Y轴微调组件中的第二步进电机1J的输出轴上连接有Y轴联轴器1J1，Y轴联轴器1J1上套接有Y轴蜗轮1J2，Y轴蜗轮1J2与Y轴蜗杆1J3啮合。 Y轴联轴器1J1、Y轴蜗轮1J2和Y轴蜗杆1J3置于第二固定座1K内。 X轴联轴器1H1、X轴蜗轮1H2、X轴蜗杆1H3置于第一固定座1L内。第二U形架1G的B横板1G1上设有供安装X轴蜗杆1H3一端的C 安装孔1G5，X轴蜗杆1H3的另一端安装在第一固定座1L的E安装孔 1L3中，在X轴蜗杆1H3与X轴蜗轮1H2啮合后，在第一步进电机 1H的驱动下，观测运动机构1在Y轴上微调行程100mm，实现焊枪6 的Y轴精调节。第一U形架1F的BB侧板1F3上设有供安装Y轴蜗杆 1J3一端的A安装孔1F4，Y轴蜗杆1J3的另一端安装在第二固定座 1K的板面1K11的安装孔上(所述的板面1K11与AB侧板1F3是对应的)，在Y轴蜗杆1J3与Y轴蜗轮1J2啮合后，在第二步进电机1J 的驱动下，观测运动机构1在X轴上微调行程100mm，实现焊枪6的 X轴精调节。

参见图3、图4所示，第一支架1B为滑块结构。在第一支架1B的支撑板1B1上固定安装红外热成像仪10，第一支架1B的滑块1B2安装在第二支架1C上，且滑块1B2在第二支架1C上滑动。当调节好滑块1B2在第二支架1C上的位置后，用顶紧钉1B3将滑块1B2与第二支架1C顶紧，实现第一支架1B与第二支架1C固定。红外热成像仪 10为倾斜安装在支撑板1B1上，红外热成像仪10的倾斜安装角度为0 °～180°，倾斜安装红外热成像仪10能够使红外热成像仪10的广角范围采集到焊枪6与焊缝的区域。在本发明中，红外热成像仪10在第二支架1C上可以设置多个，这有利于多个角度同时采集焊枪6进行焊接时的温度场变化。

参见图4B所示，第一U形架1F上设有A横板1F1，所述A横板 1F1的两侧设有AA侧板1F2、AB侧板1F3。第一U形架1F的A横板1F1底部安装有第二连接板1P；第一U形架1F的AA侧板1F2上安装有第一横梁1D和第二U形架1G的BA侧板1G2；第一U形架 1F的AB侧板1F3上安装有第二横梁1E和第二U形架1G的BB侧板 1G3。

参见图4B所示，第二U形架1G上设有B横板1G1，所述B横板 1G1的两侧设有BA侧板1G2、BB侧板1G3。第二U形架1G的B 横板1G1安装在第一固定座1L上；第二U形架1G的BA侧板1G2 与第一U形架1F的AA侧板1F2固定；第二U形架1G的BB侧板1G3 与第一U形架1F的AB侧板1F3固定。

参见图4所示，第一横梁1D的一端部安装有第二支架1C的一端，第一横梁1D的另一端部安装在第一U形架1F的AA侧板1F2上。

参见图4所示，第二横梁1E的一端上安装有第二支架1C的另一端，第二横梁1E的另一端安装在第一U形架1F的AB侧板1F3上。

参见图4所示，第一固定座1L的后板面1L2的中心位置设有E 安装孔1L3，该E安装孔1L3用于放置X轴蜗杆1H3的一端，置入E 安装孔1L3内的X轴蜗杆1H3的一端通过键卡紧实现X轴蜗杆1H3 与第一固定座1L的固定。第一固定座1L为中空结构，第一固定座1L 的前板面1L1与第二U形架1G的B横板1G1的外侧板面固定，第一固定座1L的后板面与第一连接板1M连接，第一连接板1M固定在沿Y 轴运动组件2C的Y轴盖板2C1上。在沿Y轴运动组件2C的运动下，整个观测运动机构1沿Y轴运动，从而实现焊枪6沿Y轴运动。

