CN115781020B - 筒体环缝激光焊接工作站及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种筒体环缝激光焊接工作站及焊接方法，属于焊接技术领域，用于从下至上依次堆叠第1筒段、第2筒段、……、第n筒段，并完成n‑1条环缝的焊接，n≥2；所述工作站包括焊接转台、焊接机器人、定位拼接筒段的环缝内撑工装系统，环缝内撑工装系统位于焊接转台上；环缝内撑工装系统包括同心设置的上内撑机构、中内撑机构和下内撑机构；下内撑机构在竖直方向固定设置，用于撑紧固定处于最下方的第1筒段；中内撑机构的下端设置有可伸出中内撑机构外圆面的筒段支撑伸缩组件，筒段支撑伸缩组件用于第n筒段的初始支撑；上内撑机构和中内撑机构升降设置，上内撑机构用于将第n筒段撑紧固定并向下移送堆叠，中内撑机构至少用于撑紧环缝。

Description

筒体环缝激光焊接工作站及焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种筒体环缝激光焊接工作站及焊接方法。

背景技术

在航空航天工程中，涉及到大径、薄壁筒体的焊接，如箭体等，通常先由带材首尾对接，焊接形成短的筒段，再将若干筒段依次对接，以进行环缝焊接，最后形成大型筒体。筒段的高度通常达到一米以上，直径为四米以上，当然也有其他规格尺寸，筒体由若干这样的筒段拼焊组成，这在焊接过程中增加了操作难度，需要很多辅助工装和装配人员，目前并没有针对这类筒体的环缝自动焊接工作站，一条焊缝从起吊对位到完成焊接需要多个人员以及辅助工装的相互配合，流程复杂，效率低，焊接质量不稳定。

发明内容

本发明目的在于提供一种筒体环缝激光焊接工作站及焊接方法，以解决现有大径薄壁筒体焊接过程中需要多个人员和辅助工装配合，流程复杂、效率低的问题。

本发明所采用的技术方案为：筒体环缝激光焊接工作站，用于从下至上依次堆叠第1筒段、第2筒段、……、第n筒段，并完成n-1条环缝的焊接，n≥2；所述工作站包括焊接转台、焊接机器人、定位拼接筒段的环缝内撑工装系统，环缝内撑工装系统位于焊接转台上；环缝内撑工装系统包括同心设置的上内撑机构、中内撑机构和下内撑机构；下内撑机构在竖直方向固定设置，用于撑紧固定处于最下方的第1筒段；中内撑机构的下端设置有可伸出中内撑机构外圆面的筒段支撑伸缩组件，筒段支撑伸缩组件用于第n筒段的初始支撑；上内撑机构和中内撑机构升降设置，上内撑机构用于将第n筒段撑紧固定并向下移送堆叠，中内撑机构至少用于撑紧环缝。

作为进一步地可选方案，还包括环缝外抱压紧机构，用于从外部压紧环缝处的筒段；环缝外抱压紧机构包括对应在环缝上下两侧的环抱滚轮组、和带动环抱滚轮组推出压紧的外抱驱动组件。

作为进一步地可选方案，所述环抱滚轮组包括分布成上下两排的多个滚轮，所有滚轮形成与筒段一致的弧形顶紧面。

作为进一步地可选方案，还包括行走系统，所述焊接机器人安装在行走系统上，行走系统驱动焊接机器人在X轴方位、Z轴方位、R轴旋转方位运动；X轴方位为水平方向，Z轴方位为竖直方向，R轴旋转方位为以竖直方向为回转中心。

作为进一步地可选方案，所述筒段支撑伸缩组件为周向间隔分布的多个，每个筒段支撑伸缩组件均包括伸缩块和与伸缩块连接的伸缩驱动元件。

作为进一步地可选方案，所述上内撑机构、中内撑机构和下内撑机构均分别由四个分瓣形成环状结构，每个分瓣连接有驱动其向外撑紧和向内收回的内撑驱动件。

作为进一步地可选方案，所述上内撑机构、中内撑机构和下内撑机构的外圆面均具有环形背保气槽。

作为进一步地可选方案，所述环缝内撑工装系统还包括固定于焊接转台的工装立柱，所述上内撑机构和中内撑机构安装在工装立柱上，工装立柱上安装有驱动上内撑机构和中内撑机构升降的升降驱动组件。

本发明还提供一种筒体环缝激光焊接方法，从下至上依次堆叠焊接n个筒段，n≥2，包括以下步骤：

S1.将第一筒段放置到焊接转台上，下内撑机构撑紧固定第一筒段；

S2.依次对第二筒段、第三筒段、……、第n筒段进行以下操作：将第n筒段放置到伸出的筒段支撑伸缩组件上，上内撑机构撑紧第n筒段后，筒段支撑伸缩组件缩回；上内撑机构带动第n筒段继续下降至第n筒段与第n-1筒段之间形成第n-1条环缝，中内撑机构下降至该第n-1条环缝并撑紧第n筒段与第n-1筒段的相对端边缘，焊接机器人焊接第n-1条环缝；焊接后，上内撑机构和中内撑机构收回后上升，筒段支撑伸缩组件伸出。

