CN113579478A - 一种激光焊磁感预热自适应系统及其工作方法 - Google Patents

一种激光焊磁感预热自适应系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光焊磁感预热自适应系统及其工作方法，包括：夹持部设焊枪和磁感预热件；夹持部设于机械手上；热敏传感器设于集成部下，用于检测工件的上表面；温度检测器贴于工件的下表面；温度检测器连接后台计算机；后台计算机连接机械手、磁感预热件、温度检测器和热敏传感器。本发明通过在夹持部设置焊枪和磁感预热件，实现边焊接边对工件进行预热的目的；本发明通过设置的热敏传感器可直接检测出预热前工件的上表面的温度；由于本发明采用的是磁感预热件对工件进行预热，由工件的上表面快速加热至工件的下表面，再通过温度检测器确认实际预热后的温度。

Description

一种激光焊磁感预热自适应系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种预热系统的技术领域，特别是涉及一种激光焊磁感预热自适应系统的技术领域。
背景技术
激光焊作为一种先进的焊接工艺，拥有焊接速度快，变形小的特点。日常工程建设中，低合金高强钢焊接后存在一定的淬硬倾向，冬季施工尤为明显。
另外，现有的焊前预热装置一般为固定装置或者人工手动操作装置，在更换焊接母材后无法即时适应新材料的比热容变化，从而无法达到焊接与焊前预热同步进行的过程；并且现有的焊前预热装置无法对实际温度进行实时的补偿，不具有自适应能力，因此需要技术人员自行调参，增加了工序的时间成本以及人力成本。
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激光焊磁感预热自适应系统，用于解决现有技术中焊前预热无法做到预热和焊接同步进行的问题以及无法自行对实际预热温度补偿的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供
一种激光焊磁感预热自适应系统，其特征在于，包括：
夹持部，所述夹持部上安装有焊枪和磁感预热件；所述夹持部设于机械手上；
热敏传感器，所述热敏传感器设于所述夹持部下，用于检测工件的上表面的温度；
温度检测器，所述温度检测器设于所述工件的下表面；所述温度检测器连接后台计算机；
后台计算机，所述后台计算机连接所述机械手、所述磁感预热件、所述温度检测器和所述热敏传感器。
优选地：所述温度检测器包括多根热电偶，多根所述热电偶并排连接。
优选地：每两根所述热电偶之间间隔为100mm。
优选地：所述磁感预热件呈竖直方向设置于所述夹持部下；所述焊枪倾斜设于所述夹持部，所述焊枪的远端偏离所述磁感预热件。
一种如权利要求1-4任一项所述的激光焊磁感预热自适应系统的工作方法，其特征在于：
步骤一、使用者输入参数至所述后台计算机；
步骤二、所述后台计算机根据输入的参数计算需要输出的热能，并且将该数据输入至所述磁感预热件；
步骤三、所述热敏传感器检测所述工件的上表面的温度，并将数据回传至所述后台计算机；
步骤四、所述温度检测器检测所述工件的下表面的温度，并将数据回传至所述后台计算机。
优选地：所述步骤二输入的热能Q瞬时计算过程如下：
V＝th×L×W
m＝ρ×V
Q＝C×m×△T
t＝W×60/Vh
Q瞬时＝Q/t
th-工件板厚(mm)，V-工件加热区域的体积(cm3)，ρ-工件的密度(g/cm3)，m-工件加热区域的质量(g)，C-工件的比热容，Q-工件加热到指定温度所需要的热量(J)，T设定-工件需要加热到的指定温度(℃)，T0-工件加热前的温度(℃)，Vh-焊接速度(m/min)，t-工件的加热时间(s)，Q瞬时-工件每个时刻所需要吸收的能量(J)；L-所述磁感预热件的加热长度，通常为0.1m，W-所述磁感预热件的加热宽度，通常为0.05m。