参见图4所示，第一U形架1F的AB侧板1F3的内侧通过螺钉固定有挡板1K1。挡板1K1与第二固定座1K固定安装，所述第二固定座1K内放置有Y轴蜗杆1J3、Y轴联轴器1J1和Y轴蜗轮1J2。挡板 1K1的中心设有D安装孔1K2，该D安装孔1K2用于Y轴蜗杆1J3 的一端穿过。Y轴蜗杆1J3的一端通过键卡紧在第二U形架1G的BB 侧板1G3的B安装孔1G4中。Y轴蜗杆1J3的一端安装在第二U形架 1G的BB侧板1G3上，Y轴蜗杆1J3的另一端穿过第一U形架1F的 A安装孔1F4、挡板1K1的D安装孔1K2后，安装在第二固定座1K 的板面1K11上。

在本发明中，观测运动机构1能够实现二自由度的运动。在第一步进电机1H提供的驱动力条件下，X轴联轴器1H1转动，同时X轴蜗轮 1H2随动，在X轴蜗轮1H2的转动条件下，X轴蜗杆1H3将随动，在 X轴蜗杆1H3转动条件下，第二U形架1G沿X轴运动，即焊枪6实现X轴方向的微调运动。在第二步进电机1J提供的驱动力条件下，Y 轴联轴器1J1转动，同时Y轴蜗轮1J2随动，在Y轴蜗轮1J2的转动条件下，Y轴蜗杆1J3将随动，在Y轴蜗杆1J3转动条件下，第一U 形架1F沿Y轴运动，即焊枪6实现Y轴方向的微调运动。第一步进电机1H和第二步进电机1J选用IAI-DS系列伺服电机，行程400mm、位置精度0.001mm。

工件位姿调节台3

参见图3、图3A、图5、图5A所示，工件位姿调节台3包括有基座3A、绝缘板3C、第一组滑块3D、第二组滑块3E、第一导轨3F、第二导轨3G、丝杠3H、第四步进电机3J。

所述基座3A上设有底板3A1、前侧板3A2、后侧板3A3；

底板3A1的两侧分别设有第一组通孔(图中未示出)、第二组通孔 3A4，该第一组通孔和第二组通孔3A4用于螺钉穿过，穿过的螺钉置于变位机机构4的转盘4A的槽孔4B内；

前侧板3A2的外侧面板上安装有第四步进电机3J；前侧板3A2上设有一通孔，该通孔内安装有A滚珠轴承，该A滚珠轴承的内圈与联轴器套接；联轴器相对A滚珠轴承转动；

后侧板3A3上设有C通孔3A5，C通孔3A5内安装有B滚珠轴承，该B滚珠轴承的内圈套接在丝杠3H上；丝杠3H相对B滚珠轴承转动；

丝杠3H的一端通过联轴器与第四步进电机3J的输出轴连接，丝杠 3H的另一端套接在B滚珠轴承的内圈上；

第一导轨3F与第二导轨3G平行安装在前侧板3A2与后侧板3A3 之间；第一导轨3F上安装有第一组滑块3D；第二导轨3G上安装有第二组滑块3E；第一组滑块3D与第二组滑块3E安装在绝缘板3C的底部；

绝缘板3C的底部安装有第一组滑块3D、第二组滑块3E，绝缘板 3C的上部安装有导电板40。

在本发明中，工件位姿调节台3在X轴方向的行程为600mm，精度0.001mm，行进速度为50～500mm/min。将导电板40安装在工件位姿调节台3上方，使得导电板40具有在X轴方向运动的关系。工件位姿调节台3固定安装在变位机机构4上方，在变位机机构4具有的多自由度位姿变化的条件下，使得导电板40和工件位姿调节台3具有多个自由度位姿变化。

