CN112192028B - 一种适用于钛合金的激光热丝tig复合焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于钛合金的激光热丝TIG复合智能焊接系统，包括工业机器人、激光焊接头、TIG焊接电源、热丝电源、TIG焊枪、TIG填丝机构、填丝铜管、焊缝跟踪传感器、CCD相机、惰性气体保护气罩装置、交换机；工业机器与激光焊接头相连；TIG焊枪连接在焊枪角度调节机构上；焊枪角度调节机构与激光焊接头相连；TIG填丝机构固定在激光焊接头上；填丝铜管设置在TIG填丝机构下端，连接在激光焊接头上；焊缝跟踪传感器与填丝铜管调节机构相连；CCD相机与焊缝跟踪传感器相连；惰性气体保护气罩装置与直线调节机构相连；工业机器人通过交换机与TIG焊接电源、热丝电源、焊缝跟踪传感器、激光焊接头相连；本系统适应钛合金焊接。
Description
技术领域
本发明属于机器人智能焊接技术领域，特别是一种适用于钛合金的激光热丝TIG复合智能焊接系统。
背景技术
钛是20世纪中期迅速发展起来的一种重要结构金属，因其密度低、强度高、耐热和耐蚀等优点，在提高结构效率、改善零件可靠性以及减轻装备质量等方面具有其他金属无法替代的优势。目前，钛合金已被广泛用于航空航天、船舶工业、化学工业以及医疗器械等领域。但是，钛合金的化学性质活泼，极容易与周围环境发生冶金反应，引起裂纹、气孔和焊接接头脆化等问题，传统的焊接技术由于焊接速度慢，焊接质量难以保证且返工率高，很难满足现代工业对钛合金装备制造的发展要求。
激光电弧焊将电弧焊与激光焊进行融合，具有增大焊接熔深、高效节能、减少缺陷、改善成型等优势，是最有发展前景的先进高效焊接方法之一，其中激光-TIG电弧复合焊接过程平稳，电弧稳定性好，在铝合金焊接上易获得良好的焊缝成形。但是针对钛合金，激光-TIG电弧复合焊接存在一定弊端，目前基本处于实验室研究阶段，没有在市场上得到广泛应用，主要体现在以下几个方面：(1)目前激光-TIG电弧复合焊接中基本采用冷丝填充，熔敷效率低、焊接速度慢、热影响区大、焊接道次多，易导致较大的焊接应力和残余变形；(2)在进行钛合金焊接过程中，焊接完成的钛合金由于温度没有完全冷却且无惰性气体保护与周围环境发生冶金反应，影响焊接质量；(3)激光-TIG电弧复合焊接需要对焊接装备的精度要求很高，同时对焊接工件的变形具备高精度的适应性；(4) 激光脉冲能量、激光离焦量、光丝间距、光丝角度以及焊接速度等工艺参数是影响激光 -TIG电弧复合焊接质量的主要因素，目前市场中的激光复合头基本是针对某种特定金属 (如铝合金)定制化设计，无法调节光丝间距、光丝角度等参数，通用性差；(5)激光 -TIG电弧复合焊接能量高、速度快，无法直接观察熔池及焊接过程状态，无法实时监测焊接过程质量。CN110756995A中仅仅公开了一种多自由度调节激光电弧复合焊枪结构，为单纯的激光和电弧焊枪的结合，并未给出复合机器人激光热丝的焊接系统，也没有其他焊接过程的跟踪装置及相应的位置调节装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于钛合金的激光热丝TIG复合智能焊接系统，以适应钛合金不同工艺条件下的复合焊接状态。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种适用于钛合金的激光热丝TIG复合智能焊接系统，包括工业机器人、激光焊接头、TIG焊接电源、热丝电源、TIG焊枪、TIG填丝机构、填丝铜管、焊缝跟踪传感器、 CCD相机、惰性气体保护气罩装置、交换机；
