CN117066812B - 一种金属构件焊接装置及焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接领域，具体涉及一种金属构件焊接装置及焊接工艺。其中焊接装置包括框架、夹持组件、焊接组件和冷却组件，焊接组件包括焊接头，冷却组件包括内冷却块和外冷却块。本发明在焊接时，夹持组件转动带动两个管道同步转动，焊接头在预设位置对准焊接位置焊接形成焊缝，内冷却块从内部对焊缝进行冷却，外冷却块从外部对焊缝进行冷却，且内冷却块和外冷却块内部均具有循环流动的冷却水，冷却水能够直接与焊缝接触进而对焊缝进行浸水冷却，提高了冷却效率，保证了管道热应力的释放。

Description

一种金属构件焊接装置及焊接工艺

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体涉及一种金属构件焊接装置及焊接工艺。

背景技术

焊接，也称作熔接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料（如塑料）的制造工艺及技术。现代焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如野外、水下和太空。目前，市政建设工程、热网工程、化工工程等均需要使用管道，实际使用过程中，需要对管道进行焊接用以满足用户不同的使用需求。

焊接时需要对管道的焊缝进行冷却，现有技术中对焊接完成后的管道进行冷却处理常采用自然冷却或者辅助冷却，例如申请公布号为CN 111515567 A的中国专利文献公开了一种纵缝焊接防护结构、筒体纵缝焊接装置及相应的焊接方法，该方案用于对筒体纵向焊接，在焊接过程中，通过设置在筒体内外两侧的内冷却衬垫和外冷却衬垫对管体进行支撑防护，同时在外冷却衬垫和内冷却衬垫冷内部设置预埋冷却管道，在冷却管道内充冷却水，以此对焊缝冷却。但是该方案中，其一，外冷却衬垫和内冷却衬垫为分体结构且位于焊缝的两侧，并没有直接组作用于焊缝，使冷却效果大打折扣；其二，盘管冷却的方式虽然能够起到一定的冷却效果，但是对于焊接这种高热场合，盘管冷却不够及时高效，冷却效率有限。

发明内容

根据现有技术的不足之处，本发明提出了一种金属构件焊接装置及焊接工艺，以解决现有的焊接装置及焊接工艺冷却效率低的问题。

本发明的一种金属构件焊接装置用于对两个管道进行焊接，具体包括框架、夹持组件、焊接组件和冷却组件；

夹持组件设置于框架，夹持组件用于将两个管道同轴夹持且使得两个管道的待焊端对正；焊接组件包括焊接头，焊接时夹持组件转动带动两个管道同步转动，焊接头在预设位置对准焊接位置焊接形成焊缝；

冷却组件包括内冷却块和外冷却块，内冷却块设置于管道内部、外冷却块设置于管道外部，内冷却块和外冷却块均位于焊接位置处且内外对应，内冷却块用于从内部对焊缝进行冷却；外冷却块用于从外部对焊缝进行冷却，内冷却块和外冷却块内部均具有循环流动的冷却水，冷却水能够直接与焊缝接触进而对焊缝进行浸水冷却。

可选地，焊接头在焊接位置沿管道的径向对称设置有两个，冷却组件对称设置有两组，冷却组件和焊接头沿管道周向交错设置。

可选地，两个管道的待焊端接触且设置有焊接坡口，外冷却块与管道的外周壁贴合，外冷却块内部具有外过水腔，外过水腔内具有循环流动的冷却水，外冷却块贴合管道的侧壁设置有与外过水腔连通的外浸水缺口，外冷却块上设置有挡板，挡板有两个且分别位于外浸水缺口圆周方向的两端，挡板能够插入焊接坡口且初始与焊接坡口的形状匹配，以将预设范围内的焊接坡口封堵，挡板在焊接坡口的深度方向能够逐级弹性收缩，进而在焊接过程中始终与焊接坡口的形状匹配。