焊枪运动机构2

在本发明中，焊枪运动机构2的沿Y轴运动组件2C的Y轴盖板2C1 用于连接观测运动机构1的第一固定座1L。

焊枪运动机构2采用唐山开元特种焊接设备有限公司生产的 TQK03100型号。

变位机机构4

在本发明中，变位机机构4具有多个自由度位姿的变化，如俯仰、左右倾斜、左右摆。变位机机构4的底部安装在底座5的底板5A的前端，变位机机构4的转盘4A用于安装工件位姿调节台3的基座3A。

变位机机构4采用唐山开元特种焊接设备有限公司生产的KP150M 型号。水平最大承重300Kg，垂直最大承重200Kg，回转速度0.23～ 4.6rpm，倾斜角度0°～90°。

在本发明中，将工件位姿调节台3安装在变位机机构4上，使得工件位姿调节台3具有变位机机构4的多个自由度的位姿，这有利于对工件的加工。

底座5

参见图3、图3A所示，将变位机机构4和焊枪运动机构2同时安装在底座5的底板5A和立柱5B上，这有利于保证工件在加工时方位。

所述立柱5B的端部用于安装焊枪运动机构2中的第三连接板2E，第三连接板2E的两侧分别安装有第一立板2D和第二立板2F。

在本发明中，通过底座5实现将焊枪运动机构2与变位机机构4组装在一个工作环境中，减少了初始位置的校准。为了实现实时采集焊枪在超高频脉冲TIG焊焊接过程中的工作过程，及时发现焊接过程中出现的明显缺陷实时进行调整，同时也起到了方便控制的目的。

实时的多自由度的焊接温度场过程采集

直线焊缝焊接温度场实时观测时，工件固定于导电板40中间(或者红外热成像仪能够拍摄的区域)；

通过控制柜控制焊枪运动机构上的电机工作，使焊枪在X轴、Y轴、 Z轴方向上到达直线焊缝处(焊枪粗调)；

通过控制柜调节变位机机构4使工件水平，调节好后锁死变位机；

调节第二步进电机1J，使焊枪6在Y轴方向微调一行程，在调节第一步进电机1H，使焊枪6在X轴方向微调一行程(焊枪精调)；

微调后的焊枪6的枪头的钨极尖端垂直于直线焊缝，并离焊缝2～ 3mm；

调节安装有红外热成像仪的第一支架1B，使第一支架1B上的倾斜板的倾角为45°；红外热成像仪倾斜一个合适的角度，这有利对温度场的采集；

开启红外热成像仪、开启超高频脉冲TIG焊接电源引弧，通过合理的加工工艺参数进行直线焊缝焊接；

红外热成像仪将测得的温度实时传送到上位机(或者计算机)中，若出现温度场的较大波动，可立即通过控制柜调节焊接速度或通过超高频脉冲TIG焊接电源的控制面板调节焊接电流的大小，保证焊接质量的稳定；若未出现较大的温度场波动，则将此组温度场数据保存；关闭超高频脉冲TIG焊接电源，完成单组参数单次测量实验。

在本发明中，通过上位机返回的波动较大信息来使控制柜和超高频脉冲TIG焊接电源进行调节，能够实现平面曲线焊缝焊接。

本发明设计的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，可实现对钛合金、铝合金、不锈钢等多种航空航天常用金属材料超高频脉冲焊接过程的温度场监测，较为简便地实现了不同焊接参数条件下的实时温度场的观测显示。以便及时在焊接过程中发现一些较为明显的焊接缺陷，从而及时迅速的做相应的调整，来大大减少多次重复实验，获得高质量的焊缝。并且据此可建立不同型号，不同厚度尺寸材料得到焊件优质焊缝成型的最优参数匹配数据库，为以后的超高频脉冲TIG焊工程实践应用提供设备支持和实验数据支持。

Claims (7)

