CN116493757A - 一种大型筒体三维焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型筒体三维焊接装置及方法,包括:筒体、筒体支撑组件、激光焊接组件、支架、电磁激励组件和焊接控制模块;筒体可转动的放置于筒体支撑组件;激光焊接组件可移动的安装于支架,激光焊接组件的激光发射端朝向筒体分布;电磁激励组件可滑动与抵接于筒体,用于对筒体进行电磁冲击;焊接控制模块与激光焊接组件通信连接,用于发送第一运动指令和激光指令至激光焊接组件控制激光焊接组件的运动和激光参数选择;焊接控制模块还与电磁激励组件通信连接,并用于电磁激励组件的运动和电磁参数选择。本发明解决了现有技术中无针对大型筒体用的电磁辅助三维焊接装置以及对冷却后的焊缝进行电磁冲击处理以修复缺陷、消除残余应力、提高极端服役性能的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及焊接制造技术领域,具体涉及一种大型筒体三维焊接装置及方法。
背景技术
大型筒体在航空、航天、航海、武器装备等领域中应用广泛,通常需要满足高密封性、高安全性、高可靠性的要求。激光焊接是大型筒体主要的连接方式,焊缝形式涉及纵焊缝、环焊缝及复杂曲线焊缝。激光焊是以高能量密度的激光束作为焊接热源的高效焊接方法。与传统焊接方式相比,激光焊主要优点是能量集中、热影响区窄、不受电磁场干扰、灵活性高、能够实现非接触式焊接。在大型筒体服役过程中,焊缝处作为性能薄弱区,不仅容易存在各类焊接缺陷,而且过大且分布不均匀的残余应力容易导致薄壁筒体发生严重扭曲变形,极大地降低了筒体工作性能和服役寿命,甚至造成无可挽回的灾难性后果。
电磁作为具有高传输速率、高能流密度的能量载体,将能量直接传递至材料原子尺度,改变原子排列、迁移等行为。采用电磁场辅助焊接提升焊缝组织性能是高性能焊接的重要发展方向。当材料被激光束照射时,材料会在瞬间被熔化形成熔池。熔池中的金属溶质原子处于铁液的包裹中,具有很强的物化活性,这时熔池的电阻将会降低,这将为高能脉冲能量施加提供先决条件。焊接过程中,当激光和脉冲电流同时作用于焊接熔池时,Fe原子和其他溶质原子会在电磁感应效应,电场力和洛伦兹力等作用下做定向移动,原子的扩散速度得到极大提高,这将会增加熔池中的元素分布的均匀性,使焊缝上、中和下部的成分和组织分布更加均匀合理;同时电磁能量对熔池的搅拌作用会使熔池中的枝晶破碎,使熔池冷却过程中的形核率大大增加,有利于细化晶粒。焊后处理时,当电磁场施加在焊缝两侧时,在高能脉冲能量的推动下,焊缝及热影响区高能不稳定原子重排,促进位错运动,使位错塞积和位错缠结得到有效抑制,并靶向修复焊缝微纳损伤缺陷(微裂纹、微孔洞),降低焊缝和热影响区的应力集中,有效提高焊接接头力学性能,延长其极端工况下的使用寿命。
目前现有技术中,专利一“基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置及方法”(申请号:CN202111305490.2)公开了一种降低搅拌摩擦焊焊接过程中铝合金变形较大的方法,在磁场作用时可有效降低钢铝界面的金属间化合物,提高焊缝质量。该公开方法的磁场发生装置放置在待焊工件下部。其作用机理为利用外加磁场产生的洛伦兹力均匀化熔池中的合金元素分布,抑制金属间化合物的生成。专利二“一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置及方法”(申请号:CN202010011886.5)公开了一种外加横向磁场对焊接时产生的等离子体的分布影响,改善了工件对激光束能量的吸收,提高了T型构件的焊接质量。该公开方法的磁场发生器置于待焊件两侧。该公开发明的作用机理是利用磁场调控等离子的分布,提高激光的作用能效。