CN110280872B - 应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法，方法包括：S1、提供若干段拼接在一起Invar钢模具，Invar钢模具在焊缝边缘上表面有凸台；S2、在Invar钢模具的背面的焊缝处粘贴U形陶瓷衬垫；S3、采用K‑TIG深熔焊工艺对焊缝进行一次性焊透；在焊接过程中，对当前K‑TIG焊枪的焊接轨迹以及焊接角度进行实时修正；S4、焊接完成后，揭掉U形陶瓷衬垫，并对焊缝上表面进行打磨。本发明可以实现大尺寸分段加工模具型面的一次性连续焊接成形，有效的提高了焊接效率和焊接质量。

Description

应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法

技术领域

本发明涉及模具制造，尤其是应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法。

背景技术

由于复合材料具有高比刚度、高比强度、重量轻以及抗疲劳、耐腐蚀等优点在飞机结构件制造得到越来越多地应用，且零件尺寸也越来越大越长，如A350飞机机翼壁板使用全复材结构，单侧机翼长度近30米。随着飞机上使用复合材料零件的数量和尺寸规格的增大，对制备复合材料的成型模具提出了更高的要求：良好的成形和尺寸稳定性，结构重量轻，低的热膨胀系数，模具表面气密性良好，热循环服役条件下长寿命等。综合考虑目前最适合的复合材料成型模具材料是Invar钢合金，该模具一般采用框架式结构焊接制造，其中型面厚度约8mm-12mm厚。

大型客机机身或机翼壁板成型用Invar钢(殷瓦合金，也称为殷钢)模具尺寸过大，一方面对模具装夹定位及加工设备要求过高，另一方面，运输难度及运输成本过大，因此最合适的方法是对模具进行分段加工后运输到客户现场焊接拼装，要求焊缝具有良好的气密性以及较低的焊接变形以免影响整体模具的尺寸精度。

目前，常规的氩弧焊和气体保护焊接方法加工存在模具型面较厚需要填丝多层多道焊，焊接效率低，焊接需要控制层间温度等待时间长，焊接变形大需要焊后进行热处理，且手工焊接时易出现气孔缺陷等问题。另外，由于该大型模具需要在客户现场进行焊接拼装，因此对焊接装备要求具有一定的可移动性，而大功率的电子束焊接和激光焊接装备无法满足要求。为解决上述问题，必须研发新的焊接方法以及相应的焊接装备，可以实现分段模具单次单道自熔化焊接需要，在满足整体模具的气密性和尺寸精度要求前提下，提高焊接效率和降低焊接成本。

发明内容

本发明提供了一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，所述Invar钢模具的表面为弧面，所述自动焊接装备包括：

移动支架，移动支架安装在Invar钢模具的上表面或者安装在Invar钢模具一侧的地面上，该移动支架与Invar钢模具中的焊缝平行设置；

行走机构，所述行走机构滑动安装在所述移动支架上；

焊接设备主体，所述焊接设备主体固定在所述行走机构上，该焊接设备主体设置有一万向吊臂，在所述万向吊臂的末端且位于所述焊缝的正上方设置有视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG(Keyhole TIG)焊枪，所述K-TIG焊枪安装在焊接头调节机构上；

控制装置，所述控制装置与行走机构、视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG焊枪相连。

进一步的，位置角度传感器设置有两个测距激光头，该两个测距激光头用于同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面；

K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方。

进一步的，所述控制装置搭载有修正系统，所述修正系统与视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构相连。

同时本发明还提供了一种大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，包括如下步骤：

S1、提供若干段拼接在一起的弧面大尺寸Invar钢模具，所述Invar钢模具在靠近拼接处焊缝的边缘上表面有凸台；

S2、在Invar钢模具的背面的焊缝处粘贴U形陶瓷衬垫，所述焊缝位于U形陶瓷衬垫的中心；

S3、采用K-TIG深熔焊工艺对焊缝进行一次性焊透；在焊接过程中，实时采集焊缝的图像并进行图像处理后生成前方未焊接焊缝的轨迹，根据轨迹对当前K-TIG焊枪的焊接轨迹进行实时修正，以及，通过位置角度传感器测算出当前K-TIG焊枪与Invar钢模具上表面之间的夹角，根据当前夹角来对K-TIG焊枪的焊接角度进行实时修正；