1.一种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，所述超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置包括有控制柜、超高频脉冲TIG焊焊接电源、焊枪运动机构(2)、焊枪(6)、导电板(40)、变位机机构(4)，导电板(40)安装在变位机机构(4)上方，焊枪(6)安装在焊枪运动机构(2)上，超高频脉冲TIG焊焊接电源用于提供焊枪(6)工作时的引弧，控制柜用于控制焊枪运动机构(2)、变位机机构(4)的运动；其特征在于：还包括有焊接温度场存储器、红外热成像仪(10)、观测运动机构(1)、工件位姿调节台(3)；

所述的焊接温度场存储器用于对红外热成像仪(10)采集到的温度场信息进行存储；

观测运动机构(1)包括有第一支架(1B)、第二支架(1C)、第一横梁(1D)、第二横梁(1E)、第一U形架(1F)、第二U形架(1G)、X轴微调组件、Y轴微调组件、第二固定座(1K)、第一固定座(1L)、第一连接板(1M)和第二连接板(1P)；X轴微调组件中的第一步进电机(1H)的输出轴上连接有X轴联轴器(1H1)，X轴联轴器(1H1)上套接有X轴蜗轮(1H2)，X轴蜗轮(1H2)与X轴蜗杆(1H3)啮合；Y轴微调组件中的第二步进电机(1J)的输出轴上连接有Y轴联轴器(1J1)，Y轴联轴器(1J1)上套接有Y轴蜗轮(1J2)，Y轴蜗轮(1J2)与Y轴蜗杆(1J3)啮合；Y轴联轴器(1J1)、Y轴蜗轮(1J2)和Y轴蜗杆(1J3)置于第二固定座(1K)内；X轴联轴器(1H1)、X轴蜗轮(1H2)、X轴蜗杆(1H3)置于第一固定座(1L)内；第二U形架(1G)的B横板(1G1)上设有供安装X轴蜗杆(1H3)一端的C安装孔(1G5)，X轴蜗杆(1H3)的另一端安装在第一固定座(1L)的E安装孔(1L3)中；第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)上设有供安装Y轴蜗杆(1J3)一端的A安装孔(1F4)，Y轴蜗杆(1J3)的另一端安装在第二固定座(1K)的板面(1K11)的安装孔上；

第一支架(1B)为滑块结构；在第一支架(1B)的支撑板(1B1)上固定安装红外热成像仪(10)，第一支架(1B)的滑块(1B2)安装在第二支架(1C)上，且滑块(1B2)在第二支架(1C)上滑动；当调节好滑块(1B2)在第二支架(1C)上的位置后，用顶紧钉(1B3)将滑块(1B2)与第二支架(1C)顶紧，实现第一支架(1B)与第二支架(1C)固定；

第一U形架(1F)上设有A横板(1F1)，所述A横板(1F1)的两侧设有AA侧板(1F2)、AB侧板(1F3)；第一U形架(1F)的A横板(1F1)底部安装有第二连接板(1P)；第一U形架(1F)的AA侧板(1F2)上安装有第一横梁(1D)和第二U形架(1G)的BA侧板(1G2)；第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)上安装有第二横梁(1E)和第二U形架(1G)的BB侧板(1G3)；

第二U形架(1G)上设有B横板(1G1)，所述B横板(1G1)的两侧设有BA侧板(1G2)、BB侧板(1G3)；第二U形架(1G)的B横板(1G1)安装在第一固定座(1L)上；第二U形架(1G)的BA侧板(1G2)与第一U形架1F的AA侧板(1F2)固定；第二U形架(1G)的BB侧板(1G3)与第一U形架1F的AB侧板(1F3)固定；

第一横梁(1D)的一端部安装有第二支架(1C)的一端，第一横梁(1D)的另一端部安装在第一U形架(1F)的AA侧板(1F2)上；

第二横梁(1E)的一端上安装有第二支架(1C)的另一端，第二横梁(1E)的另一端安装在第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)上；