上述两项专利所提的方法均仅均在焊接过程中施加了磁场能量,但是焊接后未及时针对焊缝和热影响区进行电磁冲击处理,无法修复焊缝和热影响区处的微纳损伤缺陷(位错塞积、微空洞)、无法消除焊接过程中产生的残余应力。此外,上述专利并未针对大型筒体独特的结构特点进行三维智能焊接装备设计。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足,提供一种一种大型筒体三维焊接装置及方法,解决现有技术中无针对大型筒体结构专用的三维电磁辅助焊接装置以及对焊缝和热影响区进行电磁冲击处理以修复焊接缺陷、消除焊接残余应力的技术问题。
为达到上述技术目的,本发明采取了以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种大型筒体三维焊接装置,包括:筒体、筒体支撑组件、激光焊接组件、支架、电磁激励组件和焊接控制模块;其中:
所述筒体可以为圆形、椭圆形或变曲率截面筒体,其可转动的放置于所述筒体支撑组件;
所述激光焊接组件可移动的安装于所述支架,所述激光焊接组件的激光发射端朝向所述筒体分布;
所述电磁激励组件可滑动与抵接于筒体,用于对所述筒体进行电磁冲击处理;
所述焊接控制模块与所述激光焊接组件通信连接,用于发送第一运动指令和激光指令至所述激光焊接组件,并根据所述第一运动指令控制所述激光焊接组件的运动,以及根据所述激光指令控制所述激光焊接组件的激光参数选择;
所述焊接控制模块还与所述电磁激励组件通信连接,用于发送第二运动指令和电磁指令至所述电磁激励组件,并根据所述第二运动指令控制所述电磁激励组件的运动,以及根据所述电磁指令控制所述电磁激励组件的电磁参数选择。
在一些实施例中,所述激光焊接组件包括焊接机器人臂、激光电源、激光能量控制器、激光跟踪器和激光焊接头;
所述焊接机器人臂可移动的安装于所述支架,所述焊接机器人臂用于基于所述焊接控制模块发送的第一运动指令改变其工作位置及工作角度;
所述激光电源搭载于所述支架,所述激光电源与所述激光能量控制器电连接,用于给所述激光能量控制器提供电能;
所述激光能量控制器安装于所述焊接机器人臂的中部,所述激光能量控制器与所述激光焊接头通信连接,所述激光能量控制器用于控制所述激光焊接头的输出能量;
所述激光跟踪器与所述激光电源电性连接,且与所述激光焊接头通信连接,用于监测所述激光焊接头与所述筒体之间的相对位置信息,并将所述相对位置信息发送至所述焊接控制模块;
所述激光焊接头与所述焊接控制模块通信连接,用于基于所述相对位置信息和所述激光指令对所述筒体进行激光焊接工作。
在一些实施例中,所述焊接机器人臂包括滑块、第一支臂、第二支臂和第三支臂,所述滑块可滑动的安装于所述支架,所述第一支臂一端固定连接于所述滑块,所述第二支臂的一端可绕第一方向转动的连接于所述第一支臂远离所述滑块的一端,所述第三支臂可绕第二方向转动的连接于所述第二支臂远离所述第一支臂的一端;其中所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
在一些实施例中,所述电磁激励组件包括电磁电源、电极支撑架、两组电极和电磁发生器;
所述电磁电源搭载于所述支架,所述电磁电源与所述电极电连接,用于给所述电极提供电能;
所述电极支撑架可转动的连接于所述支架,所述电极支撑架用于基于所述焊接控制模块发送的第二运动指令改变其运动位置;
所述两组电极均固定安装于所述电极支撑架,且两组所述电极分别与所述筒体的内壁和外壁抵接,所述电极基于所述电磁电源提供的电能与所述筒体抵接产生电磁场作用于所述筒体;
所述电磁发生器安装于所述支架,用于基于所述焊接控制模块发送的所述电磁指令对产生的高能脉冲电流的波形、频率、占空比和电流大小进行控制。
在一些实施例中,所述筒体支撑组件包括导轨组、两个支撑块和四个滚筒;所述导轨组包括第一导轨和第二导轨,所述第一导轨和所述第二导轨相对间隔分布,所述两个支撑块的两端分别滑动安装于所述第一导轨和所述第二导轨,所述四个滚筒分别可转动的安装于所述两个支撑块的两端,所述筒体搁置于所述筒体支撑组件且与所述滚筒抵接。