优选地，还包括：
步骤五：所述后台计算机根据测得的所述工件下表面的实际温度对所述磁感预热件进行反馈补偿；
补偿热量Q调整计算过程如下：
Q增补＝C×m×△T＝C×m×(T设定-T实际)
Q调整＝Q瞬时+Q增补/t
Q增补-工件未达到理论设定的温度而需要在每个时刻吸收的额外能量；
Q调整-工件未达到理论设定的温度而需要调整每个时刻吸收的热量。
优选地：所述步骤一中的输入焊接参数包括：焊接速度Vh、工件板厚th-、工件密度、比热容C和预热目标温度T设定。
如上所述，本发明是一种激光焊磁感预热自适应系统，具有以下有益效果：
本发明通过在夹持部设置焊枪和磁感预热件，实现边焊接边对工件进行预热的目的，加快生产节拍，节省焊前预热所需要的时间；另外，磁感预热件集成在焊接枪之前，焊接过程中可以根据工件表面的热量变化调整预热所需要输出的能量；另外，本发明通过设置的热敏传感器可直接检测出预热前工件的上表面的温度；由于本发明采用的是磁感预热件对工件进行预热，从而由工件的上表面快速加热至工件的下表面，因此再通过温度检测器确认实际预热后的温度，从而根据实际温度调整需要对工件输出的热量，使得加热温度尽可能达到预设值，实现焊接与预热同步进行所带来避免淬硬倾向的最佳效果。
附图说明
图1显示为本发明一种激光焊磁感预热自适应系统的立体图；
图2显示为本发明一种激光焊磁感预热自适应系统示意图；
图3显示为本发明一种激光焊磁感预热自适应系统的主视图；
图4显示为本发明一种激光焊磁感预热自适应系统的左视图；
图5显示为本发明一种激光焊磁感预热自适应系统的俯视图；
图6显示为本发明一种激光焊磁感预热自适应系统的仰视图。
元件标号说明
01 工件
1 夹持部
11 焊枪
12 磁感预热件
13 机械手
2 热敏传感器
3 温度检测器
31 热电偶
4 后台计算机
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。
请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、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所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，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。
如图1所示，本发明提供一种激光焊磁感预热自适应系统，包括：
夹持部1，夹持部1上安装有焊枪11和磁感预热件12；夹持部1设于机械手13上；
热敏传感器2，热敏传感器2设于夹持部1下，用于检测工件01的上表面温度；
温度检测器3，温度检测器3贴于工件01的下表面；温度检测器3连接后台计算机5；
后台计算机4，后台计算机4连接机械手13、磁感预热件12、温度检测器3和热敏传感器2。
本发明通过在夹持部1设置焊枪11和磁感预热件12，实现边焊接边对工件01进行预热的目的；本发明通过设置的热敏传感器2可直接检测出预热前工件01的上表面的温度；由于本发明采用的是磁感预热件12对工件01进行预热，从而由工件01的上表面快速加热至工件01的下表面，因此再通过温度检测器3确认实际预热后的温度。后台计算机4能够实现对机械手13的移动速度控制，从而调节焊接速度，后台计算机4对磁感预热件12的功率进行调节，从而调整预热的温度。另外，本发明通过后台计算机4输入的工件参数、输入的机械手13移动速率(焊接速率)和预设温度可求出需要的热量，温度检测器3确认实际预热后的温度，后台计算机4根据预热后的温度对磁感预热件12的输出功率进行调整。
