CN112548275B - 一种适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备，包括设置在每极纵骨处的自动焊接单元；自动焊接单元包括跟踪控制器、移动小车、安装于移动小车的激光跟踪器、焊枪、连接在焊枪和移动小车之间的角度调节机构、供给保护气体的气源、供给实心焊丝的供丝机构、以及机械跟踪机构，机械跟踪机构包括铰接于移动小车的安装架、固定于安装架且用于吸附腹板的第一侧面的第一磁铁、以及固定于移动小车且用于吸附面板的上平面的第二磁铁，激光跟踪器和角度调节机构中的调节驱动源都与跟踪控制器相连接。本申请采用实心焊丝结合保护气体的焊接工艺，结合激光跟踪和机械跟踪，实现高效率高质量焊接，满足甲板上多极纵骨角焊缝自动焊接的需求。

Description

一种适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备

技术领域

本发明涉及一种，特别是涉及一种适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备。

背景技术

在船舶的建造中，屈服强度≥590MPa的低合金高强钢是一种常用的船体结构用钢，比如：如图1所示，船舶的甲板10上焊接有多极纵骨20，多极纵骨20为高强度双头球扁钢，具有上下延伸的腹板21、以及设置在腹板21上端的面板22，腹板21的下端与甲板10焊接固定。

长期以来，船舶的建造时所采用的焊接方式是传统手工焊、埋弧焊焊接方法，技术相对成熟，但是存在焊接效率低下、焊接质量不稳定、焊接变形不可控、焊接损耗大等特点，严重制约了船舶的建造周期。尤其是对于甲板纵骨结构，即多极纵骨20与甲板10之间的焊接，为典型小焊脚双面连续角焊缝；若采用手工电弧焊接方法，焊接效率低下，焊接损耗严重，焊接质量不稳定；若采用埋弧焊接方式，焊接变形大，且只能单独完成一条角焊缝的焊接，焊接质量不可控；这些均造成了船舶分段建造效率低下的原因。

进一步地，在船舶的建造中，我们突破了屈服强度≥590MPa的低合金高强钢实心焊丝气体保护焊接技术，相对于手工焊和埋弧焊而言，气保焊具有良好的熔滴过渡特性，有利于控制焊缝的杂质元素含量，可以显著提高焊缝冲击韧性。气保焊不仅可大幅度提高焊接质量，还可以大幅度提高焊接效率；实心焊丝还可以实现高强钢不预热焊接，能够显著降低薄板焊接变形等。因此，实心焊丝气体保护焊是高强钢焊接的必要选择，是实现自动化焊接的唯一途径。

然而，多极纵骨20为屈服强度≥590MPa的低合金高强钢，由于屈服强度≥590MPa高强钢实心焊丝气保焊焊接工艺要求较高、焊接操作难度大，焊接时极易产生气孔、未熔合、裂纹等缺陷。同时，低合金高强钢的焊接对焊接质量要求较高，需要在焊接过程中对实现过程质量的管控。因此，急需研究新工艺、新装备技术，提升船舶建造水平。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备，实现多极纵骨的高质量全自动焊。

为实现上述目的，本发明提供一种适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备，用于将多极纵骨与甲板焊接，所述纵骨包括腹板和固设在腹板上端的面板，所述腹板在其宽度方向上的两侧面分别为第一侧面和第二侧面，所述面板的上端面为上平面，所述自动焊接装备包括设置在每极纵骨处的自动焊接单元、以及将多组自动焊接单元相连的连杆；

每组自动焊接单元都包括跟踪控制器、可沿纵骨延伸方向移动的移动小车、安装于移动小车的激光跟踪器、焊枪、连接在焊枪和移动小车之间的角度调节机构、向焊枪的喷嘴处供给保护气体的气源、向焊枪的喷出处供给实心焊丝的供丝机构、以及机械跟踪机构，所述机械跟踪机构包括铰接于移动小车的安装架、固定于安装架且用于吸附腹板的第一侧面的第一磁铁、以及固定于移动小车且用于吸附面板的上平面的第二磁铁，所述激光跟踪器和角度调节机构中的调节驱动源都与跟踪控制器相连接。