所述工业机器通过激光焊接头安装架与激光焊接头相连，实现对激光焊接头的控制移动；所述填丝铜管和TIG焊枪分别位于激光焊接头的两侧；所述TIG焊枪连接在焊枪角度调节机构上；所述焊枪角度调节机构通过直线调节机构与激光焊接头相连，直线调节机构用于调整TIG焊枪在X、Y、Z轴方向的位置，焊枪角度调节机构用于调整TIG 焊枪的偏转角度；所述TIG填丝机构通过TIG填丝机构安装架固定在激光焊接头上；所述填丝铜管设置在TIG填丝机构下端，且通过填丝铜管调节机构连接在激光焊接头上，填丝铜管调节机构用于填丝铜管在垂直于焊接方向及角度的调节；所述焊缝跟踪传感器通过焊缝跟踪传感器安装架与填丝铜管调节机构相连；焊缝跟踪传感器安装架用于焊缝跟踪传感器在垂直于焊接工件高度方向的调节；所述CCD相机通过CCD相机安装架与焊缝跟踪传感器相连，CCD相机安装架用于调节CCD相机相对熔池的焦距；所述惰性气体保护气罩装置与直线调节机构相连，可随TIG焊枪一起移动；所述工业机器人通过交换机与TIG焊接电源、热丝电源、焊缝跟踪传感器、激光焊接头相连；TIG焊接电源通过TIG电极焊耙线与TIG焊枪相连，通过TIG地耙线与焊接工件相连；热丝电源通过热丝电极焊耙线与TIG填丝机构相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明采用可调节式柔性复合焊矩设计，可以较大幅度地调节TIG焊枪(非熔化极)、填丝铜管、焊缝跟踪传感器、熔池观测CCD相机之间的位置及角度，而且可以高精度的调节光丝间距、光丝角度等参数，可适应钛合金不同工艺条件下的复合焊接状态，通用性好。
(2)本发明采用工业机器人、焊缝跟踪传感器等高精度智能设备，解决了激光-TIG电弧复合焊接的高精度要求，同时对焊接工件的变形具备高精度的适应性，提高焊接质量。
(3)本发明通过在可调节式柔性复合焊矩上加入惰性气体保护气罩装置，可以在钛合金焊接过程中长时间处于气体保护状态，避免焊接完成的钛合金由于温度没有完全冷却而发生氧化，进一步提高焊接质量。
(4)通过在可调节式柔性复合焊矩上加入熔池观测CCD相机，可以在高速焊接过程中观测及记录熔池状态，实时监测焊接过程质量；采用激光热丝TIG复合焊接方式，通过热丝电源对焊丝进行提前预热，提高焊丝的熔敷速度，降低焊接应力和残余变形，达到高速高效焊接效果。
附图说明
图1为本发明一种适用于钛合金的激光热丝TIG复合智能焊接系统图。
图2为本发明可调节式柔性复合焊矩结构图。
图3为本发明X、Y、Z轴三方向调节机构及TIG焊枪角度调节机构结构图。
图4为本发明填丝铜管调节机构及可调式焊缝跟踪传感器安装架结构示意图。
图5为本发明可调式熔池观测CCD相机安装架结构示意图。
图6为本发明惰性气体保护气罩装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1、图2，本发明的一种适用于钛合金的激光热丝TIG复合智能焊接系统，包括工业机器人1、激光焊接头19、TIG焊接电源5、热丝电源16、TIG焊枪7、TIG 填丝机构17、填丝铜管12、焊缝跟踪传感器15、CCD相机14、惰性气体保护气罩装置4、数据通讯总线20、交换机21；