为了方便对工件01的上表面温度的检测，可设置热敏传感器2采用红外测温技术，从而将工件表面温度T0直接测出，并且避免了直接接触工件导致的热敏传感器2的损坏。通过热敏传感器2，将工件表面温度T0发送至后台计算机4。
为了能够准确的检测出一区域的工件01的下表面的温度；采用的温度检测器3包括多个热电偶31，并且多个热电偶31并排铺设形成；如此，能够检测工件01的长度方向的各区域的实际温度；并且通过将多个热电偶31直接贴于工件01的下表面，从而能够尽可能准确测量出工件01的实际温度。
为了能够保证热电偶31之间间隔，避免间隔过近导致温度数值一致，以及距离过远导致温度数据的偏差过大；优选，每两根热电偶31之间间隔为100mm。
为了能够将磁感预热件12和焊枪11集成在同一部件，具体的将磁感预热件12和焊枪11集成在夹持部1。由于实际焊接时，需要预热部位先加热后进行焊接，因此需要预热部分和焊缝处在高度方向上存在一定距离；焊枪11斜向安装，使焊接位置和预热部位存在一定距离；具体的，如图1所示，焊枪11的远端偏离磁感预热件。磁感预热件12的工作原理是来源于法拉第发现的电磁感应现象，即交变的磁场在导体中产生感应电流，从而导致导体发热，属于现有技术。
为了保持两者位置一致，从而方便后续计算；焊枪11和磁感预热件12的轴线可处于同一竖直平面。
为了能够人工的将必须参数输入至后台计算机4，后台计算机4设置有输入器，从而能将焊接速度Vh，工件板厚th，预热目标温度T设定输入至后台计算机4内。
除去上述实施例外，本发明还具有如下的工作方法，具体如下；
步骤一、使用者输入焊接速度Vh、工件板厚th、比热容C和预热目标温度T设定至后台计算机4；若工件为钢板，一般ρ为7,8g/cm3，C为470J/kg·℃。
步骤二、后台计算机4通过下述公式计算需要输出的热能(Q瞬时)，并且将该数据输入至磁感预热件12；具体公式如下：
后台计算机中会预先设置磁感预热件的参数L＝0.1m，W＝0.05m，输入至后台计算机4中；可根据需要，重新输入上述参数；
V＝th×L×W＝th×0.1×0.05＝0.005th
m＝ρ×V＝7.8×V＝0.039th
Q＝C×m×△T＝C×ρ×V×th×L×W×△T＝C×ρ×V×th×L×W×(T设定-T0)
/1000＝0.01833th(T设定-T0)
t＝W×60/Vh＝0.05/Vh×60＝3/Vh
Q瞬时＝Q/t＝0.01833th(T设定-T0)Vh/3
th-工件板厚(mm)；V-工件加热区域的体积(cm3)；ρ-工件的密度(g/cm3)；m-工件加热区域的质量(g)；C-工件的比热容，钢的比热容为470J/kg·℃；Q-工件加热到指定温度所需要的热量(J)；T设定-工件需要加热到的指定温度(℃)；T0-工件加热前的温度(℃)；Vh-焊接速度(m/min)；t-工件的加热时间(s)；Q瞬时-工件每个时刻所需要吸收的能量(J)；L-磁感预热件12的加热长度，W-磁感预热件12的加热宽度。
步骤三、热敏传感器2检测工件01的上表面的温度，并将数据回传至后台计算机4；
步骤四、温度检测器3检测工件01的下表面的温度，并将数据回传至后台计算机4；
步骤五、后台计算机4比较测得的工件01的下表面的温度T实际和设定温度T设定，若测得的下表面的温度T实际大于等于设定温度T设定，则磁感预热件12输出的能量不予调整；若测得的工件01的下表面的温度T实际小于设定温度T设定，则后台计算机4将按下述公式将温度差值转化为需要增加的热量Q调整，计算方法如下：
同样工件参数以L＝0.1m，W＝0.05m，ρ＝7,8g/cm3，C＝470J/kg·℃为例；
Q增补＝C×m×△T＝470×m×(T设定-T实际)/1000＝0.01833th(T设定-T实际)
Q调整＝Q瞬时+Q增补/t＝0.01833th(2T设定-T实际-T0)Vh/3
