CN108465961A - 一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，首先获取需要进行焊接的蒙皮法兰结构的直径、板厚，进而得到控制系统的焊接工艺参数、运动控制参数，然后将待焊的蒙皮法兰结构通过工装安装在龙门式操作架中，控制系统根据运动控制参数控制双专用焊接机头中的两个焊枪进行轨迹的试运行，得到待焊的蒙皮法兰结构轨迹偏移后，进而修正龙门式操作架中蒙皮法兰结构的装配位置，最后控制系统根据运动控制双专用焊接机头中的两个焊枪运动，同时根据焊接工艺参数控制两个对称的焊枪起弧进行蒙皮法兰环焊缝的焊接，焊接过程中，观测蒙皮法兰环熔池和焊缝对中情况，并实时调整焊枪的焊接轨迹，当蒙皮法兰结构焊接结束时，拆除工装。
Description
技术领域
本发明涉及航天器蒙皮法兰结构焊接技术领域，特别是一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法。
背景技术
在大型航天器密封舱体结构中，需焊接大量的薄壁蒙皮与法兰的焊缝，该类结构除对焊缝的性能和密封要求较高外，对结构尺寸精度指标要求也较高，需满足焊后组合加工和其它部件的安装要求。为满足未来高可靠、长寿命、轻量化航天器发展需求，要求航天器热控产品在轨无故障运行达到20年。受目前的通用设备及技术制约，目前仍采用手工焊氩弧焊方法，手工焊焊缝宽度大，焊缝内外部质量不稳定，容易出现气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，同时薄壁壳体焊接应力与焊接变形严重，无法满足蒙皮轮廓度与法兰夹角精度要求。我国航天器长期以研制生产为主，生产过程中诸多环节依赖于操作人员的手工操作和经验，各个车间均有“一把刀”、“一把枪”的优秀技能人才。技能型生产在造就了一批优秀的技能人员的同时也为后续的持续发展带来了隐患。以手工操作为主生产，产品质量因人员变动而呈现较大的浮动，而且由于个人情绪影响也容易发生低层次质量问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，有效减少焊后变形，提高的焊缝的质量，尤其针对大型密封舱体结构中蒙皮与法兰焊缝的焊接具有独特的优势。
本发明的技术解决方案是：一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，包括如下步骤：
(1)获取需要进行焊接的蒙皮法兰结构的直径、板厚，进而得到控制系统的焊接工艺参数、运动控制参数；焊接工艺参数包括焊接电流、送丝速度、保护气流量；运动控制参数包括双专用焊接机头运动方向、双专用焊接机头运动速度；其中，控制系统根据焊接工艺参数、运动控制参数控制焊接机头中的两个对称的等离子焊枪对蒙皮法兰结构进行对称焊接，焊接过程中双专用焊接机头中的焊枪和送丝机构能够实时进行独立于控制系统的调整；
(2)将待焊的蒙皮法兰结构通过工装安装在龙门式操作架中，控制系统根据运动控制参数控制双专用焊接机头中的两个焊枪进行轨迹的试运行，得到待焊的蒙皮法兰结构轨迹偏移后，进而修正龙门式操作架中蒙皮法兰结构的装配位置；
(3)控制系统根据运动控制双专用焊接机头中的两个焊枪运动，同时根据焊接工艺参数控制两个对称的焊枪起弧进行蒙皮法兰环焊缝的焊接，焊接过程中，观测蒙皮法兰环熔池和焊缝对中情况，并实时调整焊枪的焊接轨迹；
(4)当蒙皮法兰结构焊接结束时，拆除工装。
所述的双专用焊接机头中的焊枪采用柔性等离子弧焊接，双专用焊接机头中的焊枪配有正反螺纹滚珠丝杠，保证两个对称的焊枪适应蒙皮法兰结构直径的同步调整。
所述的双专用焊接机头还包括具有径向调节、角度调节、锁紧与升降功能的铣切机头，铣切机头采用高速干切削，并采用大功率吸尘器吸收蒙皮法兰焊口铣切时产生的切屑。
所述的双专用焊接机头中的两个焊枪对称布置，同时施焊，每把焊枪各焊接180度。
所述的焊枪为焊接专用机头中心，具有弧长自动控制、径向调节、锁紧、升降、倾斜功能，能够适应球状壳体上直径法兰在水平位置焊接。
所述的双专用焊接机头包括送丝调整机构，其调整过程与焊枪调整相互独立，实现对的送丝角度和入丝点的调整。
还包括设置在焊枪上的视频监视系统，实现对焊接熔池实时观测。
所述的控制系统采用主站+从站的分布式控制结构，在TwinCAT开发平台上编写焊接工艺控制程序，通过人机界面接口向主站发送控制命令或显示主站接收的焊接或运动参数反馈；主站完成控制指令的打包、发送、接收；从站包括运动实时控制模块、焊接工艺实时控制模块，运动实时控制模块使用 ErtherCAT协议，焊接工艺实时控制模块使用DeviceNet协议。
一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接系统，其特征在于：包括控制系统、双专用焊接机头、龙门式操作架，控制系统包括主站、从站，双专用焊接机头包括两个对称的等离子焊枪、铣切机头进行干切削，并吸收蒙皮法兰焊口铣切时产生的切屑、送丝调整机构进行送丝角度、入丝点的调整；
龙门式操作架，将待焊的蒙皮法兰结构通过工装安装在龙门式操作架中；