所述工业机器1末端设有转接法兰22，所述激光焊接头19上固定有激光焊接头安装架23；工业机器1通过转接法兰22与激光焊接头安装架23相连，实现工业机器1 对激光焊接头19的控制移动；所述填丝铜管12和TIG焊枪7分别位于激光焊接头19 的左右两侧；所述TIG焊枪7连接在焊枪角度调节机构上；所述焊枪角度调节机构通过直线调节机构与激光焊接头19相连，直线调节机构用于调整TIG焊枪7在X、Y、Z 轴方向的位置，焊枪角度调节机构用于调整TIG焊枪7的偏转角度。所述TIG填丝机构17通过TIG填丝机构安装架33固定在激光焊接头19上。所述填丝铜管12设置在 TIG填丝机构17下端，且通过填丝铜管调节机构30连接在激光焊接头19上，填丝铜管调节机构30用于填丝铜管12在垂直于焊接方向及角度的调节。所述焊缝跟踪传感器 15通过焊缝跟踪传感器安装架32与填丝铜管调节机构30相连；焊缝跟踪传感器安装架 32用于焊缝跟踪传感器15在垂直于焊接工件高度方向的调节。所述CCD相机14通过 CCD相机安装架31与焊缝跟踪传感器1相连，CCD相机安装架31用于调节CCD相机相对熔池9的焦距，从而获取更清晰的熔池图像。所述惰性气体保护气罩装置4与直线调节机构相连，可随TIG焊枪7一起在X、Y、Z轴方向移动。所述工业机器人1通过交换机21及数据通讯总线20与TIG焊接电源5、热丝电源16、焊缝跟踪传感器15、激光焊接头19相连，保证激光热丝TIG复合智能焊接系统数据互联互通；TIG焊接电源通过TIG电极焊耙线3与TIG焊枪7相连，通过TIG地耙线6与焊接工件11相连；热丝电源16通过热丝电极焊耙线18与TIG填丝机构17相连。
结合图2、图3，所述直线调节机构包括X轴方向调节机构25、Y轴方向调节机构 26、Z轴方向调节机构27；所述X轴方向调节机构、Y轴方向调节机构、Z轴方向调节机构结构相同，均包括轴承支撑座41、固定板43、调节丝杠42、滑块44、导向杆45；所述固定板43两端分别固定有轴承支撑座41，所述调节丝杠42两端通过轴承支撑座 41进行支撑；所述滑块44与调节丝杠41螺纹连接；两个轴承支撑座41之间设有导向杆45，所述导向杆45穿过滑块44，以对滑块44进行导向；所述X轴调节机构的固定板43通过连接板47与Y轴调节机构的滑块44相连；所述Z轴调节机构的固定板43 与X轴调节机构的滑块44相连；所述调节丝杠42上设有旋钮46，以转动旋钮46带动调节丝杠旋转。
所述焊枪角度调节机构包括精密手动角位移调整结构51和角位移安装结构52；所述精密手动角位移调整结构51与角位移安装结构52固定，所述角位移安装结构52与Z 轴调节机构的滑块44相连；所述精密手动角位移调整结构51对电弧焊枪组件2的两个方向上角度姿态进行精确调整。精密手动角位移调整结构51可采用CN110756995A方案。
结合图4，所述填丝铜管调节机构30包括填丝软管支架301、填丝铜管调节套筒机302、填丝软管303；所述填丝软管支架301位于TIG填丝机构17下方，通过螺丝与激光焊接头192相连，采用倒U形设计，便于填丝软管303穿入；所述填丝铜管调节套筒 302采用中空设计，填丝铜管12插入后使用锁紧螺丝进行锁紧，可手动调节填丝铜管12垂直于焊接方向高度，同时其上端与填丝软管支架301转动连接，并通过压紧螺丝与填丝软管支架301固定，可实现其角度方向的手动调节；填丝软管303用于TIG填丝机构17与填丝铜管12的连接，保护热丝的顺畅输送。
进一步的，所述焊缝跟踪传感器安装架32包括滑块、导向块321、中间转接板322、U型支架323；所述导向块321上设有燕尾槽，所述焊缝跟踪传感器15与滑块通过螺丝固定(螺丝上套有绝缘套29)；滑块与燕尾槽配合，可沿导向块321上下滑动，可以柔性调节传感器15上下安装位置，通过螺丝锁紧进行固定；U型支架323通过螺丝与填丝软管支架301相连，与填丝软管支架301形成空槽，便于填丝软管303的穿入；导向块321通过中间转接板322与U型支架323连接，中间转接板322采用多安装孔阶梯结构，在高度方向设置多种安装孔，用于夹持调节机构321与U型支架323及夹持调节机构321的多档高度调节，以适应不同视场范围的焊缝跟踪传感器。