作为进一步地可选方案，所述步骤S2中，在将第n筒段放置到伸出的筒段支撑伸缩组件上之后，由上内撑机构和中内撑机构同时撑紧第n筒段，筒段支撑伸缩组件缩回；上内撑机构和中内撑机构带动第n筒段下降，中内撑机构收回，由上内撑机构带动第n筒段继续下降至第n筒段与第n-1筒段之间形成第n-1条环缝，中内撑机构再下降至该第n-1条环缝并撑紧第n筒段与第n-1筒段的相对端边缘。

本发明的有益效果是：通过环缝内撑工装系统实现多个筒段的定位、堆叠以及焊缝的内撑，利用内撑工装系统的升降可精准控制和确保焊缝位置，上下两筒段达到组对间隙后，随着焊接转台旋转，由焊接机器人进行环缝焊接，焊接转台可采用焊接机器人外部轴协调控制，精度可靠，焊缝质量可保证。这样依次将筒段吊装到工作站中即可由工作站进行以上操作，避免了大量人员和辅助工装的配合，操作简单，可高效、稳定地实现多条环缝的焊接，效率大大提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的筒体示意图；

图2是本发明实施例提供的筒体环缝激光焊接工作站的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的筒体环缝激光焊接工作站中行走系统处的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的筒体环缝激光焊接工作站中环缝外抱压紧机构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的筒体环缝激光焊接工作站的中内撑机构的结构示意图；

图6是图5中A处放大图；

图7是本发明实施例提供的筒体环缝激光焊接工作站的筒段支撑伸缩组件的结构示意图。

图中：1-焊接转台；2-焊接机器人；3-上内撑机构；4-中内撑机构；5-下内撑机构；6-筒段支撑伸缩组件；7-环缝外抱压紧机构；8-环抱滚轮组；9-外抱驱动组件；10-升降立柱；11-移动滑台；12-立柱旋转机构；13-立柱升降组件；14-伸缩块；15-伸缩驱动元件；16-工装立柱；17-分瓣；18-内撑驱动件；19-环形背保气槽。

实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的技术方案。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。在一些例子中，由于一些实施方式属于现有或常规技术，因此并没有描述或没有详细的描述。

此外，本文中记载的技术特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，还可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。对于本领域的技术人员来说，易于理解与本文提供的实施例有关的方法的步骤或操作顺序还可以改变。附图和实施例中的任何顺序仅仅用于说明用途，并不暗示要求按照一定的顺序，除非明确说明要求按照某一顺序。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，在合理情况下(不构成自相矛盾的情况下)，均包括直接和间接连接(联接)。

图2至图7示出了本发明实施例提供的筒体环缝激光焊接工作站，用于从下至上依次堆叠第1筒段、第2筒段、……、第n筒段，并完成n-1条环缝的焊接，n≥2；所述工作站包括焊接转台1、焊接机器人2、定位拼接筒段的环缝内撑工装系统，环缝内撑工装系统位于焊接转台1上；环缝内撑工装系统包括同心设置的上内撑机构3、中内撑机构4和下内撑机构5；下内撑机构5在竖直方向固定设置，用于撑紧固定处于最下方的第1筒段；中内撑机构4的下端设置有可伸出中内撑机构4外圆面的筒段支撑伸缩组件6，筒段支撑伸缩组件6用于第n筒段的初始支撑；上内撑机构3和中内撑机构4升降设置，上内撑机构3用于将第n筒段撑紧固定并向下移送堆叠，中内撑机构4至少用于撑紧环缝。图1所示筒体为例，n=4，从下至上依次为第1筒段、第2筒段、第3筒段、第4筒段，共3个环缝。

多个筒段从下至上堆叠，第1筒段先吊装至焊接转台1的下内撑机构5外，由下内撑机构5撑紧固定，第1筒段即为最下方的筒段，后续吊装第2筒段到筒段支撑伸缩组件6上，由上内撑机构3或上内撑机构3和中内撑机构4一起撑紧固定，并带动向下组对，到位焊接之前，中内撑机构4收回并运动至环缝处、并撑紧环缝，上内撑机构3始终撑紧固定第2筒段，进行第1条环缝的焊接，以此类推，吊装第3筒段，中内撑机构4撑紧第2条环缝，焊接机器人2进行第2条环缝焊接，直至完成所有环缝焊接。中内撑机构4除了用于撑紧环缝，还可与上内撑机构3一起进行待焊接筒段的固定和向下运送，形成内撑升降双层设计，可采用伺服升降驱动，具备筒段组对间隙伺服精准控制功能，确保激光焊接工艺，同时也为激光跟踪提供跟踪基础。