Q增补-工件未达到理论设定的温度而需要在每个时刻吸收的额外能量；
Q调整-工件未达到理论设定的温度而需要调整每个时刻吸收的热量。
综上，本发明的后台计算机4通过录入的工件01的参数以及预设的目标温度T设定能够根据公式计算出工件01需要的热量，从而调整磁感预热件12的输出功率，实现对工件01的预热；另外，由于工件01的差异以及环境差异等，工件01实际温度可能无法达到设定温度T设定，本发明通过温度检测器3检测工件01的下表面，从而确定实际温度T实际，并根据公式计算得出实际需要的热量，对磁感预热件12的输出功率进行调整，实现对工件的预热温度的补偿，令实际温度尽可能达到预设温度。
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 (8)

1.一种激光焊磁感预热自适应系统，其特征在于，包括：
夹持部，所述夹持部上安装有焊枪和磁感预热件；所述夹持部设于机械手上；
热敏传感器，所述热敏传感器设于所述夹持部下，用于检测工件的上表面的温度；
温度检测器，所述温度检测器设于所述工件的下表面；所述温度检测器连接后台计算机；
后台计算机，所述后台计算机连接所述机械手、所述磁感预热件、所述温度检测器和所述热敏传感器。
2.根据权利要求1所述的一种激光焊磁感预热自适应系统，其特征在于：所述温度检测器包括多根热电偶，多根所述热电偶并排连接。
3.根据权利要求2所述的一种激光焊磁感预热自适应系统，其特征在于：每两根所述热电偶之间间隔为100mm。
4.根据权利要求1所述的一种激光焊磁感预热自适应系统，其特征在于：所述磁感预热件呈竖直方向设置于所述夹持部下；所述焊枪倾斜设于所述夹持部，所述焊枪的远端偏离所述磁感预热件。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的激光焊磁感预热自适应系统的工作方法，其特征在于：
步骤一、使用者输入参数至所述后台计算机；
步骤二、所述后台计算机根据输入的参数计算需要输出的热能，并且将该数据输入至所述磁感预热件；
步骤三、所述热敏传感器检测所述工件的上表面的温度，并将数据回传至所述后台计算机；
步骤四、所述温度检测器检测所述工件的下表面的温度，并将数据回传至所述后台计算机。
6.根据权利要求5所述的一种激光焊磁感预热自适应系统的工作方法，其特征在于：所述步骤二输入的热能Q瞬时计算过程如下：
V＝th×L×W
m＝ρ×V
Q＝C×m×△T
t＝W×60/Vh
Q瞬时＝Q/t
th-工件板厚(mm)，V-工件加热区域的体积(cm3)，ρ-工件的密度(g/cm3)，m-工件加热区域的质量(g)，C-工件的比热容，Q-工件加热到指定温度所需要的热量(J)，T设定-工件需要加热到的指定温度(℃)，T0-工件加热前的温度(℃)，Vh-焊接速度(m/min)，t-工件的加热时间(s)，Q瞬时-工件每个时刻所需要吸收的能量(J)；L-所述磁感预热件的加热长度，通常为0.1m，W-所述磁感预热件的加热宽度，通常为0.05m。
7.根据权利要求5所述的一种激光焊磁感预热自适应系统的工作方法，其特征在于，还包括：步骤五：所述后台计算机根据测得的所述工件下表面的实际温度对所述磁感预热件进行反馈补偿；
补偿热量Q调整计算过程如下：
Q增补＝C×m×△T＝C×m×(T设定-T实际)
Q调整＝Q瞬时+Q增补/t
Q增补-工件未达到理论设定的温度而需要在每个时刻吸收的额外能量；
Q调整-工件未达到理论设定的温度而需要调整每个时刻吸收的热量。
8.根据权利要求5所述的一种激光焊磁感预热自适应系统的工作方法，其特征在于：所述步骤一中的输入焊接参数包括：焊接速度Vh、工件板厚th-、工件密度、比热容C和预热目标温度T设定。
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