结合图5，所述CCD相机安装架31包括L型角度调节连接架314、移动滑台313、锁紧机构312、滑轨311；所述L型角度调节连接架314上端两侧通过压紧螺丝与焊缝跟踪传感器15安装孔连接，可实现其角度方向的手动调节，同时通过螺丝与移动滑台 313连接；所述CCD相机14通过螺丝与滑轨311固定(螺丝上套有绝缘套29)，所述移动滑台313与滑轨311通过燕尾槽结构的方式进行连接，可以调节柔性调节CCD相机沿安装架31上下方向的安装位置，通过锁紧机构312将移动滑台313与滑轨311进行固定，可以实现CCD相机准确焦距的调节从而获取更清晰的熔池图像。
结合图6，所述惰性气体保护气罩装置4包括储气装置34、气体缓冲器35、连接机构36和导气管37，装置整体焊接而成；连接机构36上端通过螺丝与Z轴方向调节机构27相连，可以随焊枪实现X、Y、Z三方向位置调节。连接机构36下端与储气装置 34固定。导气管37沿连接机构36连入气体缓冲器35；所述储气装置34内部设有空腔，气体缓冲器35位于储气装置34内部，与导气管37相导通，气体缓冲器35采用半圆球体设计，表面均匀密布吹气小孔，可以有效的将导气管37送入的直流气体进行缓冲，全方向均匀的吹入储气装置34内部；所述储气装置34，靠近熔池侧面采用半圆圆弧面结构，其靠近熔池侧面及底部均匀密布吹气小孔，可以更全面有效的保护熔池及焊接完成不久的钛合金金属。
Claims (1)
1.一种适用于钛合金的机器人激光热丝TIG复合智能焊接系统，其特征在于，包括工业机器人（1）、激光焊接头（19）、TIG焊接电源（5）、热丝电源（16）、TIG焊枪（7）、TIG填丝机构（17）、填丝铜管（12）、焊缝跟踪传感器（15）、CCD相机（14）、惰性气体保护气罩装置（4）、交换机（21）；
所述工业机器人 （1）通过激光焊接头安装架（23）与激光焊接头（19）相连，实现对激光焊接头（19）的控制移动；所述填丝铜管（12）和TIG焊枪（7）分别位于激光焊接头（19）的两侧；所述TIG焊枪（7）连接在焊枪角度调节机构上；所述焊枪角度调节机构通过直线调节机构与激光焊接头（19）相连，直线调节机构用于调整TIG焊枪（7）在X、Y、Z轴方向的位置，焊枪角度调节机构用于调整TIG焊枪（7）的偏转角度；所述TIG填丝机构（17）通过TIG填丝机构安装架（33）固定在激光焊接头（19）上；所述填丝铜管（12）设置在TIG填丝机构（17）下端，且通过填丝铜管调节机构（30）连接在激光焊接头（19）上，填丝铜管调节机构（30）用于填丝铜管（12）在垂直于焊接方向及角度的调节；所述焊缝跟踪传感器（15）通过焊缝跟踪传感器安装架（32）与填丝铜管调节机构（30）相连；焊缝跟踪传感器安装架（32）用于焊缝跟踪传感器（15）在垂直于焊接工件高度方向的调节；所述CCD相机（14）通过CCD相机安装架（31）与焊缝跟踪传感器（15）相连，CCD相机安装架（31）用于调节CCD相机相对熔池（9）的焦距；所述惰性气体保护气罩装置（4）与直线调节机构相连，可随TIG焊枪（7）一起移动；所述工业机器人（1）通过交换机（21）与TIG焊接电源（5）、热丝电源（16）、焊缝跟踪传感器（15）、激光焊接头（19）相连；TIG焊接电源通过TIG电极焊耙线（3）与TIG焊枪（7）相连，通过TIG地耙线（6）与焊接工件（11）相连；热丝电源（16）通过热丝电极焊耙线（18）与TIG填丝机构（17）相连；
