CN106735736A - 一种手工焊接热输入测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手工焊接热输入测定装置及方法，测定装置包括焊炬端部分和焊机端部分，焊炬端部分包括锁紧对中结构件、设置在锁紧对中结构件上的惯性模块以及集成芯片；焊机端部分包括通信模块、数据采集模块及上位机。本发明测定方法：利用惯性模块采集焊条加速度和角速度信息，并通过集成芯片处理后传输给通信模块，通信模块将获得的数据传输给上位机；利用数据采集模块采集焊接电压和焊接电流信息，并将该信息传输给上位机；上位机通过计算获得热输入值。本发明的测定装置及方法，实现了手工焊的热输入自动实时测定，无需对焊缝进行人工测量，提高了生产效率和工件的焊接质量。

Description

一种手工焊接热输入测定装置及方法

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种手工焊接热输入测定装置及方法。

背景技术

目前在核电及压力容器行业，根据焊接标准要求，产品焊接所采用的焊接热输入(热输入＝焊接电压*焊接电流/焊接速度)必须在焊接工艺评定的覆盖范围内，以保证重要部件焊接接头质量处于受控状态。对于重要部件，通常需在焊接的全过程测定热输入。目前自动焊焊接可以实现焊接热输入值的自动测定，而对于手持焊炬的各焊接方法，焊接速度无法通过自动焊的类似齿轮齿条传动结构计算得出，焊接速度完全取决于焊工自身手法，所以行业普遍采用的做法是：

焊接同时，人工秒表计时或焊机计时，并记录焊接电压、电流，焊后人工测定焊缝长度以计算平均热输入。

以AP1000核电工程的钢制安全壳焊接为例，材质SA738B，厚度48，焊接方法为手工焊。为测定热输入，每一焊工配有一名技术员，根据焊接工艺规程，技术员设定并记录焊机的电压U和电流设定值I，在焊工起弧焊接时秒表开始计时，在焊工焊完单根焊条后再次计时，得到本次焊接时间t，在焊工更换焊条时，测定本次焊接的焊缝的长度L,此时根据焊接热输入公式Heat input＝k*U*I/V＝U*I/(L/t),k热效率因子，即可得出热输入值。

这种方法的缺点在于效率低下，需要专人测长或计时，增加了人工成本，无法实现全过程的自动化，焊缝测长操作对焊工施焊有影响，比如焊工一般力图保证焊接过程的连续，以避免熔池冷却产生焊接缺陷或增加打磨接头操作，因而解决效率和人工成本问题尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种手工焊接热输入的测定装置，能够自动检测焊缝的长度，实现手工焊热输入自动实时测定。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种手工焊接热输入测定装置，包括焊炬端部分和焊机端部分，焊炬端部分包括锁紧对中结构件、设置在锁紧对中结构件上、用于采集焊条加速度信息和角速度信息的惯性模块以及设置在锁紧对中结构件上、用于接收惯性模块传输加速度信息和角速度信息并将该信息处理后传输给焊机端部分的集成芯片；焊机端部分包括用于接收集成芯片输送的信息并将该信息传输给上位机的通信模块以及用于采集焊接所需电流信号和电压信号并将该电流信号和电压信号传输给上位机的数据采集模块。

进一步，所述惯性模块通过连接杆设置在锁紧对中结构件上，连接杆应与焊条共线或平行。

进一步，所述惯性模块包括惯性模块A和惯性模块B，惯性模块A和惯性模块B分别设置在连接杆的两端。

进一步，所述惯性模块A和惯性模块B分别由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成。

进一步，所述集成芯片包括AD转换器、信号处理器及信号接发器。

进一步，所述数据采集模块包括电流传感器和电压传感器。

本发明还提供一种手工焊热输入测定方法，包括如下步骤：

1)启动焊机，焊炬工作，利用惯性模块采集焊条加速度和角速度信息；利用数据采集模块采集焊接电压和焊接电流信息；焊机计时；

2)单次焊接完毕，惯性模块将持续时间内测得的数据经过集成芯片处理后，传输至通信模块；

3)通信模块和数据采集模块分别将获得的信息传输给上位机，上位机通过计算获得本次焊道的长度及热输入值。

进一步，在步骤1)之前，根据焊材厂家提供的焊材卡片或试验结果，在上位机上输入焊条的熔敷效率；根据焊接工艺规程，在上位机上输入所用焊条直径。

进一步，在步骤2)中，启动焊机时，要通过上位机检测是否起弧，待稳定起弧后，再进行加速度和角速度、焊接电压、焊接电流的测量。

本发明的有益技术效果在于：

本发明测定装置，通过设置焊炬端部分和焊机端部分，焊炬端部分进行数据采集，焊机端部分进行数据计算，从而能够自动检测焊缝的长度，实现手工焊热输入自动实时测定，无需对焊缝进行人工测长，降低了人力成本投入，提高了生产效率及重要部件的焊接质量控制水平。本发明测定方法，无需中断焊接操作，可适用于板、异型结构全位置焊接时热输入测定，简单易行。