在一些实施例中,所述大型筒体三维焊接装置还包括气罐和激光水冷机,所述气罐用于提供焊接所需的保护性气体;所述激光水冷机的出水口朝向所述激光焊接头和所述电极,用于提供冷却水对所述激光焊接头和所述电极降温。
在一些实施例中,所述大型筒体三维焊接装置还包括CCD高频相机,所述CCD高频相机与所述焊接控制模块通信连接,用于实时获取焊接工作画面信息并将所述工作画面信息传输至所述焊接控制模块,所述焊接控制模块用于根据所述工作画面信息生成画面显示指令。
在一些实施例中,所述大型筒体三维焊接装置还包括显示屏,所述显示屏与所述CCD高频相机和所述焊接控制模块通信连接,所述显示屏用于基于所述焊接控制模块发送的画面显示指令实时显示焊接工作画面。
第二方面,本发明还提供了一种大型筒体三维焊接方法,应用于上述任一项所述的大型筒体三维焊接装置,所述方法包括:
将所述筒体搁置于所述筒体支撑组件;
基于所述焊接控制模块控制所述激光焊接组件的运动路径以及激光焊接参数;
基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的动作路径及电磁生成参数;
根据所述激光焊接组件的运动路径、激光焊接参数、电磁激励组件的动作路径以及电磁生成参数,对所述筒体进行电磁冲击辅助激光焊接操作,得到筒体的初始焊接状态;
基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的二次动作路径及二次电磁生成参数,对所述初始焊接状态的筒体进行电磁冲击,得到目标焊接筒体。
在一些实施例中,在得到所述目标焊接筒体的过程中,还包括:
基于所述CCD高频相机和所述显示屏获取所述筒体的实时焊接画面,并将实时显示所述焊接画面;
基于所述激光水冷机对所述激光焊接头进行冲淋,以降低所述激光焊接头的工作温度。
与现有技术相比,本发明提供的大型筒体三维焊接装置,通过设置筒体支撑组件用于放置两个待焊接筒体,并且将电磁激励组件抵接于筒体,电磁能量能够直接作用于筒体能够避免电磁的空间损耗,进一步的,通过焊接控制模块控制激光焊接组件的位置及激光参数的选取,从而对筒体进行激光焊接,同时通过焊接控制模块控制电磁激励组件的位置和电磁发生的参数,实现电磁激励辅助激光进行焊接,从而实现了解决大型筒体焊接难的问题。
进一步的,本发明提供的大型筒体三维焊接方法,首先将所述筒体搁置于所述筒体支撑组件;随后基于所述焊接控制模块控制所述激光焊接组件的运动路径以及激光焊接参数;随后基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的动作路径及电磁生成参数;并且根据所述激光焊接组件的运动路径、激光焊接参数、电磁激励组件的动作路径以及电磁生成参数,对所述筒体进行电磁冲击辅助激光焊接操作,得到筒体的初始焊接状态;最后基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的二次动作路径及二次电磁生成参数,对所述初始焊接状态的筒体进行电磁冲击,得到目标焊接筒体。本发明在筒体焊接完成后,电磁场再次作用于焊缝及热影响区,减少了位错缠结、修复焊缝微纳缺陷,并且消除残余应力的影响,提高了构件的极端服役性能。
附图说明
图1是本发明提供的大型筒体三维焊接装置的一实施例的结构示意图;
图2是本发明提供的大型筒体三维焊接装置中,激光焊接组件部分的一实施例的放大结构示意图;
图3是本发明提供的大型筒体三维焊接装置的一实施例的另一角度结构示意图;
图4本发明提供的大型筒体三维焊接方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种大型筒体三维焊接装置,请参阅图1-3,包括:筒体1、筒体支撑组件2、激光焊接组件3、支架4、电磁激励组件5和焊接控制模块6;其中:
所述筒体1可转动的放置于所述筒体支撑组件2;
所述激光焊接组件3可移动的安装于所述支架4,所述激光焊接组件3的激光发射端朝向所述筒体1分布;
所述电磁激励组件5可滑动与抵接于筒体1,用于对所述筒体1进行电磁冲击处理;
所述焊接控制模块6与所述激光焊接组件3通信连接,用于发送第一运动指令和激光指令至所述激光焊接组件3,并根据所述第一运动指令控制所述激光焊接组件3的运动,以及根据所述激光指令控制所述激光焊接组件3的激光参数选择;
所述焊接控制模块还与所述电磁激励组件5通信连接,用于发送第二运动指令和电磁指令至所述电磁激励组件5,并根据所述第二运动指令控制所述电磁激励组件5的运动,以及根据所述电磁指令控制所述电磁激励组件5的电磁参数选择。
在本实施例中,通过设置筒体支撑组件2用于放置两个待焊接筒体1,并且将电磁激励组件5抵接于筒体1,电磁能量能够直接作用于筒体1能够避免电磁的空间损耗,进一步的,通过焊接控制模块6控制激光焊接组件3的位置及激光参数的选取,从而对筒体1进行激光焊接,同时通过焊接控制模块6控制电磁激励组件5的位置和电磁发生的参数,实现电磁激励辅助激光进行焊接,从而实现了解决了大型筒体1焊接难的问题。
进一步的,本实施例利用电磁冲击能量对熔融态及凝固过程焊缝进行搅拌冲击和诱导形核,实现组织成分均化与细晶强化,并对冷却后的焊缝进行微结构优化、缺陷靶向修复和残余应力调控,严格控制焊接变形,显著改善焊接接头的微观显微组织和力学性能。所提的三维智能焊接装备专门针对于大型筒体1焊接,其中耐高温电极可以置于离激光熔池很近的热影响区位置(取决于熔池宽度),大幅降低能量的损耗。同时降低了焊接过程中的气孔、夹渣、应力集中和焊接变形等缺陷,实现大型筒体1环缝和复杂焊缝高质量焊接,解决筒体1极端服役性能差、可靠性低等难题。
在一些实施例中,所述激光焊接组件3包括焊接机器人臂31、激光电源32、激光能量控制器33、激光跟踪器34和激光焊接头35;
所述焊接机器人臂31可移动的安装于所述支架4,所述焊接机器人臂31用于基于所述焊接控制模块6发送的第一运动指令改变其工作位置及工作角度;
所述激光电源32搭载于所述支架4,所述激光电源32与所述激光能量控制器33电连接,用于给所述激光能量控制器33提供电能;
所述激光能量控制器33安装于所述焊接机器人臂31的中部,所述激光能量控制器33与所述激光焊接头35通信连接,所述激光能量控制器33用于控制所述激光焊接头35的输出能量;
所述激光跟踪器34与所述激光电源32电性连接,且与所述激光焊接头35通信连接,用于监测所述激光焊接头35与所述筒体1之间的相对位置信息,并将所述相对位置信息发送至所述焊接控制模块6;
所述激光焊接头35与所述焊接控制模块6通信连接,用于基于所述相对位置信息和所述激光指令对所述筒体1进行激光焊接工作。
在本实施例中,通过焊接控制模块6控制焊接机器人臂31运动,从而带动激光焊接头35运动,以使激光焊接头35精准的到达待焊接的位置进行焊接工作,并且通过激光电源32给激光能领控制器供电以使激光能量控制器33控制激光焊接头35的能量输出,从而可根据焊缝的深度、大小等物理特征精准调控焊机激光的能量从而避免能量浪费。
需要说明的是,激光电源32为直流电或者交流电,可提供的电流值设定范围为0-1000A。激光能量控制器33通过控制光缆线与激光焊接头35和激光电源32相连,可进行焊接时的激光功率的设置控制激光器输出能量、可进行焊接模式和焊接路径的选择;具体的,激光能量控制器33为光纤激光器、固体激光器或者气体激光器中的一种,激光功率范围为1000W-80000W。激光焊接头35包含激光发生器,激光器为光纤激光器、固体激光器或者气体激光器中的一种,激光功率范围为1000W-80000W。