S4、焊接完成后，揭掉U形陶瓷衬垫，并对焊缝上表面进行打磨以磨掉凸台等多余材料，使得Invar钢模具的焊接面趋于平整。

进一步的，待焊接的Invar钢模具厚度为8mm-12mm。

进一步的，在步骤S1中，所述凸台一体加工在所述Invar钢模具边缘。

进一步的，凸台的宽度为4-6mm、高度为1mm-2mm。

进一步的，步骤S3中，通过位置角度传感器测算出当前K-TIG焊枪与Invar钢模具上表面之间的夹角步骤包括：

利用两个测距激光头同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面，两束激光接触工件后分别计算两个测距激光头与对应Invar钢模具上表面的激光照射点之间的距离a和b，根据夹角α以及a、b距离利用余弦定理计算第一激光束与Invar钢模具表面之间的夹角β；

其中，K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方。

本发明具有的优点和有益效果：

1)模具在现场组装焊接，便于加工制造，同时降低了运输成本；

2)焊接装置可拆装，便于维护及运输；

3)可以实现大尺寸分段加工模具型面的一次性连续焊接成形，有效的提高了焊接效率和焊接质量；

4)通过焊缝跟踪器以及焊枪位置传感器可以实现焊缝的准确定位、焊接过程钨极跟零件距离和焊接角度的精确控制；

5)使用K-TIG匙孔深熔焊方法，不需要添加焊丝，焊接过程控制更为稳定；

6)模具表面增加凸台，避免焊接焊缝表面塌陷需要填丝补焊增加了工序，而仅需铣切或打磨去除凸台；

7)焊接热输入小，避免模具拼接变形，无需后续热处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备的部件连接图；

图2为位置角度传感器的工作原理图；

图3为当前采用K-TIG深熔焊工艺焊接完成后的截面图；

图4-6为采用本发明的焊接方法流程图；

图7为采用本发明提供的焊接方法的Invar钢焊缝金相图。

图8为采用本发明提供的焊接方法的焊缝断口扫描图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，所述Invar钢模具的表面为弧面，所述自动焊接装备包括：

移动支架，移动支架安装在Invar钢模具的上表面或者安装在Invar钢模具一侧的地面上，该移动支架与Invar钢模具中的焊缝平行设置；

行走机构20，所述行走机构20滑动安装在所述移动支架上；

焊接设备主体，所述焊接设备主体固定在所述行走机构20上，该焊接设备主体设置有一万向吊臂，在所述万向吊臂的末端且位于所述焊缝的正上方设置有视觉检测装置30、位置角度传感器40、焊接头调节机构50、K-TIG焊枪60，所述K-TIG焊枪60安装在焊接头调节机构50上；

控制装置10，所述控制装置10与行走机构20、视觉检测装置30、位置角度传感器40、焊接头调节机构50、K-TIG焊枪60相连。

在一可选的实施例中，位置角度传感器40设置有两个测距激光头，该两个测距激光头用于同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面；K-TIG焊枪60的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪60行进方向上位于当前K-TIG焊枪60焊接点的前方。如图2所示。

由于Invar钢模具的焊缝在实际情况中并不是一条完美的直线，因此焊接轨迹贴合实际焊缝轨迹显得尤为重要，这直接影响了后续焊接成形后整体钢材的强度。另一方面，由于Invar钢模具的表面为流线型的弧面，因此在焊接过程中，焊枪与零件表面的角度是在不断变化的，而K-TIG焊接工艺对焊接角度的要求非常高，如果不处于合适的焊接角度，也会对焊接成形后的零件整体强度造成负面影响。因此本发明在焊接设备主体上搭载了视觉检测装置30、位置角度传感器40。修正系统11根据视觉检测装置30、位置角度传感器40传输来的信号输入，进行相应的运算后，输出控制信号至焊接头调节机构50，一方面根据前方焊缝的轮廓来调整焊接轨迹，使得焊枪的焊接轨迹与焊缝轨迹完美贴合进而提高焊接效果；另一方面通过计算得出的当前焊接角度并实时对焊接角度进行微调，使得焊枪始终以较佳的角度来进行焊接，从而进一步提升焊接效果。