第一固定座(1L)的后板面(1L2)的中心位置设有E安装孔(1L3)，该E安装孔(1L3)用于放置X轴蜗杆(1H3)的一端，置入E安装孔(1L3)内的X轴蜗杆(1H3)的一端通过键卡紧实现X轴蜗杆(1H3)与第一固定座(1L)的固定；第一固定座(1L)的前板面(1L1)与第二U形架(1G)的B横板(1G1)的外侧板面固定，第一固定座(1L)的后板面与第一连接板(1M)连接，第一连接板(1M)固定在沿Y轴运动组件(2C)的Y轴盖板(2C1)上；

第一U形架(1F)的AB侧板(1F3)的内侧通过螺钉固定有挡板(1K1)；挡板(1K1)与第二固定座(1K)固定安装，所述第二固定座(1K)内放置有Y轴蜗杆(1J3)、Y轴联轴器(1J1)和Y轴蜗轮(1J2)；挡板(1K1)的中心设有D安装孔(1K2)，该D安装孔(1K2)用于Y轴蜗杆(1J3)的一端穿过；Y轴蜗杆(1J3)的一端通过键卡紧在第二U形架(1G)的BB侧板(1G3)的B安装孔(1G4)中；Y轴蜗杆(1J3)的一端安装在第二U形架(1G)的BB侧板(1G3)上，Y轴蜗杆(1J3)的另一端穿过第一U形架(1F)的A安装孔(1F4)、挡板(1K1)的D安装孔(1K2)后，安装在第二固定座(1K)的板面(1K11)上；

工件位姿调节台(3)包括有基座(3A)、绝缘板(3C)、第一组滑块(3D)、第二组滑块(3E)、第一导轨(3F)、第二导轨(3G)、丝杠(3H)、第四步进电机(3J)；

所述基座(3A)上设有底板(3A1)、前侧板(3A2)、后侧板(3A3)；底板(3A1)的两侧分别设有第一组通孔、第二组通孔(3A4)，该第一组通孔和第二组通孔(3A4)用于螺钉穿过，穿过的螺钉置于变位机机构(4)的转盘(4A)的槽孔(4B)内；前侧板(3A2)的外侧面板上安装有第四步进电机(3J)；前侧板(3A2)上设有一通孔，一通孔内安装有A滚珠轴承，该A滚珠轴承的内圈与联轴器套接；联轴器相对A滚珠轴承转动；后侧板(3A3)上设有C通孔(3A5)，C通孔(3A5)内安装有B滚珠轴承，该B滚珠轴承的内圈套接在丝杠(3H)上；丝杠(3H)相对B滚珠轴承转动；丝杠(3H)的一端通过联轴器与第四步进电机(3J)的输出轴连接，丝杠(3H)的另一端套接在B滚珠轴承的内圈上；第一导轨(3F)与第二导轨(3G)平行安装在前侧板(3A2)与后侧板(3A3)之间；第一导轨(3F)上安装有第一组滑块(3D)；第二导轨(3G)上安装有第二组滑块(3E)；第一组滑块(3D)与第二组滑块(3E)安装在绝缘板(3C)的底部；绝缘板(3C)的底部安装有第一组滑块(3D)、第二组滑块(3E)，绝缘板(3C)的上部安装有导电板(40)。

2.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于：在X轴蜗杆(1H3)与X轴蜗轮(1H2)啮合后，在第一步进电机(1H)的驱动下，观测运动机构(1)在Y轴上微调行程100mm，实现焊枪(6)的Y轴精调节；在Y轴蜗杆(1J3)与Y轴蜗轮(1J2)啮合后，在第二步进电机(1J)的驱动下，观测运动机构(1)在X轴上微调行程100mm，实现焊枪(6)的X轴精调节。

3.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于：红外热成像仪(10)为倾斜安装在支撑板(1B1)上，红外热成像仪(10)的倾斜安装角度为0°～180°。

4.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于：在第二支架(1C)上设置有多个红外热成像仪(10)。

5.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于：将工件位姿调节台(3)安装在变位机机构(4)上，使得被焊接工件具有多个自由度的位姿调节。

6.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于：能够用于观测直线焊缝焊接过程。

7.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于：能够用于观测平面曲线焊缝焊接过程。