所述惰性气体保护气罩装置（4）包括储气装置（34）、气体缓冲器（35）、连接机构（36）和导气管（37）；
所述连接机构（36）上端与直线调节机构相连；连接机构（36）下端与储气装置（34）固定；所述导气管（37）沿连接机构（36）连入气体缓冲器（35）；所述储气装置（34）内部设有空腔，气体缓冲器（35）位于储气装置（34）内部，与导气管（37）相导通，气体缓冲器（35）采用半圆球体设计，表面均匀密布吹气小孔；所述储气装置（34），靠近熔池侧面采用半圆圆弧面结构，且靠近熔池侧面及底部均匀密布吹气小孔；
所述焊缝跟踪传感器安装架（32）包括滑块、导向块（321）、中间转接板（322）、U型支架（323）；所述焊缝跟踪传感器（15）与滑块固定；滑块与导向块（321）滑动配合，可沿导向块（321）上下滑动，并通过螺丝锁紧进行固定；U型支架（323）与填丝铜管调节机构（30）相连；导向块（321）通过中间转接板（322）与U型支架（323）连接，中间转接板（322）采在高度方向设置多种安装孔，用于导向块（321）与U型支架（323）的多档高度调节；
所述CCD相机安装架（31）包括L型角度调节连接架（314）、移动滑台（313）、锁紧机构（312）、滑轨（311）；所述L型角度调节连接架（314）上端与焊缝跟踪传感器（15）转动连接并固定，同时与移动滑台（313）连接；所述CCD相机（14）与滑轨（311）固定，所述移动滑台（313）与滑轨（311）配合，通过锁紧机构（312）固定；
所述填丝铜管调节机构（30）包括填丝软管支架（301）、填丝铜管调节套筒机（302）、填丝软管（303）；所述填丝软管支架（301）位于 TIG填丝机构（17）下方，与激光焊接头（19）相连；所述填丝铜管（12）插入填丝铜管调节套筒机（302）并锁紧，填丝铜管调节套筒机（302）上端与填丝软管支架（301）转动连接并固定；填丝软管（303）用于TIG填丝机构（17）与填丝铜管（12）的连接；
所述焊缝跟踪传感器（15）与滑块通过螺丝固定，螺丝上套有绝缘套；
所述U型支架（323）通过螺丝与填丝软管支架（301）相连，与填丝软管支架（301）形成空槽；
所述CCD相机（14）通过螺丝与滑轨（311）固定，螺丝上套有绝缘套；
所述移动滑台（313）与滑轨（311）通过燕尾槽结构的方式进行连接；
所述直线调节机构包括X轴方向调节机构（25）、Y轴方向调节机构（26）、Z轴方向调节机构（27）；所述X轴方向调节机构、Y轴方向调节机构、Z轴方向调节机构结构相同，均包括轴承支撑座（41）、固定板（43）、调节丝杠（42）、滑块（44）、导向杆（45）；所述固定板（43）两端分别固定有轴承支撑座（41），所述调节丝杠（42）两端通过轴承支撑座（41）进行支撑；所述滑块（44）与调节丝杠（42）螺纹连接；两个轴承支撑座（41）之间设有导向杆（45），所述导向杆（45）穿过滑块（44），以对滑块（44）进行导向；所述X轴方向调节机构的固定板（43）通过连接板（47）与Y轴方向调节机构的滑块（44）相连；所述Z轴方向调节机构的固定板（43）与X轴方向调节机构的滑块（44）相连；所述调节丝杠（42）上设有旋钮（46），以转动旋钮（46）带动调节丝杠旋转。
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