下面对视觉检测装置30的工作原理进行简单的介绍：视觉检测装置30为高精度工业相机，在焊接过程中进行实时拍摄，由于Invar钢模具边缘处的焊缝与Invar钢模具表面存在显著差别，在进行相应的图像识别和处理后，可以生成与焊缝相一致的焊缝轨迹。修正系统11以该焊缝轨迹为依据，合理控制焊接头调节机构50，使得K-TIG焊枪60的焊接轨迹尽可能与焊缝轨迹重合，进而提高焊接效果。

下面对位置角度传感器40的工作原理进行简单的介绍：位置角度传感器40包含有两个测距激光头，两个测距激光头可以同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面，两束激光接触工件后可以分别计算两个测距激光头与对应Invar钢模具上表面的激光照射点之间的距离a和b，根据夹角α以及a、b距离利用余弦定理计算第一激光束与Invar钢模具表面之间的夹角β。如图2所示。其中，K-TIG焊枪60的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪60行进方向上位于当前K-TIG焊枪60焊接点的前方。

同时本发明还提供了一种大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，如图4-6所示，包括如下步骤：

S1、提供若干段拼接在一起的弧面大尺寸Invar钢模具100，所述Invar钢模具100在靠近拼接处焊缝的边缘上表面有凸台101；

S2、在Invar钢模具的背面的焊缝处粘贴U形陶瓷衬垫203，所述焊缝位于U形陶瓷衬垫203的中心，如图4所示；

S3、采用K-TIG深熔焊工艺对焊缝进行一次性焊透；在焊接过程中，实时采集焊缝的图像并进行图像处理后生成前方未焊接焊缝的轨迹，根据轨迹对当前K-TIG焊枪60的焊接轨迹进行实时修正，以及，通过位置角度传感器40测算出当前K-TIG焊枪60与Invar钢模具上表面之间的夹角，根据当前夹角来对K-TIG焊枪60的焊接角度进行实时修正；

S4、焊接完成后，如图5所示。之后揭掉U形陶瓷衬垫，对焊缝上表面进行打磨以磨掉凸台等多余材料200，使得Invar钢模具的焊接面趋于平整，如图6所示。

传统K-TIG匙孔深熔焊工艺中有一个缺陷，如图3所示，在焊接完成后，焊缝的背面会留下较大的断断续续的焊瘤210，一般并不会对其进行打磨处理。考虑到此情况，我们在焊接之前，先在焊缝背面贴上耐高温的U形陶瓷衬垫，可以有效避免焊料过度下漏，以保证背部成形良好。此外，K-TIG匙孔深熔焊工艺在焊接完成后，在焊缝的上表面一般会留下一个凹陷，如图3所示，该凹陷由于位于零件表面以下，无法进行打磨，通常做法是不进行处理或者进行回填，不进行处理会影响零件强度，进行回填的话则增加了工序，耗费成本。为了解决焊缝表面内凹的问题，在Invar钢模具靠近焊缝的边缘加工有凸台，用以抬高后续的焊缝凹陷，之后连同凸台一起打磨掉即可。

在本发明中，分段模具组合后采用K-TIG深熔焊方法进行自熔焊，焊缝一次性焊透，不需要添加焊丝。

在一可选的实施例中，待焊接的Invar钢模具厚度为8mm-12mm。

在一可选的实施例中，在步骤S1中，所述凸台101一体加工在所述Invar钢模具边缘。优选的，凸台101的宽度为4-6mm、高度为1mm-2mm。

在一可选的实施例中，步骤S3中，通过位置角度传感器40测算出当前K-TIG焊枪60与Invar钢模具上表面之间的夹角步骤包括：

利用两个测距激光头同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面，两束激光接触工件后分别计算两个测距激光头与对应Invar钢模具上表面的激光照射点之间的距离a和b，根据夹角α以及a、b距离利用余弦定理计算第一激光束与Invar钢模具表面之间的夹角β。其中，K-TIG焊枪60的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪60行进方向上位于当前K-TIG焊枪60焊接点的前方。