进一步地，每组自动焊接单元中，所述焊枪有两把、分别布置在腹板的第一侧面侧和第二侧面侧。

进一步地，所述保护气体为80％Ar和20％CO₂的混合气体，所述实心焊丝为φ1.2mm、WM960S实心焊丝。

进一步地，每组自动焊接单元都为一独立模块，所述自动焊接单元的移动小车与连杆之间通过螺钉可拆卸连接。

进一步地，多组自动焊接单元中，至少有一组自动焊接单元中的移动小车为主驱动小车，其余自动焊接单元中的移动小车为随动小车；所述主驱动小车上配置有用于驱动该主驱动小车行走的行走驱动源。

进一步地，每组自动焊接单元中的移动小车包括设置在面板上方的横梁、安装在横梁下端的行走轮、固定于横梁的第一纵梁、可上下移动地安装于第一纵梁的第二纵梁、以及将第一纵梁和第二纵梁滑动连接的电动滑块，所述第一纵梁上安装有高度传感器，所述角度调节机构安装于第二纵梁，所述第二磁铁固定在行走轮的外周面上。

如上所述，本发明涉及的适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备，具有以下有益效果：

本申请在焊接多极纵骨和甲板时，采用实心焊丝结合保护气体的焊接工艺，焊接效率高、焊接质量可靠；特别地，在自动焊接过程中，激光跟踪器用于检测焊缝位置、以及焊接状况，跟踪控制器根据激光跟踪器的反馈控制调节驱动源的输出，通过角度调节机构调整焊枪的角度，实现激光跟踪；再者，通过第一磁铁机械跟踪腹板的第一侧面、以及通过第二磁铁机械跟踪面板的上平面；上述功能相结合，在实现甲板上多极纵骨角焊缝全自动焊接的同时，能够实现高效率、高质量的焊接，满足甲板上多极纵骨角焊缝自动焊接的需求。

附图说明

图1为甲板和多极纵骨之间的连接示意图。

图2为本申请中自动焊接装备的结构示意图。

图3为图2的主视图。

图4为图2中主驱动小车的结构示意图。

图5为图4的爆炸图。

图6为图2中左侧随动小车的结构示意图。

图7为图6的爆炸图。

图8为图2中右侧随动小车的结构示意图。

图9为图8的爆炸图。

元件标号说明

10 甲板

20 纵骨

21 腹板

211 第一侧面

212 第二侧面

22 面板

221 上平面

30 自动焊接单元

40 连杆

50 移动小车

51 主驱动小车

52 随动小车

53 横梁

54 第一纵梁

55 第二纵梁

60 激光跟踪器

70 焊枪

80 角度调节机构

90 安装架

110 第一磁铁

120 第二磁铁

130 高度传感器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本申请提供一种适用于高强钢结构多极纵骨20的自动焊接装备，用于将多极纵骨20与甲板10焊接。如图1所示，纵骨20为球扁钢结构，每极纵骨20包括腹板21和固设在腹板21上端的面板22，腹板21在其宽度方向上的两侧面分别为第一侧面211和第二侧面212，面板22的上端面为上平面221，多极纵骨20沿腹板21的宽度方向从左至右间隔排布。纵骨20的材质为屈服强度≥590MPa的低合金高强钢，纵骨20的规格为：腹板21在上下方向上的高度为100mm～220mm，面板22在左右方向上的宽度为35mm～70mm，甲板10在上下方向上的板厚为5mm～16mm；相邻两极纵骨20之间的间距为300mm～600mm。

