CN113263282A - 无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置。所述装置包含六自由度模块1、垫板5、工具执行器8和控制器13，工具执行器8包括焊接金属丝9、回收模块10、加热伺服喷射模块11，并且加热伺服喷射模块11上置有视觉机构，并通过回收模块10和加热伺服喷射模块11等机构的共同作用在焊接处形成的动态稳定矢量伺服可控流场，克服立焊时熔滴的重力场，同时，通过回收模块10和加热伺服喷射模块11的保护气体对熔滴降温，使得焊接点处的熔滴稳定悬凝并可控增长，克服了传统的立焊接过程中存在的焊缝流动以及焊缝不均匀导致的缺陷，通过进行工艺融合实现了立焊缝一次焊接成型。
Description
技术领域
本发明属于焊接工程技术领域，具体地说涉及一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置及立焊方法，用于高端装备制造领域内大型结构结合材料的立焊。
背景技术
近几年，随着现代设备制造业的发展，高强度的厚截面焊接钢结构已逐渐应用于造船、海洋工程、压力容器制造等行业。由于变位困难，一些大尺寸的结构件必须采用全位置焊接技术，且使得全位置焊接的需求大幅增加，立焊作为全位置焊接的重要组成部分，其熔池金属和熔滴因受重力的影响具有下坠趋势。立焊焊接时由于焊缝宽深的不断变化，以及焊缝并不一定竖直的，很大程度是空间曲线焊缝，如何更好的实时对焊缝进行跟踪以对焊缝不同熔宽进行自适应焊接成为急需解决的问题，大型钢结构立焊缝的焊接，长期以来一直采用手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊和埋弧自动焊。这三种焊接方法都是靠多层多道焊接来完成立焊缝的焊接，费工费时效率低，焊接质量难以掌控，工人劳动强度也大。要实现立焊缝一次焊接成型的焊接技术，在焊接过程中关键技术是如何实现形成焊接熔池和熔池铁水冷凝成型，而要突破此项关键技术，一次成型焊接模块就是关键部件。
现有人工立焊缝的技术，要求工人技术高，立焊是用高级技工的手感，人工焊接工艺在凝固过程中熔融状态的动力年度和相对粘度，一层层手工操作，人工立焊缝的缺点为：一、人员培养周期较长，人员工资高，高级技工流失严重；二、生产效率低；三、质量一致性不好，受人的因数影响较大；四、劳动强度高，因工艺要求连续焊接，中间过程间断影响材料结晶效果；五、工作环境差，粉尘、弧光等严重危害人员健康。
现有自动化立焊接的装备为，做一个特定形状的衬板、焊缝与被焊接的两个工件，形成焊接熔池的船形空间，特定形状的衬板一般加水冷，因为熔池与工件局部是临时性的接触，而特定形状的衬板是时时接触，特定形状的衬板过热会高温失效。现有自动化立焊接的装备的缺点为：一、特定形状的衬板，因焊接工艺需要，多为空间曲面外形，需要多轴数控加工，时间成本和费用较高；二、特定形状的衬板含有的水冷管线，故障率高；三、特定形状的衬板，为接触方式作业，影响焊枪和焊丝的焊接工艺作业空间；四、特定形状的衬板与熔池、焊缝和工件，摩擦磨损，对于特定形状的衬板损耗特别严重；五、特定形状的衬板与熔池、焊缝和工件，摩擦磨损力影响动力系统控制。
鉴于以上原因，因此，需要一种全位置悬凝型立焊装置及立焊方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置及立焊方法。本发明利用流体技术结合智能控制的方法，突破了焊接熔池和熔池铁水冷凝成型的关键技术，解决了传统的立焊接过程中存在的焊缝流动以及焊缝不均匀导致的难以一次焊接成型的缺陷，通过进行工艺融合实现了立焊缝一次焊接成型。
本发明的技术方案如下所述：
一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，包含六自由度模块1、垫板5、工具执行器8和控制器13，工具执行器8包括焊接金属丝9、回收模块10、加热伺服喷射模块11，并且加热伺服喷射模块11上置有视觉机构，能够动态的在线的判断熔融状态的焊接熔滴12的形状与焊接工艺特征，
