CN1073903C - Co2气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊接设备 - Google Patents

Abstract

一种CO₂气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊设备，由窄间隙焊矩组件，全位置自动焊小车[7]及柔性环形自动焊轨道[10]，激光自动跟踪系统，前、后置焊矩电源[15][14]，前、后置焊矩送丝机构[17][16]和控制箱[18]所构成。窄间隙焊矩由前、后置一体式非均匀压缩窄间隙自动焊矩[1][2]或盖面焊道焊矩及其相应的CO₂气瓶[12][13]所组成，激光自动跟踪系统由激光传感器[9]、前置焊矩计算机图像处理及跟踪控制器[8]、跟踪执行机构[8]所构成。飞溅率低，生产率和可靠性高。

Description

CO2气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊接设备

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种窄间隙自动焊接设备。

气体保护熔化极电弧窄间隙焊接工艺及设备约占目前工业领域窄间隙焊接应用的90％。就黑色金属窄间隙焊接领域而言，以富氩混合气体保护(75％～80％A_r+20％～25％CO₂或内层保护用95％Ar+5％CO₂、外层保护用100％CO₂)应用最为广泛。富氩混合气体保护窄间隙焊接采用价格高的惰性气体且多元混合，工艺复杂且焊接成本高，同时由于该工艺一般采用射流过渡方式，即使同时应用了脉冲技术，也仅在平焊、横焊位置下稳定可靠，若不另外采用复杂的电弧摆动技术及其设备，则很难用于全位置条件下的窄间隙自动焊接；采用单一CO₂气体保护的实芯焊丝窄间隙焊接工艺及设备仅见过报道[(日《窄间隙焊接》)P₉₈～P₁₀₈,P₈₀～P₈₉]，但不能进行全位置焊接(仅用于平、立、横位置)；粗丝(φ1.6～Φ2.0)大电流的颗粒过渡必须采用类似埋弧焊的焊剂渣托或强迫成形方式来解决立焊和横焊的焊缝成形，同时为解决侧壁的均匀熔合问题采用的波浪焊丝、麻花焊丝等电弧自摆技术增加了设备的复杂性并降低了设备及工艺的可靠性。

本发明的目的在于研制一种既可采用廉价的单一活性气体(CO₂)作为保护介质，又能克服上述现有工业技术所存在的不足，并可进行全位置窄间隙自动焊接的设备。

本发明由窄间隙焊矩组件，全位置自动焊小车7及柔性环形自动焊轨道10，激光自动跟踪系统，前置焊矩电源15，前置焊矩送丝机构17，后置焊矩电源14，后置焊矩送丝机构16和控制箱18所构成。其窄间隙焊矩组件由前、后置一体式非均匀压缩窄间隙焊矩1、2和盖面焊道焊矩及其相应的CO₂气瓶12、13所组成。盖面焊道焊矩由导电咀21，圆形内喷咀22，椭圆形外喷咀23所构成。其全位置自动焊小车7安装在柔性(指覆盖管径范围)环形自动焊轨道10上，并可在动力驱动下沿轨道10运动，柔性环形自动轨道10由轨道本体、安装在轨道本体的齿圈、用于环形轨道与被焊管件(或筒体)外表面之间等距离调节与定位固定的径向可调节卡爪11所构成。其激光自动跟踪系统由激光传感器9、前置焊矩计算机图像处理及跟踪控制器19、二维跟踪执行机构8所构成，激光传感器9置于前置窄间隙焊矩1的前方并与其焊矩座固连，二维跟踪执行机构8固连在全位置自动焊小车7上、为双向运动机构(即焊缝横向调节和板厚方向调节)、且两个方向的跟踪调节均采用步进电机和螺纹传动机构，并采用刚性轨道固定导向，二维跟踪执行机构8的运动由计算机图像处理及跟踪控制器19给出控制信号及控制参数。其前置焊矩电源15和后置焊矩电源14采用表面张力过渡电源。其前置焊矩送丝机构17和后置焊矩送丝机构16选用四轮驱动送丝机构。其前置窄间隙焊矩1和后置窄间隙焊矩2安装在相应的焊矩座24上并且相互绝缘，两焊矩座24与激光自动跟踪二维执行机构8上的焊矩座连接板25相连接并与其绝缘。为了使前后置两焊矩的中心间距可连续调节，通过焊矩座连接板25上的可移动螺母(仅一只焊矩需要)移位来实现；为了使前、后置两焊矩前后倾角可调，焊矩座24与焊矩座连接板25设计成可绕O点相对旋转，调节时松开每只焊矩座上的三只螺栓，将焊矩座(与焊矩为一整体结构)绕O点向左(或向右)旋转(固定位置的螺栓在螺栓槽孔内滑动)某一β角后再紧定三只螺栓即可。