附图说明

图1是本发明手工焊接热输入测定装置的结构示意图。

图中：

1-惯性模块A 2-连接杆 3-惯性模块B 4-锁紧对中结构件

5-集成芯片 6-焊炬 7-焊条 8-工件 9-上位机 10-电流

传感器 11-电压传感器 12-通信模块 13-焊机

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本发明提供的一种手工焊接热输入测定装置，包括焊炬端部分和焊机端部分。焊炬端部分固定在焊炬6上，用于测量空间点轨迹，焊机端部分固定在焊机13上，采集数据并进行热输入的计算。

焊炬端部分包括惯性模块A1、连接杆2、惯性模块B3、锁紧对中结构件4、集成芯片5。其中，锁紧对中结构件4固定在焊炬6上，连接杆2和集成芯片5固定在锁紧对中结构件4上，惯性模块A1和惯性模块B3固定在连接杆2的两端。

上述惯性模块A1和惯性模块B3均由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成，可分别输出焊条的加速度和角速度信息并将该信息传输给集成芯片5。需要说明的是，安装时，应保证各轴指向一致。

上述连接杆2，固定时，应保证与焊条7共线或平行，从而确保测量的准确性。

上述锁紧对中结构件4固定在焊炬6上，是根据具体焊钳尺寸定制塑料件或铸造轻质合金结构件，并通过粘结或卡箍的方式把其固定于焊炬6上。

上述集成芯片5包括AD转换器、信号处理器及信号接发器，用于接收惯性模块传输信息并将该信息经过AD转换器转换、信号处理器处理后、再通过信号接发器输送给焊炬端部分的通信模块12。

焊机端部分包括上位机9、通信模块12以及数据采集模块。

上述数据采集模块包括电流传感器10和电压传感器11，用于采集焊接所需电流信号和电压信号并将该信号传输给上位机9。

通信模块12，用于接收集成芯片5输送的信息并将该信息传输给上位机9。

上位机9，接收通信模块12传输的焊条加速度和角速度信息及数据采集模块传输的焊机焊接电压U、焊接电流I及焊接时间，然后在已知焊条直径d和熔敷效率因子F的条件下，通过热输入计算公式获得本次热输入值。

由此，本发明的测定装置，能够自动检测焊缝的长度，实现手工焊热输入自动实时测定。

本发明还提供一种热输入测定方法，包括如下步骤：

步骤1：根据焊材厂家提供的焊材卡片或试验结果，在上位机上输入焊条的熔敷效率。根据焊接工艺规程，在上位机输入所用的焊条直径d。

步骤2：清理待焊工件8表面/坡口以满足施焊要求。

步骤3：把焊炬端部分通过定位结构件4锁紧在焊炬6上，使连接杆2与焊条7保持共线或平行。

步骤4：把焊机端部分固定在焊机13上，焊机加电，焊机端部分随焊机启动，通过上位机9检测是否起弧，即是否有稳定连续的焊接电流。

步骤5：焊工起弧焊接，焊炬端部分的惯性模块A和惯性模块B在稳定起弧后开始工作，同时计时t0，分别记录两惯性模块的加速度和角速度；焊机端部分，在起弧后，测量焊接电压U、焊接电流I、持续时间t。

步骤6：熄弧，单次焊接完毕，即单根焊条可用部分熔化完毕或焊条熔化一定长度△Lc后中途停止。

步骤7：两惯性模块将t0至t时刻数据经过集成芯片5的滤波操作、A/D转化，通过有线或无线传输至焊机端通信模块12。

步骤8：焊机端通信模块12接收焊炬端部分传输的两套惯性模块测得的t时间内加速度和角速度数据。

步骤9：通过上位机9计算，可得出本次焊接的焊道长度和热输入值并显示。

由此，本发明测定方法，无需中断焊接操作，适用于板、管、异型结构全位置焊接时的热输入测定，解决了以往测定热输入需要人工测量焊缝长度或/和人工计时再计算热输入效率低下的弊端。

下面对惯性模块进一步说明：

惯性模块由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成，两者的结合可以在初始速度为0的条件下，通过积分运算，并由一定算法的滤波(如卡尔曼滤波)，可得出惯性模块的空间轨迹。对于焊接操作，由于起弧后，为了维持电弧稳定，焊条短时保持不动，即安装在焊炬上的惯性模块初始速度为0，故两套惯性模块点的空间轨迹可在上位机分别计算出来。