筒段支撑伸缩组件6用于每次吊装入除第1筒段外的其他筒段时，对其进行初始支撑，放置好后便可由上内撑机构3或上内撑机构3和中内撑机构4一起撑紧固定。下内撑机构5可对应撑紧在第1筒段的下端，撑紧后，第1筒段的上端会产生一定变形，在中内撑机构4撑紧环缝时，即撑紧第1筒段与第2筒段的相对端边缘，第1筒段上端的变形则得到恢复。

还包括环缝外抱压紧机构7，用于从外部压紧环缝处的筒段；环缝外抱压紧机构7包括对应在环缝上下两侧的环抱滚轮组8、和带动环抱滚轮组8推出压紧的外抱驱动组件9。具体环抱滚轮组8可包括分布成上下两排的多个滚轮，所有滚轮形成与筒段一致的弧形顶紧面。上下双重结构的环抱滚轮组8可分别滚压上下两个筒段，确保与内撑贴实并预留出焊接位，即两排滚轮之间的间隔，焊接机器人2从上下滚轮之间对环缝进行焊接，可控制环抱滚轮组8对筒段的顶紧摩檫力，避免转动打滑。

焊接机器人2为激光焊接，可采用发那科机器人系统。本工作站还包括行走系统，所述焊接机器人2安装在行走系统上，行走系统驱动焊接机器人2在X轴方位、Z轴方位、R轴旋转方位运动；X轴方位为水平方向，Z轴方位为竖直方向，R轴旋转方位为以竖直方向为回转中心。通过行走系统增大焊接机器人2工作范围与工位间切换。X轴方位、Z轴方位、R轴旋转方位运动驱动可由机器人外部轴伺服电机驱动，高精度减速电机，齿轮齿条传动，运行精度高，可最大限度确保机器人姿态及激光焊接姿态，由于配备Z轴方位升降，进一步提高了机器人可达范围，对后期拼板焊接工位不会因机器人可达范围问题导致工位布局困难。行走系统具体可包含升降立柱10、移动滑台11、立柱旋转机构12、立柱升降组件13，焊接机器人2安装在升降立柱10上，由立柱升降组件13驱动升降，即Z轴方位运动，升降立柱10安装在移动滑台11上，即X轴方位运动，立柱旋转机构12带动升降立柱10旋转，即R轴旋转方位运动。立柱旋转机构12可采用伺服电机驱动和齿轮传动，立柱升降组件13可采用伺服电机升降驱动机构。

筒段支撑伸缩组件6为周向间隔分布的多个，每个筒段支撑伸缩组件6均包括伸缩块14和与伸缩块14连接的伸缩驱动元件15。伸缩块14伸出中内撑机构4外圆即可用于承接第n筒段，伸缩块14的运动方向可为中内撑机构4的直径方向，伸缩驱动元件15可为气缸。

环缝内撑工装系统还包括固定于焊接转台1的工装立柱16，所述上内撑机构3和中内撑机构4安装在工装立柱16上，工装立柱16上安装有驱动上内撑机构3和中内撑机构4升降的升降驱动组件，具体可采用伺服电机驱动，上内撑机构3和中内撑机构4的升降可分开驱动，也可共同驱动。上内撑机构3、中内撑机构4和下内撑机构5均分别由四个分瓣17形成环状结构，保证工件受压力均匀以及焊缝背面成形，每个分瓣17连接有驱动其向外撑紧和向内收回的内撑驱动件18，内撑驱动件18可采用气缸。上内撑机构3、中内撑机构4和下内撑机构5的外圆面均具有环形背保气槽19，提供背气保护，确保焊缝成形美观。在焊接不锈钢筒体的情况下，分瓣17可采用铜合金衬垫。

本实施例还提供一种筒体环缝激光焊接方法，从下至上依次堆叠焊接n个筒段，n≥2，包括以下步骤：

S1.将第1筒段放置到焊接转台1上，下内撑机构5撑紧固定第1筒段；

S2.依次对第2筒段、第3筒段、……、第n筒段进行以下操作：将第n筒段放置到伸出的筒段支撑伸缩组件6上，上内撑机构3撑紧第n筒段后，筒段支撑伸缩组件6缩回；上内撑机构3带动第n筒段继续下降至第n筒段与第n-1筒段之间形成第n-1条环缝，中内撑机构4下降至该第n-1条环缝并撑紧第n筒段与第n-1筒段的相对端边缘，焊接机器人2焊接第n-1条环缝；焊接后，上内撑机构3和中内撑机构4收回后上升，筒段支撑伸缩组件6伸出。即定位好第1筒段后，吊装第2筒段，由环缝内撑工装系统固定并移送对位后进行第2筒段与第1筒段的焊接，即第1条环缝焊接；再吊装第3筒段，进行第2条环缝焊接，以此类推。