根据本发明制造的CO₂气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊设备，具有如下特点：

1．极低的飞浅率(通常小于2％，比富氩混合气体保护Ar+CO₂的实芯焊丝MAG焊降低30％～50％)，极其有利于高精度的自动化焊接，窄间隙条件下电弧工作高度稳定，焊矩工作可靠性高。

2．单一CO₂气体保护，工艺简化且焊接生产成本低廉。

3．无需采用渣托、强迫成形、电弧摆动等复杂技术，使工艺及设备的可靠性提高。

4．焊接线能量小，热影响区很窄，不存在热影响区脆化和裂纹缺陷。

5．多道多层的全位置自由成形焊接，焊缝一次组织细小，接头机械性能优良。

6．近似I型坡口，坡口加工量少且简单。

7．坡口间隙小，填充金属少，焊接生产率高。

8．焊接残余应力和残余变形小。

9．易于采用机器人。

10．焊接烟尘降低50％，光幅射，热幅射低(与MIG/MAG窄间隙焊相比)，焊接作业环境更趋绿色化。

11．焊道表面光滑，整洁，无需进行层道间的飞浅清理。

下面结合说明书附图及实施例对本发明作进一步描述。

附图1为CO₂气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊设备系统构成示意图。其中1、2为薄型一体式(即导气、水冷、导丝、导电一体)窄间隙焊矩，3、4为焊丝，16、17为送丝机构，12、13为CO₂气瓶，14、15为表面张力过渡电源，8为跟踪执行机构，9为传感器。19为计算机图像处理及跟踪控制系统，18为控制箱，7为全位置自动焊小车，10、11为自动焊轨道，6为根部成形垫，5为焊缝，20为工件坡口。V_m表示焊接速度及焊接方向。

附图2为盖面、次盖面焊道焊矩横截面结构示意图。

附图3为前置焊矩1(用实线)、后置焊矩2(用虚线)焊道分工示意图。α₁为前置焊矩中焊丝3与中轴线的夹角，α₂为后置焊矩中焊丝4与中轴线的夹角，α₁=α₂，一般为6°～12°。α₁、α₂即焊丝偏角。

附图4为实施例的焊接坡口尺寸(虚线)及焊道熔敷顺序示意图(每层两道)。两侧的坡口角度均为1°～2°。

附图5为全位置自动焊环形轨道示意图。

附图6为实施例的焊缝外观照片。

附图7为双焊矩安装、连接和焊矩倾角β调节机构示意图。图中24为焊矩座，25为两个相互绝缘的焊矩座连接板，该连接板与跟踪执行机构之间绝缘并固连。维修或更换焊矩时，只需把每只焊矩座上的三个螺栓松开即可快速卸下焊矩。26为每只焊矩座上的倾角β调节圆弧螺栓槽孔，调节时只需把每只焊矩座上的三只螺栓松开，即可围绕O点旋转β角后再紧定螺栓。

附图8为薄型一体式非均匀压缩电弧窄间隙焊矩横截面结构示意图。27为导电咀，28为循环水冷通道，29为保护气体通道，30为焊矩本体，31为绝缘涂层。

附图9为二维跟踪执行机构运动简图，32为焊矩高度调节步进电机，33为焊矩横向调节步进电机。

附图10为附图8所示焊矩的整体结构示意图。图中34为偏向导丝结构(见图11)，可用陶瓷制造。

附图11为垂直导入焊丝端部偏向示意图。

附图12为表面张力过渡电源的输出焊接电流波形示意图。

附图13为非均匀压缩后的电弧横截面形状及双电弧在坡口内的作用位置。35为前置后弧，36为后置电弧。

附图14为无根部成形衬垫时的焊接坡口尺寸。

附图15为全位置焊接时的焊接方向与焊矩倾角β示意图，V_w为焊接速度。

附图16为附图5所示全位置自动焊环形轨道的细部结构横截剖面图。图中3为轨道本体，38为环形齿圈，11为径向紧定调节夹爪。

本实施例采用φ1.0mm国产H08Mn₂Si镀铜实芯焊丝，电源为美国Lincoln公司生产的INVERTEC^TMSTT(即表面张力过渡)电源；送丝机构为LN-742型；保护气体为工业级CO₂气体，气体流量为20～25L/min；焊接速度一般为4～5mm/s；图4所示为板厚36mm时的坡口尺寸，试件材料为16Mn；采用立向下(图15)后倾法焊接。