进一步的,激光器的输出能量可以通过以下公式计算:
激光输出的总功率(P0)可以认为是由焊缝熔化所需功率(Pf)、焊缝金属蒸发所需功率(Pv)、过热的焊缝熔池金属所需功率(Po)和热传导所需功率(Pc)组成,其数学表达式如下:
其中,R为激光小孔对激光总的吸收率。
其中,Pf的计算公式如下:
Pf=ρsSν[cs(Tm-T0)+ΔHF]
其中,ρS为材料从室温到熔点的平均密度;cs为材料从室温加热到熔点的平均比热容;S为焊缝的横截面积;Tm为材料的熔点;室温T0=298K;ΔHF为材料的熔化潜热。
其中,Pν的计算公式如下:
其中,mEV为焊接时蒸发的材料质量;VEV为蒸气原子喷发的初始速度;ΔHEV为材料蒸发潜热。
其中,cl为熔池金属的平均热容;ρl为熔池金属平均密度;T为熔池金属平均温度。
其中,Pc的计算公式如下:
其中,κs材料的平均热扩散率,λs是材料的平均热导率。
在一些实施例中,所述焊接机器人臂31包括滑块311、第一支臂312、第二支臂313和第三支臂314,所述滑块311可滑动的安装于所述支架4,所述第一支臂312一端固定连接于所述滑块311,所述第二支臂313的一端可绕第一方向转动的连接于所述第一支臂312远离所述滑块311的一端,所述第三支臂314可绕第二方向转动的连接于所述第二支臂313远离所述第一支臂312的一端;其中所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
在本实施例中,通过将机械臂设置为多段可转动连接的结构,能够实现激光焊接头35的六自由度运动控制。
在一些实施例中,所述电磁激励组件5包括电磁电源51、电极支撑架52、两组电极53和电磁发生器54;
所述电磁电源51搭载于所述支架4,所述电磁电源51与所述电极53电连接,用于给所述电极53提供电能;
所述电极53支撑架52可转动的连接于所述支架4,所述电极53支撑架52用于基于所述焊接控制模块6发送的第二运动指令改变其运动位置;
所述两组电极53均固定安装于所述电极支撑架52,且两组所述电极53分别与所述筒体1的内壁和外壁抵接,所述电极53基于所述电磁电源51提供的电能与所述筒体1抵接产生电磁场作用于所述筒体1;
所述电磁发生器54安装于所述支架4,用于基于所述焊接控制模块6发送的所述电磁指令对产生的高能脉冲电流的波形、频率、占空比和电流大小进行控制。
在本实施例中,所述电磁发生器54通过铜导线与电极53连接,主要用于产生高能脉冲电流,并能通过焊接控制模块6对脉冲电流的波形、频率、占空比和电流大小进行控制用于产生电流与磁场。
在一个具体的实施例中,为了电极53与筒体1更好的贴合且便于相对于筒体1做滚动运动,因此将筒体1设置成圆形,耐高温圆柱形电极53分别与电磁发生装器和电极支撑架52进行连接,耐高温圆柱形电极53共有两对,一对置于待焊件筒体1的上表面,一对置于待焊件筒体1的下表面,上、下表面的耐高温圆柱形电极53分别位于焊缝两侧,且电极53的连线与焊缝垂直。进一步的,所述耐高温圆柱形电极53与激光光斑的相对位置:可以置于激光光斑前方,也可以置于激光光斑后方,还能够与激光光斑位于同一水平直线上;耐高温圆柱形电极53表面涂有石墨润滑剂,减少电极53和待焊件圆筒之间的摩擦作用,提高电极53使用寿命。
所述电极支撑架52分别与激光电源32和焊接控制模块6连接,用于控制的耐高温圆柱形电极53的运动,电极支撑架52包括3个自由度,可以俯仰、旋转及移动,靠紧固螺栓固定其位置。
激光焊接头35包含激光发生器,所述激光器为光纤激光器、固体激光器或者气体激光器中的一种,激光功率范围为1000W-80000W。
在一些实施例中,所述筒体支撑组件2包括导轨组21、两个支撑块22和四个滚筒23;所述导轨组包括第一导轨和第二导轨,所述第一导轨和所述第二导轨相对间隔分布,所述两个支撑块的两端分别滑动安装于所述第一导轨和所述第二导轨,所述四个滚筒分别可转动的安装于所述两个支撑块的两端,所述筒体1搁置于所述筒体支撑组件2且与所述滚筒抵接。