步骤S2中，在将第n筒段放置到伸出的筒段支撑伸缩组件6上之后，由上内撑机构3和中内撑机构4同时撑紧第n筒段，筒段支撑伸缩组件6缩回；上内撑机构3和中内撑机构4带动第n筒段下降，中内撑机构4收回，由上内撑机构3带动第n筒段继续下降至第n筒段与第n-1筒段之间形成第n-1条环缝，中内撑机构4再下降至该第n-1条环缝并撑紧第n筒段与第n-1筒段的相对端边缘。由上内撑机构3和中内撑机构4同时撑紧第n筒段并向下运动，运动到接近第n-1筒段时，中内撑机构4可收回，上内撑机构3带动第n筒段继续下降到位，即到达待焊接位置（第n-1条环缝），中内撑机构4移动至该环缝并撑开。上内撑机构3和中内撑机构4同时撑紧第n筒段时，上内撑机构3和中内撑机构4可分别对应撑在第n筒段的上边缘和下边缘。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.筒体环缝激光焊接工作站，其特征在于，用于从下至上依次堆叠第1筒段、第2筒段、……、第n筒段，并完成n-1条环缝的焊接，n＞2；所述工作站包括焊接转台、焊接机器人、环缝外抱压紧机构、定位拼接筒段的环缝内撑工装系统，环缝内撑工装系统位于焊接转台上；环缝内撑工装系统包括同心设置的上内撑机构、中内撑机构和下内撑机构；下内撑机构在竖直方向固定设置，用于撑紧固定处于最下方的第1筒段；中内撑机构的下端设置有可伸出中内撑机构外圆面的筒段支撑伸缩组件，筒段支撑伸缩组件用于第n筒段的初始支撑；上内撑机构和中内撑机构升降设置，上内撑机构用于将第n筒段撑紧固定并向下移送堆叠，中内撑机构用于与上内撑机构一起将第n筒段撑紧固定并向下移送堆叠以及用于撑紧环缝；环缝外抱压紧机构用于从外部压紧环缝处的筒段，环缝外抱压紧机构包括对应在环缝上下两侧的环抱滚轮组、和带动环抱滚轮组推出压紧的外抱驱动组件；所述环抱滚轮组包括分布成上下两排的多个滚轮，所有滚轮形成与筒段一致的弧形顶紧面；所述上内撑机构、中内撑机构和下内撑机构均分别由四个分瓣形成环状结构，每个分瓣连接有驱动其向外撑紧和向内收回的内撑驱动件；所述上内撑机构、中内撑机构和下内撑机构的外圆面均具有环形背保气槽。

2.根据权利要求1所述的筒体环缝激光焊接工作站，其特征在于，还包括行走系统，所述焊接机器人安装在行走系统上，行走系统驱动焊接机器人在X轴方位、Z轴方位、R轴旋转方位运动；X轴方位为水平方向，Z轴方位为竖直方向，R轴旋转方位为以竖直方向为回转中心。

3.根据权利要求1所述的筒体环缝激光焊接工作站，其特征在于，所述筒段支撑伸缩组件为周向间隔分布的多个，每个筒段支撑伸缩组件均包括伸缩块和与伸缩块连接的伸缩驱动元件。

4.根据权利要求1所述的筒体环缝激光焊接工作站，其特征在于，所述环缝内撑工装系统还包括固定于焊接转台的工装立柱，所述上内撑机构和中内撑机构安装在工装立柱上，工装立柱上安装有驱动上内撑机构和中内撑机构升降的升降驱动组件。

5.一种如权利要求1所述的筒体环缝激光焊接工作站的筒体环缝激光焊接方法，其特征在于，从下至上依次堆叠焊接n个筒段，包括以下步骤：

步骤S1.将第1筒段放置到焊接转台上，下内撑机构撑紧固定第1筒段；

步骤S2.依次对第2筒段、第3筒段、……、第n筒段进行以下操作：将第n筒段放置到伸出的筒段支撑伸缩组件上之后，由上内撑机构和中内撑机构同时撑紧第n筒段，筒段支撑伸缩组件缩回；上内撑机构和中内撑机构带动第n筒段下降，中内撑机构收回，由上内撑机构带动第n筒段继续下降至第n筒段与第n-1筒段之间形成第n-1条环缝，中内撑机构再下降至该第n-1条环缝并撑紧第n筒段与第n-1筒段的相对端边缘，焊接机器人焊接第n-1条环缝；焊接后，上内撑机构和中内撑机构收回后上升，筒段支撑伸缩组件伸出。

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