在本实施例中，电弧3、4分别由两台表面张力过渡电源14、15独立供电；由两台四轮驱动送丝机构16、17分别送丝；板厚大于20mm的填充焊道焊接时采用一体式非均匀压缩窄间隙焊矩1、2；为解决盖面焊道和次盖面焊道的熔池可靠保护问题，进行该焊道焊接时需更换盖面焊道焊矩。其横截面结构示意图如图2所示。内喷咀22喷出的CO₂气体主要保护熔滴与熔池，外喷咀23喷出的气体主要解决盖面焊道高速焊接时的后拖保护问题，以防止空气对表层焊道焊缝金属的侵害。

实施例采用的表面张力过渡电源14和15是一种最新的电子逆变电源，它可以根据电弧的空间物理状态(如正常燃弧，熔滴逐渐长大使可见弧长降低，熔滴与熔池短路接触，熔滴出现缩颈等)，按实芯焊丝CO₂气体保护条件下的最低飞溅率，最稳定电弧工作需求，在10^-6秒内改变并输出最理想的焊接电流与焊接电压波形(即波形控制)。该电源只能应用在以低电流强度、低电弧电压为特征的短路过渡工艺，该工艺有利于全位置窄间隙焊接时的焊缝成形，但无电弧摆动，低热输入情况下，用于厚板焊接时两侧壁坡口的未熔合缺陷将不可避免，发明表面张力过渡技术的美国，仅把该技术应用在13mm以下的板厚范围内，也许正是由于该工艺只能采用短路过渡方式和采用弱规范的技术局限。为最大限度地继承表面张力过渡技术的优势(低飞溅率、高电弧稳定性)并应用于厚板窄间隙焊接领域，又同时克服该技术低热输入功率、低熔透能力的技术局限，本发明实施例中采用了下述技术方案：

1．垂直导入双丝端部偏向给送。现有表面张力过渡技术其最大输出功率时能同时解决厚板两侧壁均匀熔合的单道熔宽只有4～5mm。大厚板条件下若用4～5mm的极窄间隙，对于焊矩伸入坡口内的高可靠性窄间隙全位置自动焊而言，技术上极其困难(能同时解决大电流传导，可靠的保护气流导入，与两侧壁可靠绝缘，耐高温、高寿命的超薄型窄间隙焊矩，目前还难以制造)。采用垂直导入双丝端部偏向给送技术(见图3、图1)，可以在较窄间隙条件下(G=7～12mm)，无需任何电弧摆动技术，即可有效解决两侧壁的均匀熔合问题。即双丝分别由两套送丝机构送入坡口内两个窄间隙焊矩(间距为50～100mm)的垂直段导丝孔内，在窄间隙焊矩端部设有一倾斜(10°～12°)的偏向(焊矩1偏向坡口一侧，焊矩2偏向坡口另一侧)导丝结构34(见附图11)，使电弧的作用位置分别偏向坡口两侧(见附图3)，以保证侧壁的均匀熔合。

2．无摆动并向下后倾焊接法。为进一步克服表现张力过渡技术的低熔透能力不足，以确保填充焊道的层间和侧壁间的可靠熔合，通过窄间隙焊矩的倾角β调节(见附图7)，使焊丝立向下并后倾，焊接过程中电弧始终指向熔池，以增长电弧对熔池的作用时间并提高熔池的温度。

3．选用大脉冲幅比工艺规范。表面张力过渡电源输出的电流种类实际上为脉冲电流(见附图12)，尽可能选用大脉冲幅比(即I_p/I_b尽可能大)，一方面有利于全位置的焊缝成形，又同时利用大的脉冲峰值电流I_p持续期间的强大等离子流力加强对熔池的“挖掘”与“搅拌”作用，以提高熔透能力。为使焊接过程中的飞溅率尽可能小，基值电流I_b应适当低选(以60A～80A为宜)；峰值电流I_p宜选择电流的允许输出最大值(如480A)。