六自由度模块1水平固定，六自由度模块1末端连接工具执行器8，六自由度模块1提供工具执行器8相对于地面至少空间六自由度的运动，工具执行器8的焊接工作端为焊接金属丝9，加热伺服喷射模块11能够矢量喷射加热的保护气体并伺服控制保护气体的空间速度矢量，回收模块10对保护气体和粉尘进行回收；立焊接时右侧被结合材料2、左侧被结合材料3无间隙相邻放置，并且其上分别制有右侧坡口6、左侧坡口7；控制器13通过控制六自由度模块1相对地面进行至少空间六自由度的运动，调整回收模块10和加热伺服喷射模块11相对于焊接金属丝9与焊接高温熔融的熔滴为空间定点的变换姿态运动，同时调整回收模块10和加热伺服喷射模块11对保护气体的回收强度和喷射强度，使得加热伺服喷射模块11矢量喷射的保护气体、回收模块10形成的保护气体和粉尘的回收流场、垫板5、右侧坡口6、左侧坡口7之间的焊接处形成动态稳定矢量伺服可控流场，使得焊接金属丝9焊接时高温熔融的熔滴稳定悬凝并可控增长并逐滴形成立焊缝4，然后通过立焊缝4的自上而下趋势的连续生长实现对左侧被结合材料3和右侧被结合材料2的全位置悬凝型立焊。
优选，所述视觉机构包括针孔视觉摄像头、滤光片和视觉控制器，针孔视觉摄像头前置滤光片，针孔视觉摄像头通过光纤接通视觉控制器。
右侧坡口6、左侧坡口7优选为焊接手册中的任意形状组合，也可以为曲面形状。
一种无间隙材料之间的立焊的焊接方法，使用上述无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，并包括如下步骤；
步骤1：辅助设备将左侧被结合材料3和右侧被结合材料2转运至指定位置，使得右侧坡口6、左侧坡口7相邻；
步骤2：垫板5安置于右侧坡口6、左侧坡口7的之间位置为焊接处，
步骤3：六自由度模块1将工具执行器8移动至焊接处，启动回收模块10和加热伺服喷射模块11，使得加热伺服喷射模块11矢量喷射的保护气体、回收模块10回收的保护气体在焊接处形成动态稳定矢量伺服可控流场；
步骤4：然后，工具执行器8上的焊接金属丝9靠近焊接处，开始立焊缝的焊接产生高温熔融的熔滴；同时，加热伺服喷射模块11上的视觉机构三维动态在线的判断熔融状态的焊接熔池12的形状与焊接工艺特征，并将上述信息传输给控制器；
步骤5：控制器通过控制六自由度模块1相对地面进行至少空间六自由度的运动，调整回收模块10和加热伺服喷射模块11相对于焊接金属丝9与焊接高温熔融的熔滴12为空间定点的变换姿态运动，同时调整回收模块10和加热伺服喷射模块11对保护气体的回收强度和喷射强度，使得回收模块10和加热伺服喷射模块11矢量喷射形成的动态稳定矢量伺服可控流场克服熔滴12的重力场，进而使得焊接点处的熔滴12稳定悬凝并可控增长，直至使得稳定悬凝的熔滴12达到焊接要求；
步骤6：依次按照步骤3-5的相同操作进行立焊缝的焊接工艺作业将焊接高温熔融的熔滴12最终形成立焊缝4，并使得立焊缝4自上而下趋势连续生长最终实现对左侧被结合材料3和右侧被结合材料2的全位置悬凝立焊。
有益效果
本发明利用流体技术结合智能控制的方法，通过回收模块10和加热伺服喷射模块11等机构的共同作用在焊接处形成的动态稳定矢量伺服可控流场，克服立焊时熔滴的重力场，同时，通过回收模块10和加热伺服喷射模块11的保护气体对熔滴降温，使得焊接点处的熔滴稳定悬凝并可控增长，克服了传统的立焊接过程中存在的焊缝流动以及焊缝不均匀导致的缺陷，通过进行工艺融合实现了立焊缝一次焊接成型。具体的，本发明的全位置悬凝型立焊装置及立焊方法具有以下优势：
一、本发明的无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置及立焊方法立焊焊接的焊缝外形均匀且能够一次成型；二、回收模块10和加热伺服喷射模块11的气流冷却效果好，使得立焊缝成型较快；三、本发明保护气体的气流冷却效果好使得热影响区小，焊接变形和焊接应力小；四、本发明的悬凝型立焊装置不需要多轴数控加工，具有时间成本和费用成本的优势；五、本发明的悬凝型立焊装置为非接触方式冷却作业，不影响焊枪和焊丝的焊接工艺作业空间；六、本发明的全位置悬凝型立焊装置不会发生机械摩擦磨损。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置一个姿态的等轴侧视图。
图2为一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置另外一个姿态的等轴侧视图。
图3为一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置两个姿态的空间交错等轴侧视图。
图4为无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置的回收模块10、加热伺服喷射模块11、熔滴12的气流矢量伺服可控流场16的示意图，其中，箭头代表空间单位矢量。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