如图2和图3所示，自动焊接装备包括设置在每极纵骨20处的自动焊接单元30、以及将多组自动焊接单元30相连的连杆40；图2和图3所示的视图中，纵骨20有三极，则配置有三组自动焊接单元30，左右相连的两组自动焊接单元30之间由连杆40相连，实现多组自动焊接单元30一起沿纵骨20的延伸方向移动。进一步地，如图4和图5、或图6和图7、或图8和图9所示，每组自动焊接单元30都包括跟踪控制器、可沿纵骨20延伸方向移动的移动小车50、安装于移动小车50的激光跟踪器60、焊枪70、连接在焊枪70和移动小车50之间的角度调节机构80、向焊枪70的喷嘴处供给保护气体的气源、向焊枪70的喷出处供给实心焊丝的供丝机构、以及机械跟踪机构；其中，角度调节机构80具有调节驱动源，焊枪70安装在角度调节机构80的输出端，调节驱动源动作时，通过角度调节机构80改变焊枪70的角度；激光跟踪器60和角度调节机构80中的调节驱动源都与跟踪控制器相连接；机械跟踪机构包括安装架90、第一磁铁110、以及第二磁铁120，安装架90通过一前后延伸的销钉铰接在移动小车50的前端，第一磁铁110固定在安装架90面向腹板21的内侧，第一磁铁110用于吸附腹板21的第一侧面211，第二磁铁120固定于移动小车50、用于吸附面板22的上平面221。

本申请在焊接多极纵骨20和甲板10时，采用实心焊丝结合保护气体的焊接工艺，焊接效率高、焊接质量可靠；特别地，在自动焊接过程中，激光跟踪器60用于检测焊缝位置、以及焊接状况，跟踪控制器根据激光跟踪器60的反馈控制调节驱动源的输出，通过角度调节机构80调整焊枪70的角度，实现激光跟踪；再者，通过第一磁铁110强磁吸附机械跟踪腹板21的第一侧面211，保证焊枪70与纵骨20的腹板21之间的距离始终不变；通过第二磁铁120强磁吸附机械跟踪面板22的上平面221，保证焊枪70到甲板10的绝对位置不变。上述激光跟踪、机械跟踪、实心焊丝结合保护气体的焊接工艺相结合，不管纵骨20的腹板21如何变形，始终可以保证焊枪70与焊缝的位置不产生变化，故在实现甲板10上多极纵骨20角焊缝全自动焊接的同时，能够实现高效率、高质量的焊接，保证甲板10与纵骨20角焊缝焊接质量的稳定、可靠，满足甲板10上多极纵骨20角焊缝自动焊接的需求，由此充分发挥实心焊丝气保焊的特性，实现船体结构的自动化焊接，降低建造成本、提高生产效率。

优选地，本实施例中，保护气体为80％Ar和20％CO₂的混合气体，实心焊丝为φ1.2mm、WM960S实心焊丝，焊枪70为脉冲带水冷式的焊接设备。安装架90的内侧安装有可转动的滚轮，该滚轮用于和腹板21的第一侧面211滚动配合，故滚轮也为行走轮；第一磁铁110固定在滚轮的外周面上，滚轮通过第一磁铁110强磁吸附于腹板21的第一侧面211。

进一步地，如图2和图3所示，每组自动焊接单元30中，焊枪70有两把、分别布置在腹板21的第一侧面211侧和第二侧面212侧，由此在纵骨20和甲板10之间形成两道焊缝，即纵骨20与甲板10之间为双面连续角焊缝。每组自动焊接单元30中，每把焊枪70都通过一组角度调节机构80安装在移动小车50上。如此，本申请涉及的自动焊接装备在甲板10上自动焊接三极纵骨20时，三组自动焊接单元30中的移动小车50沿纵骨20延伸方向行走过程中，六把焊枪70同时进行焊接作业，实现了六极焊枪70的自动化焊接，继而实现多极纵骨20的高效自动化焊接。

进一步地，每组自动焊接单元30都为一独立模块，自动焊接单元30的移动小车50与连杆40之间通过螺钉可拆卸连接；连杆40的长度根据纵骨20间距确定。自动焊接单元30采用模块化设计，每一组自动焊接单元30的组装和拆卸都非常方便，从而能够快速地拆装若干组自动焊接单元30，由此根据工件大小组合所需数量的自动焊接单元30，能够适用于单极纵骨20、二极纵骨20、三极纵骨20、四极纵骨20等的自动焊接，工程适用性强，焊接灵活，满足甲板10上单极纵骨20或多极纵骨20双面连续角焊缝的自动化焊的需求。