惯性模块在t1,t2,t3，…tn得到了加速度信号和角度信号，经上位机计算后，每一时刻的信号构成一个三维空间的点，顺序连接空间各点即构成一条空间折线。两套惯性模块采集的信号分别构成两组空间折线。以上空间折线需要进行曲线拟合计算，如最小二乘法，消除运行方式(摆动，8字法，Z字法)带来的影响。

由于两惯性模块间在结构上采用固定长度L1的连接杆，故任何同一时刻，两惯性模块所采集的信号构成的空间点之间的距离为固定值L1。根据以上描述，可计算由传感器数据得出的两空间轨迹某一时刻对应两点间距与L1方差最小情形，此时的解即为两空间折线的唯一空间相对位置。一般情况下，对于板或管对接焊缝，其焊缝中心面均为平面，通过拟合后的两空间曲线转化为平面中的两折线对应点的间距与L1方差最小问题，此时可大为降低计算量。

根据上述步骤，某一时刻的两惯性模块的相对空间位置可知，在t1时刻连接两空间点A1、B1点，得空间向量A1B1，此时焊条长度假设为Lr mm，由于两惯性模块连接杆与焊条平行，故电弧空间位置可由A1B1在向量方向上增加长度Lr计算得出，故此t1时刻的电弧位置可知。同理可计算tn时刻的电弧位置，连接每个时刻的电弧位置点，求和后即可得本次焊接焊道的长度L。焊接热输入＝k*U*I/V＝U*I/(L/t),k热效率因子，即可得出热输入值。

上述焊条长度Lr可由EN 1011-2公式推导得出，

Lc＝U*I*t*d²*F

Lc：熔化的焊条长度

D：焊条直径mm

F：熔敷效率因子kJ/mm³

U：焊接电压

I：焊接电流

t：焊接时间

上述公式可以计算焊接开始后至某一时刻，消耗的焊条长度Lc。故某一时刻焊条长度Lr＝L₀-Lc,L₀为原始焊条长度。

本发明的手工焊接热输入测定装置及测定方法，并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种手工焊接热输入测定装置，包括焊炬端部分和焊机端部分，其特征是：焊炬端部分包括锁紧对中结构件(4)、设置在锁紧对中结构件(4)上、用于采集焊条加速度信息和角速度信息的惯性模块以及设置在锁紧对中结构件(4)上、用于接收惯性模块传输加速度信息和角速度信息并将该信息处理后传输给焊机端部分的集成芯片(5)；焊机端部分包括用于接收集成芯片(5)输送的信息并将该信息传输给上位机(9)的通信模块(12)以及用于采集焊接所需电流信号和电压信号并将该电流信号和电压信号传输给上位机(9)的数据采集模块。

2.如权利要求1所述的一种手工焊接热输入测定装置，其特征是：所述惯性模块通过连接杆(2)设置在锁紧对中结构件(4)上，连接杆(2)应与焊条(7)共线或平行。

3.如权利要求1或2所述的一种手工焊接热输入测定装置，其特征是：所述惯性模块包括惯性模块A(1)和惯性模块B(3)，惯性模块A(1)和惯性模块B(3)分别设置在连接杆(2)的两端。

4.如权利要求3所述的一种手工焊接热输入测定装置，其特征是：所述惯性模块A(1)和惯性模块B(3)分别由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成。

5.如权利要求4所述的一种手工焊接热输入测定装置，其特征是：所述集成芯片(5)包括AD转换器、信号处理器及信号接发器。

6.如权利要求5所述的一种手工焊接热输入测定装置，其特征是：所述数据采集模块包括电流传感器和电压传感器。

7.利用如权利要求1-6任一项所述的测定装置进行热输入测定方法，包括如下步骤：

1)启动焊机(13)，焊炬(6)工作，利用惯性模块采集焊条加速度和角速度信息；利用数据采集模块采集焊接电压和焊接电流信息；焊机计时；

2)单次焊接完毕，惯性模块将持续时间内测得的数据经过集成芯片(5)处理后，传输至通信模块(12)；

3)通信模块(12)和数据采集模块分别将获得的信息传输给上位机(9)，上位机(9)通过计算获得本次焊道的长度及热输入值。

8.如权利要求7所述的热输入测定方法，其特征是：在步骤1)之前，根据焊材厂家提供的焊材卡片或试验结果，在上位机上输入焊条的熔敷效率；根据焊接工艺规程，在上位机上输入所用焊条直径。

9.如权利要求8所述的热输入测定方法，其特征是：在步骤2)中，启动焊机时，要通过上位机(9)检测是否起弧，待稳定起弧后，再进行加速度和角速度、焊接电压、焊接电流的测量。