主站通过人机界面接口获取控制命令并显示接收到的焊接或运动参数反馈，将控制命令进行打包、发送至从站；
从站包括运动实时控制模块、焊接工艺实时控制模块，运动实时控制模块使用ErtherCAT协议接收运动控制参数，并根据运动控制参数控制焊接机头中的两个对称的等离子焊枪运动；
焊接工艺实时控制模块使用DeviceNet协议接收焊接工艺参数，并根据焊接工艺参数控制两个对称的等离子焊枪对蒙皮法兰结构进行对称焊接、铣切机头、送丝调整机构进行送丝角度和入丝点的调整。
一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接装置，包括存储器、处理器以及存贮在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一所述方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可满足蒙皮法兰结构焊缝高精度低应力焊接的要求，通过对称热源抵消应力，采用柔弧等离子增加电弧挺度，增加单位面积的电弧能量，减少焊缝热输入，可提高蒙皮法兰焊缝的焊接质量；
(2)本发明相对于传统的蒙皮法兰结构焊接，可以明显的降低焊缝焊后的应力水平和焊接变形，大大提高了焊缝的质量，尤其是球底蒙皮多法兰结构的整理变形量。
附图说明
图1为发明所述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接系统；
图2为发明所述的典型大型航天器蒙皮零件示意图；
图3为发明所述的控制系统总体结构图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足提出一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，有效减少焊后变形，提高的焊缝的质量，尤其针对大型密封舱体结构中蒙皮与法兰焊缝的焊接具有独特的优势。本发明系统如图1所示，采用两组机头对称布置，同时施焊，每把焊枪各焊接环焊缝的180度，减少由于热输入不对称导致的焊接变形，每组焊接机头以柔弧等离子焊枪为中心，进一步减少热输入，从而减少焊接变形，并且自动焊与手工焊相比能明显提高焊接质量。因此，针对载人后续任务中复杂薄壁密封舱体焊接需求，图2为发明所述的典型大型航天器蒙皮零件示意图，有必要开展宇航弱刚性壳体产品双对称热源自动焊工艺装备研制与相关工艺研究。
本发明采用柔性等离子弧焊接，减小焊接过程的热输入；通过双对称热源，减小焊接变形，适用于对称结构的焊缝，尤其是图2所示的筒体或球底中的蒙皮法兰结构环形焊缝。
本发明以大型重载龙门式操作架为基础，该旋转机头配有正反螺纹滚珠丝杠，保证双专用焊接机头的适应法兰盘直径的同步调整。铣切机头采用高速干切削方法，采用大功率吸尘器吸收蒙皮焊口铣切时产生的切屑，铣切机头具有径向调节、角度调节、锁紧与升降功能，以适应蒙皮孔的铣加工。
为进一步减少由于热输入不对称导致的焊接变形增加，采用两组机头对称布置，同时施焊，每把焊枪各焊接180度。每组焊接专用机头以等离子焊枪为中心，为解决电极烧损和电极安装不对称导致焊接电弧力热分布的不对称性问题，设计了焊枪独立旋转装置；焊接机头具有弧长自动控制功能。专用机头具有径向调节、锁紧、升降、倾斜功能，能够适应球状壳体上直径法兰在水平位置焊接；专用机头上，配有送丝机构，送丝的角度和送丝的入丝点对熔池的形态有着很大的影响，因此与焊枪的精细调整相适应，采用一套送丝前后和左右可以微调的微调整机构，其调整过程与焊枪调整相互独立。在专用焊接机头中焊枪前后，采用焊接电弧与熔池观测的视频监视系统对焊接熔池实时观测。
控制系统采用如图3的主站+从站的分布式控制结构，在TwinCAT开发平台上编写焊接工艺控制程序，通过人机界面接口向主站发送控制命令或显示主站接收的焊接或运动参数反馈。主站完成控制指令的打包、发送、接收等任务，协调处理相关参数，起总调控的作用。从站分为运动实时控制和焊接工艺实时控制两部以嵌入式PC和德国倍福E-bus模块组成硬件平台，构建了一套基于现场总线的变极性柔弧等离子弧自动化焊接控制系统，如图3为发明所述的控制系统总体结构图：利用ErtherCAT协议构建系统的运动控制平台，包括操作机运动伺服模块和变位机伺服模块两部分；利用DeviceNet协议构建系统的焊接工艺控制平台，包括送丝控制器、等离子焊接电源和弧长控制器三部分。
在运动控制平台上，建立空间笛卡儿三维坐标系，采用G代码命令输出，实现对于焊接空间轨迹的示教功能。在焊接工艺平台上，与变极性等离子焊接电源进行DeviceNet现场总线通信，控制送丝机输出，可以做起弧、焊接和停弧功能。基于TwinCAT软件平台，设计开发出焊接过程控制人机交互界面，可以对自动化焊接过程的焊接工艺参数、焊枪姿态和焊接轨迹进行实时控制与监测，完成柔弧等离子焊接的自动化控制。控制系统设置专门的起收弧程序，可以实现焊接过程的分时起收弧或同时起收弧，同时对于小尺寸法兰焊接，还具备焊接程序分段功能，保证热输入均匀。
本发明基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法工作流程如下：