如图1～3所示，一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，包含六自由度模块1、垫板5、工具执行器8和控制器13，工具执行器8包括焊接金属丝9、回收模块10、加热伺服喷射模块11，并且加热伺服喷射模块11上置有视觉机构的针孔视觉摄像头15，用于动态的在线的判断熔融状态的焊接熔滴的形状与焊接工艺特征，
本例中六自由度模块1为川崎BA006N中空弧焊机器人且水平固定，六自由度模块1末端连接工具执行器8，六自由度模块1提供工具执行器8相对于地面至少空间六自由度的运动，工具执行器8的焊接工作端为焊接金属丝9，加热伺服喷射模块11能够矢量喷射加热的保护气体并伺服控制保护气体的空间速度矢量，回收模块10对保护气体和粉尘进行回收；使用时，右侧被结合材料2、左侧被结合材料3无间隙相邻放置，并且其上分别制有右侧坡口6、左侧坡口7，右侧坡口6、左侧坡口7优选为焊接手册中的任意形状组合，也可以为曲面形状；加热伺服喷射模块11矢量喷射的保护气体、回收模块10形成的保护气体和粉尘的回收流场、垫板5、右侧坡口6、左侧坡口7之间形成动态稳定矢量伺服可控流场16，使得焊接金属丝9焊接时高温熔融的熔滴12稳定悬凝并可控增长并逐滴形成立焊缝4，然后通过立焊缝4的自上而下趋势的连续生长实现对左侧被结合材料3和右侧被结合材料2的全位置悬凝型立焊。
本例中所述视觉机构包括视觉控制器14和针孔视觉摄像头15，针孔视觉摄像头15前置滤光片，针孔视觉摄像头15通过光纤接通视觉控制器14，视觉控制器14优选柯轩智能自主生产的3D机器视觉和深度AI学习系统，视觉控制器14光纤或无线WiFi连接控制器13。控制器13采用的焊接专家软件工具为ESTUN机器人弧焊软件包V1.2，视觉控制器14优选柯轩智能自主生产的3D机器视觉和深度AI学习系统，可以自动分析操作对象生成点云图，通过深度学习系统不断调整机器人动作路径。
一种无间隙材料之间的立焊的焊接方法，使用上述无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，并包括如下步骤；
步骤1：辅助设备例如吊车和吊具将左侧被结合材料3和右侧被结合材料2转运至指定位置使得右侧坡口6、左侧坡口7之间无间隙相邻；
步骤2：垫板5安置于右侧坡口6、左侧坡口7的之间位置为焊接处，
步骤3：六自由度模块1将工具执行器8移动至焊接处，启动回收模块10和加热伺服喷射模块11，使得加热伺服喷射模块11矢量喷射的保护气体、回收模块10回收的保护气体在焊接处形成动态稳定矢量伺服可控流场16；
步骤4：然后，工具执行器8上的焊接金属丝9靠近焊接处，开始立焊缝的焊接产生高温熔融的熔滴12；同时，加热伺服喷射模块11上的视觉机构三维动态在线的判断熔融状态的焊接熔滴12的形状与焊接工艺特征，并将上述信息传输给控制器13；
步骤5：控制器13通过控制六自由度模块1相对地面进行至少空间六自由度的运动，调整回收模块10和加热伺服喷射模块11相对于焊接金属丝9与焊接高温熔融的熔滴12为空间定点的变换姿态运动，同时调整回收模块10和加热伺服喷射模块11对保护气体的回收强度和喷射强度，使得回收模块10和加热伺服喷射模块11矢量喷射形成的动态稳定矢量伺服可控流场16克服熔滴12的重力场，进而使得焊接点处的熔滴12稳定悬凝并可控增长，如图4所示熔滴12在气流矢量伺服可控流场16内稳定悬凝并可控增长，直至使得稳定悬凝的熔滴12达到焊接要求；
步骤6：依次按照步骤3-5的相同操作进行立焊缝的焊接工艺作业形成焊接熔滴12，熔滴12在立焊缝4生长端部沿着含有空间工艺规划好的曲线轨迹的生长，立焊缝4生长的整体趋势是从内而外、左右往返、交替层叠、多层多道、自上而下的连续生长，使得立焊缝4自上而下趋势连续生长最终实现对左侧被结合材料3和右侧被结合材料2的全位置悬凝型立焊。