在本实施例中,通过设置相对分布的第一导轨和第二导轨,支撑块能够沿着导轨靠近和分离,从而使得待焊接的两个筒体1的相互靠近,实现了自动移动筒体1的目的。同时通过设置滚筒与筒体1接触,能够促进筒体1的转动,从而更好地完成360°的焊接。
在一些实施例中,所述大型筒体三维焊接装置还包括气罐7和激光水冷机8,所述气罐用于提供焊接所需的保护性气体;所述激光水冷机的出水口朝向所述激光焊接头35和所述电极53,用于提供冷却水对所述激光焊接头35和所述电极53降温。
在本实施例中,所述保护气罐用于提供焊接所需的保护性气体,保护气的种类可以是氩气、氦气、氮气中的1种,也可以是2种或3种以上气体的混合气;激光水冷机通过冷却管与激光焊接头35和耐高温圆柱形电极53连接,工作时通过将冷却水运输到激光焊接头35和耐高温圆柱形电极53处,吸收工作时产生的热量,提高激光器的使用寿命。
在一些实施例中,所述大型筒体三维焊接装置还包括CCD高频相机9,所述CCD高频相机与所述焊接控制模块6通信连接,用于实时获取焊接工作画面信息并将所述工作画面信息传输至所述焊接控制模块6,所述焊接控制模块6用于根据所述工作画面信息生成画面显示指令。
在本实施例中,CCD高频相机通过CCD相机锁紧机构与焊接机器人臂31相连,并用于对工件进行实时显微观察,将拍得的画面实时传回焊接控制模块6。
在一些实施例中,所述大型筒体三维焊接装置还包括显示屏10,所述显示屏与所述CCD高频相机和所述焊接控制模块6通信连接,所述显示屏用于基于所述焊接控制模块6发送的画面显示指令实时显示焊接工作画面。
在本实施例中,焊接控制模块6与液晶显示屏、激光能量控制器33、电磁发生器54、CCD高频相机连接,液晶显示屏分别与焊接控制模块6和CCD高频相机连接,用于显示进行参数设置的人机交互界面和实时反映CCD高频相机的监控画面。
基于上述大型筒体三维焊接装置,本发明实施例还提供了一种大型筒体三维焊接方法请参阅图4,所述方法包括:
S401、将所述筒体搁置于所述筒体支撑组件;
S402、基于所述焊接控制模块控制所述激光焊接组件的运动路径以及激光焊接参数;
S403、基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的动作路径及电磁生成参数;
S404、根据所述激光焊接组件的运动路径、激光焊接参数、电磁激励组件的动作路径以及电磁生成参数,对所述筒体进行电磁冲击辅助激光焊接操作,得到筒体的初始焊接状态;
S405、基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的二次动作路径及二次电磁生成参数,对所述初始焊接状态的筒体进行电磁冲击,得到目标焊接筒体。
在本实施例中,通过焊接控制模块控制电磁激励组件和激光焊接组件的运动位置及参数设置,从而实现对待焊接的筒体的一次焊接,得到初始焊接状态的筒体,再对筒体进行单独的第二次电磁冲击处理,第二次电磁冲击主要是利用高能脉冲电流的热效应和非热效应来靶向调控焊接接头内部的微观结构和宏观力学性能。利用高能脉冲电流产生的电子风力来降低热影响区和焊缝内部的位错塞积和位错缠结,降低残余应力峰值,使应力分布更加均匀。同时,在焊接接头内部的微观裂纹和孔隙处的电阻/磁阻较大,可以通过电流绕流作用,在裂纹尖端产生较大的热压应力促进微观裂纹和孔隙的愈合。此外,高能脉冲电流可以直接驱动微区高能不稳定原子重构,精细调控微区结构,促进亚稳相转变,“靶向”修复损伤缺陷,显著降低焊接残余应力和焊接变形。
在一些实施例中,在得到所述目标焊接筒体的过程中,还包括:
基于所述CCD高频相机和所述显示屏获取所述筒体的实时焊接画面,并将实时显示所述焊接画面;
基于所述激光水冷机对所述激光焊接头35进行冲淋,以降低所述激光焊接头35的工作温度。