进一步地，多组自动焊接单元30中，至少有一组自动焊接单元30中的移动小车50为主驱动小车51，其余自动焊接单元30中的移动小车50为随动小车52；主驱动小车51上配置有用于驱动该主驱动小车51行走的行走驱动源。图2和图3所示的视图中，中间的移动小车50为主驱动小车51，左侧的移动小车50和右侧的移动小车50都为无动力的随动小车52；为便于叙述，将左侧的移动小车50定义为一号随动小车，将右侧的移动小车50定义为二号随动小车。如图4和图5中，主驱动小车51上配置的行走驱动源为电机，主驱动小车51上配置有与电机电连接的锂电池；锂电池向电机供电，电机运转时，通过传动箱驱动主驱动小车51的行走轮转动，由此趋势主驱动小车51沿纵骨20的行走，主驱动小车51通过连杆40带动一号随动小车和二号随动小车同步行走，焊接三极纵骨20。

进一步地，如图4和图5、或图6和图7、或图8和图9所示，每组自动焊接单元30中的移动小车50包括设置在纵骨20的面板22上方的横梁53、安装在横梁53下端的行走轮、固定于横梁53的第一纵梁54、可上下移动地安装于第一纵梁54的第二纵梁55、以及将第一纵梁54和第二纵梁55滑动连接的电动滑块，第一纵梁54上安装有高度传感器130，角度调节机构80安装于第二纵梁55，第二磁铁120固定在行走轮的外周面上，第二纵梁55的下端安装有与甲板10接触配合的行走轮。高度传感器130安装在第一纵梁54位于腹板21的第二侧面212侧，高度传感器130用于获取腹板21的高度信息，后续根据腹板21的高度信息通过电动滑块调整第二纵梁55的高度，从而调整焊枪70的高度，从而使得本申请能够适用于焊接不同高度的纵骨20，由此实现利用电动滑块、高度传感器130和焊枪70重量机械跟踪腹板21的第二侧面212。优选地，如图4和图5、或图6和图7、或图8和图9所示，横梁53上配置有提手，便于工人进行操作。行走轮为硅胶轮，利用第二磁铁120强磁吸附于纵骨20的面板22的上平面221。

进一步地，每组自动焊接单元30中的移动小车50中，行走轮装在轮轴上，轮轴通过多个轴承可转动地支撑在横梁53中；多个轴承中，至少有两个轴承为能够自由上下浮动的直线轴承，进而在移动小车50沿着纵骨20的延伸方向行走过程中，当行走路径是斜的时，能够保证焊枪70角度不变化，同时也能起到高低跟踪的作用。

综上所述，下述提供本申请涉及的自动焊接装备的一个优选应用实施例。

使用上述自动焊接装备，对屈服强度≥590MPa的20mm厚的厚甲板10及球扁钢结构的多极纵骨20进行焊接，纵骨20间距为500mm，实现三极纵骨20与甲板10双面连续角焊缝自动化焊接，每道焊缝长度不小于4000mm。焊接过程为全程自动焊，采用φ1.2mm、WM960S实心焊丝、以及80％Ar和20％CO₂的混合气体。整个焊接过程包括自动焊接装备的安装、调试、以及焊接，具体包括以下步骤：