以上为本发明全位置悬凝型立焊装置的工作流程，本发明利用流体技术结合智能控制的方法，通过回收模块10和加热伺服喷射模块11等机构的共同作用在焊接处形成的动态稳定矢量伺服可控流场16克服立焊时熔滴的重力场，同时，通过回收模块10和加热伺服喷射模块11的保护气体对熔滴降温，使得焊接点处的熔滴稳定悬凝并可控增长，克服了传统的立焊接过程中存在的焊缝流动以及焊缝不均匀导致的缺陷，立焊焊接的焊缝外形均匀，通过进行工艺融合实现了立焊缝一次焊接成型。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，其特征在于包含六自由度模块（1）、垫板（5）、工具执行器（8）和控制器（13），工具执行器（8）包括焊接金属丝（9）、回收模块（10）、加热伺服喷射模块（11），并且加热伺服喷射模块（11）上置有视觉机构，控制器（13）与视觉机构连接，动态的在线判断熔融状态的焊接熔滴的形状与焊接工艺特征，
六自由度模块（1）水平固定，六自由度模块（1）末端连接工具执行器（8），六自由度模块（1）提供工具执行器（8）相对于地面至少空间六自由度的运动，工具执行器（8）的焊接工作端为焊接金属丝（9），加热伺服喷射模块（11）能够矢量喷射加热的保护气体并伺服控制保护气体的空间速度矢量，回收模块（10）对保护气体和粉尘进行回收；立焊焊接时，右侧被结合材料（2）、左侧被结合材料（3）无间隙相邻放置，其上分别制有右侧坡口（6）、左侧坡口（7），控制器（13）通过控制六自由度模块（1）相对地面进行至少空间六自由度的运动，调整回收模块（10）和加热伺服喷射模块（11）相对于焊接金属丝（9）与焊接高温熔融的熔滴为空间定点的变换姿态运动，同时调整回收模块（10）和加热伺服喷射模块（11）对保护气体的回收强度和喷射强度，使得加热伺服喷射模块（11）矢量喷射的保护气体、回收模块（10）形成的保护气体和粉尘的回收流场、垫板（5）、右侧坡口（6）、左侧坡口（7）之间的焊接处形成动态稳定矢量伺服可控流场，使得焊接金属丝（9）焊接时高温熔融的熔滴稳定悬凝并可控增长并逐滴形成立焊缝（4），然后通过立焊缝（4）的自上而下趋势的连续生长实现对左侧被结合材料（3）和右侧被结合材料（2）的全位置悬凝型立焊。
2.根据权利要求1所述一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，其特征在于所述视觉机构包括视觉控制器（14）和针孔视觉摄像头（15），并且针孔视觉摄像头（15）前置滤光片，针孔视觉摄像头（15）通过光纤接通视觉控制器（14）。
3.根据权利要求1所述一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，其特征在于右侧坡口（6）、左侧坡口（7）为焊接手册中的任意形状组合。
4.根据权利要求3所述一种无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，其特征在于右侧坡口（6）、左侧坡口（7）为曲面形状。
5.一种无间隙材料之间的立焊的焊接方法，其特征在于使用权利要求1的无间隙材料之间的全位置悬凝型立焊装置，并包括如下步骤；
步骤1：辅助设备将左侧被结合材料（3）和右侧被结合材料（2）转运至指定位置，使得右侧坡口（6）、左侧坡口（7）无间隙的相邻；
步骤2：垫板（5）安置于右侧坡口（6）、左侧坡口（7）的之间位置为焊接处，
步骤3：六自由度模块（1）将工具执行器（8）移动至焊接处，启动回收模块（10）和加热伺服喷射模块（11），使得加热伺服喷射模块（11）矢量喷射的保护气体、回收模块（10）回收的保护气体在焊接处形成动态稳定矢量伺服可控流场；
步骤4：然后，工具执行器（8）上的焊接金属丝（9）靠近焊接处，开始立焊缝的焊接产生高温熔融的熔滴；同加热伺服喷射模块（11）内置的视觉装置三维动态在线的判断熔融状态的熔滴的形状与焊接工艺特征，并将上述信息传输给控制器（13）；
步骤5：控制器（13）通过控制六自由度模块（1）相对地面进行至少空间六自由度的运动，调整回收模块（10）和加热伺服喷射模块（11）相对于焊接金属丝（9）与焊接高温熔融的熔滴为空间定点的变换姿态运动，同时调整回收模块（10）和加热伺服喷射模块（11）对保护气体的回收强度和喷射强度，使得回收模块（10）和加热伺服喷射模块（11）矢量喷射形成的动态稳定矢量伺服可控流场克服熔滴的重力场，进而使得焊接点处的熔滴稳定悬凝并可控增长，直至使得稳定悬凝的熔滴达到焊接要求；
步骤6：依次按照步骤3-5的相同操作沿水平方向进行立焊缝的焊接工艺作业形成焊接熔滴最终形成立焊缝（4），使得立焊缝（4）自上而下趋势连续生长最终实现对左侧被结合材料（3）和右侧被结合材料（2）的全位置悬凝型立焊。
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