在本实施例中,控制导轨22的移动速度为0.1m/min-10m/s,激光焊接参数为:激光功率为100W-50000W,焊接速度为10cm/min-10m/s,离焦量为-10mm-10mm,气体流量为5L/min-35L/min。激光焊接时可采用连续激光模式,脉冲激光模式或振镜激光模式的一种,也可以采用连续+振镜模式或脉冲+振镜模式的一种;电磁发生器的参数为:电流密度为1A/mm2-100000A/mm2,电流频率为5HZ-500HZ,脉冲电流持续时间为1fs-1000s,脉冲电流周期为5s-1000s;脉冲电流可以是单向脉冲电流和双向脉冲电流中的一种或两种的组合;脉冲电流的波形可以方波、三角波、锯齿波正弦波或余弦波的一种或两种及三种以上的组合。
进一步的,将CCD高频相机设备通过网线一端连接设备的接口,另一端连接电脑的接口。另外通过导线与电源连接,以预定的角度与距离安装,实时记录监测焊接过程中焊缝的变化。CCD高频相机的安装角度与工作平面一般不小于20°角,根据所用镜头的不同,调节镜头距焊缝的距离。若呈现出的图像不清晰,则通过调节镜头焦距和光圈细微调整。
耐高温圆柱形电极的厚度为1-30mm,直径为1-100mm,分别置于筒形件内外两侧,距离焊缝10-100mm,电极与筒体内外侧面可靠接触,通过可旋转移动的电极支撑装置固定电极,保证电极与焊缝的距离。另一端与电源3连接,形成闭合回路。
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大型筒体三维焊接装置,其特征在于,包括:筒体、筒体支撑组件、激光焊接组件、支架、电磁激励组件和焊接控制模块;其中:
所述筒体可以为圆形、椭圆形或变曲率截面筒体,其可转动的放置于所述筒体支撑组件;
所述激光焊接组件可移动的安装于所述支架,所述激光焊接组件的激光发射端朝向所述筒体分布;
所述电磁激励组件可滑动与抵接于筒体,用于对所述筒体进行电磁冲击处理;
所述焊接控制模块与所述激光焊接组件通信连接,用于发送第一运动指令和激光指令至所述激光焊接组件,并根据所述第一运动指令控制所述激光焊接组件的运动,以及根据所述激光指令控制所述激光焊接组件的激光参数选择;
所述焊接控制模块还与所述电磁激励组件通信连接,用于发送第二运动指令和电磁指令至所述电磁激励组件,并根据所述第二运动指令控制所述电磁激励组件的运动,以及根据所述电磁指令控制所述电磁激励组件的电磁参数选择。
2.根据权利要求1所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述激光焊接组件包括焊接机器人臂、激光电源、激光能量控制器、激光跟踪器和激光焊接头;
所述焊接机器人臂可移动的安装于所述支架,所述焊接机器人臂用于基于所述焊接控制模块发送的第一运动指令改变其工作位置及工作角度;
所述激光电源搭载于所述支架,所述激光电源与所述激光能量控制器电连接,用于给所述激光能量控制器提供电能;
所述激光能量控制器安装于所述焊接机器人臂的中部,所述激光能量控制器与所述激光焊接头通信连接,所述激光能量控制器用于控制所述激光焊接头的输出能量;
所述激光跟踪器与所述激光电源电性连接,且与所述激光焊接头通信连接,用于监测所述激光焊接头与所述筒体之间的相对位置信息,并将所述相对位置信息发送至所述焊接控制模块;
所述激光焊接头与所述焊接控制模块通信连接,用于基于所述相对位置信息和所述激光指令对所述筒体进行激光焊接工作。
3.根据权利要求2所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述焊接机器人臂包括滑块、第一支臂、第二支臂和第三支臂,所述滑块可滑动的安装于所述支架,所述第一支臂一端固定连接于所述滑块,所述第二支臂的一端可绕第一方向转动的连接于所述第一支臂远离所述滑块的一端,所述第三支臂可绕第二方向转动的连接于所述第二支臂远离所述第一支臂的一端;其中所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