4．采用非均匀压缩电弧。附图8所示的一体式非均匀压缩窄间隙自动焊矩，由于保护气体仅从焊缝长度方向导入，即沿着焊缝长度方向的电弧两侧面受到具有良好热压缩作用的CO₂气体的较强热压缩，而焊缝宽度方向的电弧两侧面则压缩较弱，电弧35、36被非均匀的气流压缩成椭圆形(见附图13)，进一步提高了焊缝与两侧壁及每焊层两焊道间的熔合能力。

为确保根部全位置焊道单面焊双面成形质量，构件尺寸许可时，根部焊道可采用陶质熔剂衬垫。若管道直径小于1000mm时，也可采用附图14所示的根部坡口尺寸，可不用熔剂衬垫。

激光自动跟踪系统是本发明中极其重要的自动控制系统，因为狭窄坡口内的扁平焊矩与工件坡口侧壁间距只有0.5mm左右，诸多干扰都有可能使焊矩与侧壁接触，这将引起焊矩烧毁、焊接过程中断、焊缝熔入多量铜等严重缺陷及故障。当全位置焊接小车7沿环形轨道10运动时，激光传感器9将自动同时提取伸入坡口内的焊矩相对于两侧壁坡口的横向间距信号及相对于上一焊道表面的焊矩高度信号安装在传感器上的CCD摄像器、接口电路、计算机组成的采集系统提取的焊矩相对位置的二维图像，经过计算机图像处理后得到焊矩与现行两坡口侧壁的间距信号、焊矩相对于现行焊道表面的高度信号，并与给定值加以比较，当焊矩存在相对位置偏差时，计算机图像处理及跟踪控制器19将实时控制二维跟踪执行机构8自动消除偏差，以确保窄间隙焊矩在窄间隙坡口内安全可靠运行，其横向跟踪精度在±0.1mm以上，纵向(焊矩高度方向)跟跟踪精度可适当降低，如±0.5mm左右。实施例中的自动跟踪系统为自主开发的基于面阵CCD图像处理的边缘检测自适应控制系统。也可选用美国Jetline公司生产的JST-250-5x5光学跟踪装置。

Claims (2)

1．一种CO₂气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊设备，由窄间隙焊矩组件，全位置自动焊小车^[7]及柔性环形自动焊轨道^[10]，激光自动跟踪系统，前置焊矩电源^[15]，前置焊矩送丝机构^[17]，后置焊矩电源^[14]，后置焊矩送丝机构^[16]和控制箱^[18]所构成，其特征在于：

所述的窄间隙焊矩机构由前、后置一体式非均匀压缩窄间隙焊矩^[1][2]或盖面焊道焊矩及其相应的CO₂气瓶^[12][13]所组成，且盖面焊道焊矩由导电咀^[21]，圆形内喷咀^[22]，椭圆形外喷咀^[23]所构成；

所述的全位置自动焊小车^[7]安装在环形自动焊轨道^[10]上，并可在动力驱动下沿轨道^[10]运动，且环形自动轨道^[10]由轨道本体^[37]，安装在轨道本体^[37]上的齿圈^[38]，用于环形轨道且被焊管体/或筒体外表面之间等距离调节与定位固定的径向可调节卡爪^[11]所构成；

所述的激光自动跟踪系统由激光传感器^[9]、前置焊矩计算机图像处理及跟踪控制器^[19]，二维跟踪执行机构^[8]所构成，且激光传感器^[9]置于前置窄间隙焊矩^[1]的前方并与其焊矩座固连；二维跟踪执行机构^[8]固连在全位置自动焊小^[7]上，且为双向运动机构，其两个方向的跟踪调节均采用步进电机和螺纹传动机构并采用刚性轨道固定导向；二维跟踪执行机构^[8]的运动由计算机图像处理及跟踪控制器^[19]给出控制信号及控制参数；

所述的前置焊矩电源^[15]和后置焊矩电源^[14]采用表面张力过渡电源；

所述的前置焊矩送丝机构^[17]和后置焊矩送丝机构^[16]选用四轮驱动送丝机构；

所述的前置窄间隙焊矩^[1]和后置窄间隙焊矩^[2]分别安装在相互绝缘的焊矩座连接板^[25]上，且与激光自动跟踪二维执行机构^[8]绝缘并固连。

2．根据权利要求1所述的CO₂气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊设备，其特征在于：

所述的焊矩座^[24]与焊矩座连接板^[25]之间的连接通过可移动螺母可进行快速连接；焊矩及其焊矩座^[24]为一整体结构；通过焊矩座^[24]上设置的螺栓槽孔^[26]可实现焊矩^[1][2]前、后倾角β的调节。

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