下面列举一具体实施例进行说明：Invar钢厚度为10mm，使用K-TIG焊接工艺，实现单层焊缝不填丝一次性焊透，焊接参数为：焊缝间隙为0mm，焊接电流为450A，焊接速度为235mm/min，电弧长度为1.5mm，保护气Ar流量为30L/min。焊接后焊缝内无气孔和裂纹等缺陷(图7)，焊缝拉伸强度达到母材强度的99.76％，延伸率为31.03％，焊接性能优异。焊缝断口区域出现了大量的韧窝和缩孔，为典型的韧性断裂，表明接头具有较好的塑性(图8)。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，所述Invar钢模具的表面为弧面，其特征在于，所述自动焊接装备包括：

移动支架，移动支架安装在Invar钢模具的上表面或者安装在Invar钢模具一侧的地面上，该移动支架与Invar钢模具中的焊缝平行设置；

行走机构，所述行走机构滑动安装在所述移动支架上；

焊接设备主体，所述焊接设备主体固定在所述行走机构上，该焊接设备主体设置有一万向吊臂，在所述万向吊臂的末端且位于所述焊缝的正上方设置有视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG焊枪，所述K-TIG焊枪安装在焊接头调节机构上，位置角度传感器设置有两个测距激光头，该两个测距激光头用于同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面，K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方；

控制装置，所述控制装置与行走机构、视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG焊枪相连，通过位置角度传感器测算出当前K-TIG焊枪与Invar钢模具上表面之间的夹角步骤包括：利用两个测距激光头同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面，两束激光接触工件后分别计算两个测距激光头与对应Invar钢模具上表面的激光照射点之间的距离a和b，根据夹角α以及a、b距离利用余弦定理计算第一激光束与Invar钢模具表面之间的夹角β；

其中，K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方。

2.如权利要求1所述的应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，其特征在于，所述控制装置搭载有修正系统，所述修正系统与视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构相连。

3.一种大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、提供若干段拼接在一起的弧面大尺寸Invar钢模具，所述Invar钢模具在靠近拼接处焊缝的边缘上表面有凸台；

S2、在Invar钢模具的背面的焊缝处粘贴U形陶瓷衬垫，所述焊缝位于U形陶瓷衬垫的中心；

S3、采用K-TIG深熔焊工艺对焊缝进行一次性焊透；在焊接过程中，实时采集焊缝的图像并进行图像处理后生成前方未焊接焊缝的轨迹，根据轨迹对当前K-TIG焊枪的焊接轨迹进行实时修正，以及，通过位置角度传感器测算出当前K-TIG焊枪与Invar钢模具上表面之间的夹角，根据当前夹角来对K-TIG焊枪的焊接角度进行实时修正；

S4、焊接完成后，揭掉焊缝背面的U形陶瓷衬垫，并对焊缝上表面进行打磨以磨掉凸台和多余材料，使得Invar钢模具的焊接面趋于平整；

步骤S3中，通过位置角度传感器测算出当前K-TIG焊枪与Invar钢模具上表面之间的夹角步骤包括：利用两个测距激光头同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面，两束激光接触工件后分别计算两个测距激光头与对应Invar钢模具上表面的激光照射点之间的距离a和b，根据夹角α以及a、b距离利用余弦定理计算第一激光束与Invar钢模具表面之间的夹角β；

其中，K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方。

4.如权利要求3所述的大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，其特征在于，待焊接的Invar钢模具厚度为8mm-12mm。

5.如权利要求3所述的大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，其特征在于，在步骤S1中，所述凸台一体加工在所述Invar钢模具边缘。

6.如权利要求3或5所述的大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，其特征在于，凸台的宽度为4-6mm、高度为1mm-2mm。

Images