4.根据权利要求1所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述电磁激励组件包括电磁电源、电极支撑架、两组电极和电磁发生器;
所述电磁电源搭载于所述支架,所述电磁电源与所述电极电连接,用于给所述电极提供电能;
所述电极支撑架可转动的连接于所述支架,所述电极支撑架用于基于所述焊接控制模块发送的第二运动指令改变其运动位置;
所述两组电极均固定安装于所述电极支撑架,且两组所述电极分别与所述筒体的内壁和外壁抵接,所述电极基于所述电磁电源提供的电能与所述筒体抵接产生电磁场作用于所述筒体;
所述电磁发生器安装于所述支架,用于基于所述焊接控制模块发送的所述电磁指令对产生的高能脉冲电流的波形、频率、占空比和电流大小进行控制。
5.根据权利要求1所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述筒体支撑组件包括导轨组、两个支撑块和四个滚筒;所述导轨组包括第一导轨和第二导轨,所述第一导轨和所述第二导轨相对间隔分布,所述两个支撑块的两端分别滑动安装于所述第一导轨和所述第二导轨,所述四个滚筒分别可转动的安装于所述两个支撑块的两端,所述筒体搁置于所述筒体支撑组件且与所述滚筒抵接。
6.根据权利要求1所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述大型筒体三维焊接装置还包括气罐和激光水冷机,所述气罐用于提供焊接所需的保护性气体;所述激光水冷机的出水口朝向所述激光焊接头和所述电极,用于提供冷却水对所述激光焊接头和所述电极降温。
7.根据权利要求1所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述大型筒体三维焊接装置还包括CCD高频相机,所述CCD高频相机与所述焊接控制模块通信连接,用于实时获取焊接工作画面信息并将所述工作画面信息传输至所述焊接控制模块,所述焊接控制模块用于根据所述工作画面信息生成画面显示指令。
8.根据权利要求1所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述大型筒体三维焊接装置还包括显示屏,所述显示屏与所述CCD高频相机和所述焊接控制模块通信连接,所述显示屏用于基于所述焊接控制模块发送的画面显示指令实时显示焊接工作画面。
9.一种大型筒体三维焊接方法,应用于权利要求1-8任一项所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,所述方法包括:
将所述筒体搁置于所述筒体支撑组件;
基于所述焊接控制模块控制所述激光焊接组件的运动路径以及激光焊接参数;
基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的动作路径及电磁生成参数;
根据所述激光焊接组件的运动路径、激光焊接参数、电磁激励组件的动作路径以及电磁生成参数,对所述筒体进行电磁冲击辅助激光焊接操作,得到筒体的初始焊接状态;
基于所述焊接控制模块控制所述电磁激励组件的二次动作路径及二次电磁生成参数,对所述初始焊接状态的筒体进行电磁冲击,得到目标焊接筒体。
10.根据权利要求9所述的大型筒体三维焊接装置,其特征在于,在得到所述目标焊接筒体的过程中,还包括:
基于所述CCD高频相机和所述显示屏获取所述筒体的实时焊接画面,并将实时显示所述焊接画面;
基于所述激光水冷机对所述激光焊接头进行冲淋。
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