S1、焊接工件施焊位置除去油漆、锈迹、铁锈等杂质；

S2、安装设备，将主驱动小车51安装在中间位置，将一号随动小车和二号随动小车通过连杆40安装在主驱动小车51的左右两侧；

S3、连接各设备电缆线，测试自动焊接装备的行走、跟踪等功能；

S4、调整焊接参数，包括焊接电流、电弧电压、焊接速度等；

S5、调整激光跟踪器60的参数，调整焊枪70位置，使焊枪70处于适合的焊接位置；

S6、焊接；按下启动按键，焊接时先起弧再行走，确保电弧不相互干扰，避免出现电弧不稳定现象。

上述步骤S4中，具体的焊接参数如下表1所示：

表1多极纵骨20自动气焊角焊缝焊接参数

通过焊接过程中焊缝质量跟踪，使焊缝外观质量合格。焊后对焊缝表面进行磁粉探伤，磁粉探伤合格。

进一步地，结合焊前调试、焊接速度、焊接过程处理、焊后焊缝处理等对比参数，本申请涉及的自动焊接装备与普通焊接设备的对比分析结果如下表2所示：

表2对比数据

综上所述，本申请涉及的自动焊接装备具有非常好的焊接效率，实现多道焊缝的同步焊接，综合焊接效率较普通焊接提升127％，实现高效率、高质量的焊接，保证甲板10与纵骨20角焊缝焊接质量的稳定、可靠。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种适用于高强钢结构多极纵骨的自动焊接装备，用于将多极纵骨(20)与甲板(10)焊接，所述纵骨(20)包括腹板(21)和固设在腹板(21)上端的面板(22)，所述腹板(21)在其宽度方向上的两侧面分别为第一侧面(211)和第二侧面(212)，所述面板(22)的上端面为上平面(221)，其特征在于：所述自动焊接装备包括设置在每极纵骨(20)处的自动焊接单元(30)、以及将多组自动焊接单元(30)相连的连杆(40)；

每组自动焊接单元(30)都包括跟踪控制器、可沿纵骨(20)延伸方向移动的移动小车(50)、安装于移动小车(50)的激光跟踪器(60)、焊枪(70)、连接在焊枪(70)和移动小车(50)之间的角度调节机构(80)、向焊枪(70)的喷嘴处供给保护气体的气源、向焊枪(70)的喷出处供给实心焊丝的供丝机构、以及机械跟踪机构，所述机械跟踪机构包括铰接于移动小车(50)的安装架(90)、固定于安装架(90)且用于吸附腹板(21)的第一侧面(211)的第一磁铁(110)、以及固定于移动小车(50)且用于吸附面板(22)的上平面(221)的第二磁铁(120)，所述激光跟踪器(60)和角度调节机构(80)中的调节驱动源都与跟踪控制器相连接；

每组自动焊接单元(30)中的移动小车(50)包括设置在面板(22)上方的横梁(53)、安装在横梁(53)下端的行走轮、固定于横梁(53)的第一纵梁(54)、可上下移动地安装于第一纵梁(54)的第二纵梁(55)、以及将第一纵梁(54)和第二纵梁(55)滑动连接的电动滑块，所述第一纵梁(54)上安装有高度传感器(130)，所述角度调节机构(80)安装于第二纵梁(55)，所述第二磁铁(120)固定在行走轮的外周面上，第二纵梁(55)的下端安装有与甲板(10)接触配合的行走轮；每组自动焊接单元(30)中的移动小车(50)中，行走轮装在轮轴上，轮轴通过多个轴承可转动地支撑在横梁(53)中；多个轴承中，至少有两个轴承为能够自由上下浮动的直线轴承。

2.根据权利要求1所述的自动焊接装备，其特征在于：每组自动焊接单元(30)中，所述焊枪(70)有两把、分别布置在腹板(21)的第一侧面(211)侧和第二侧面(212)侧。

3.根据权利要求1所述的自动焊接装备，其特征在于：所述保护气体为80％Ar和20％CO₂的混合气体，所述实心焊丝为φ1.2mm、WM960S实心焊丝。

4.根据权利要求1所述的自动焊接装备，其特征在于：每组自动焊接单元(30)都为一独立模块，所述自动焊接单元(30)的移动小车(50)与连杆(40)之间通过螺钉可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的自动焊接装备，其特征在于：多组自动焊接单元(30)中，至少有一组自动焊接单元(30)中的移动小车(50)为主驱动小车(51)，其余自动焊接单元(30)中的移动小车(50)为随动小车(52)；所述主驱动小车(51)上配置有用于驱动该主驱动小车(51)行走的行走驱动源。

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