(1)先根据所需要进行焊接的蒙皮法兰结构的直径、板厚等在控制系统进行参数设置，包括焊接工艺参数和运动控制参数；
(2)将待焊的蒙皮法兰结构用定制工装安装在大型龙门式操作架中，进行轨迹的试运行，发现轨迹偏移后进行装配位置修正；
(3)点击焊接启动按钮，进行两个对称等离子焊枪起弧进行蒙皮法兰环焊缝的焊接，焊接过程中，通过观测熔池和焊缝对中情况，实时进行焊接轨迹的微调；
(4)点击焊接停止按钮，拆除工装，完成焊接。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)获取需要进行焊接的蒙皮法兰结构的直径、板厚，进而得到控制系统的焊接工艺参数、运动控制参数；焊接工艺参数包括焊接电流、送丝速度、保护气流量；运动控制参数包括双专用焊接机头运动方向、双专用焊接机头运动速度；其中，控制系统根据焊接工艺参数、运动控制参数控制焊接机头中的两个对称的等离子焊枪对蒙皮法兰结构进行对称焊接，焊接过程中双专用焊接机头中的焊枪和送丝机构能够实时进行独立于控制系统的调整；
(2)将待焊的蒙皮法兰结构通过工装安装在龙门式操作架中，控制系统根据运动控制参数控制双专用焊接机头中的两个焊枪进行轨迹的试运行，得到待焊的蒙皮法兰结构轨迹偏移后，进而修正龙门式操作架中蒙皮法兰结构的装配位置；
(3)控制系统根据运动控制双专用焊接机头中的两个焊枪运动，同时根据焊接工艺参数控制两个对称的焊枪起弧进行蒙皮法兰环焊缝的焊接，焊接过程中，观测蒙皮法兰环熔池和焊缝对中情况，并实时调整焊枪的焊接轨迹；
(4)当蒙皮法兰结构焊接结束时，拆除工装。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于：所述的双专用焊接机头中的焊枪采用柔性等离子弧焊接，双专用焊接机头中的焊枪配有正反螺纹滚珠丝杠，保证两个对称的焊枪适应蒙皮法兰结构直径的同步调整。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于：所述的双专用焊接机头还包括具有径向调节、角度调节、锁紧与升降功能的铣切机头，铣切机头采用高速干切削，并采用大功率吸尘器吸收蒙皮法兰焊口铣切时产生的切屑。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于：所述的双专用焊接机头中的两个焊枪对称布置，同时施焊，每把焊枪各焊接180度。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于：所述的焊枪为焊接专用机头中心，具有弧长自动控制、径向调节、锁紧、升降、倾斜功能，能够适应球状壳体上直径法兰在水平位置焊接。
6.根据权利要求1或2述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于：所述的双专用焊接机头包括送丝调整机构，其调整过程与焊枪调整相互独立，实现对的送丝角度和入丝点的调整。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于：还包括设置在焊枪上的视频监视系统，实现对焊接熔池实时观测。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接方法，其特征在于：所述的控制系统采用主站+从站的分布式控制结构，在TwinCAT开发平台上编写焊接工艺控制程序，通过人机界面接口向主站发送控制命令或显示主站接收的焊接或运动参数反馈；主站完成控制指令的打包、发送、接收；从站包括运动实时控制模块、焊接工艺实时控制模块，运动实时控制模块使用ErtherCAT协议，焊接工艺实时控制模块使用DeviceNet协议。
9.一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接系统，其特征在于：包括控制系统、双专用焊接机头、龙门式操作架，控制系统包括主站、从站，双专用焊接机头包括两个对称的等离子焊枪、铣切机头进行干切削，并吸收蒙皮法兰焊口铣切时产生的切屑、送丝调整机构进行送丝角度、入丝点的调整；
龙门式操作架，将待焊的蒙皮法兰结构通过工装安装在龙门式操作架中；
主站通过人机界面接口获取控制命令并显示接收到的焊接或运动参数反馈，将控制命令进行打包、发送至从站；
从站包括运动实时控制模块、焊接工艺实时控制模块，运动实时控制模块使用ErtherCAT协议接收运动控制参数，并根据运动控制参数控制焊接机头中的两个对称的等离子焊枪运动；
焊接工艺实时控制模块使用DeviceNet协议接收焊接工艺参数，并根据焊接工艺参数控制两个对称的等离子焊枪对蒙皮法兰结构进行对称焊接、铣切机头、送丝调整机构进行送丝角度和入丝点的调整。
10.一种基于柔弧等离子的双对称热源焊接装置，包括存储器、处理器以及存贮在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一所述方法的步骤。
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