可选地，外冷却块上设置有外端进水口和外端排水口，冷却水通过外端进水口注入外过水腔并通过外端排水口排出外过水腔。

可选地，外冷却块上连接有第一控制件，第一控制件用于控制外冷却块向管道靠近或远离。

可选地，内冷却块与管道的内周壁贴合，内冷却块内部具有内过水腔，内过水腔内具有循环流动的冷却水，内冷却块贴合管道的侧壁设置有与内过水腔连通的内浸水缺口。

可选地，内冷却块上设置有内端进水口和内端排水口，冷却水通过内端进水口注入内过水腔并通过内端排水口排出内过水腔。

可选地，内冷却块上连接有第二控制件，第二控制件用于控制内冷却块向管道靠近或远离。

可选地，夹持组件包括两个夹持盘，两个夹持盘处于同一轴线且分别安装于框架的两端，两个管道分别装夹于两个夹持盘，两个夹持盘能够沿其轴线方向移动。

一种金属构件焊接工艺，用于对两个管道进行焊接，所述金属构件焊接工艺利用上述实施例中任一项所述的金属构件焊接装置实施，还包括以下步骤：

S1：装夹，将两个管道同轴装夹于夹持组件；

S2：定位，使两个管道的焊接位置对正接触，同时将冷却组件和焊接头调节到位；

S3：焊接，夹持组件带动管道转动，焊接头对焊接位置进行焊接，焊接时采用双焊接头、开坡口、多层焊接的形式进行焊接；

S4：冷却，焊接完成的焊缝转动至冷却组件内部时，冷却组件从内部和外部同时对焊缝进行冷却，且冷却组件内的冷却介质直接与焊缝接触换热；

S5：拆卸，移开焊接头及冷却组件，将焊接冷却完成后的管道拆卸并取走。

本发明的有益效果是：本发明的一种金属构件焊接装置及焊接工艺通过设置冷却组件，冷却组件的内冷却块能够从内部对焊缝进行冷却，冷却组件的外冷却块能够从外部对焊缝进行冷却，同时内冷却块和外冷却块内部均具有循环流动的冷却水，冷却水能够直接与焊缝接触进而对焊缝进行浸水冷却，提高了冷却效率，保证了管道热应力的释放。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。

图1为本发明一种金属构件焊接装置的整体结构示意图；

图2为图1中除去夹持组件的示意图；

图3为本发明中管道、焊接组件以及冷却组件的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明中内冷却块和外冷却块的爆炸图；

图6为图5中A处放大图；

图7为本发明中外冷却块的结构示意图；

图8为图7中B处放大图。

图中：100、框架；200、夹持盘；300、管道；400、冷却组件；410、外冷却块；411、第一控制件；412、外端进水口；413、外端排水口；414、外浸水缺口；415、挡板；420、内冷却块；421、支撑杆；422、第二控制件；423、内端进水口；424、内端排水口；425、内浸水缺口；426、第一封堵板；500、焊接头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图8所示，本发明的一种金属构件焊接装置用于对两个管道300进行焊接，其具体包括框架100、夹持组件、焊接组件和冷却组件400。

夹持组件设置于框架100，夹持组件用于将两个管道300同轴夹持且使得两个管道300的待焊端对正；焊接组件包括焊接头500，焊接时夹持组件转动进而带动两个管道300同步转动，焊接头500在预设位置对准焊接位置焊接形成焊缝。

冷却组件400包括内冷却块420和外冷却块410，内冷却块420设置于管道300内部、外冷却块410设置于管道300外部，内冷却块420和外冷却块410均位于焊缝位置处且内外对应，内冷却块420用于从内部对焊缝进行冷却；外冷却块410用于从外部对焊缝进行冷却，内冷却块420和外冷却块410内部均具有循环流动的冷却水，冷却水能够直接与焊缝接触进而对焊缝进行浸水冷却。本发明通过内冷却块420和外冷却块410的设置，焊接过程中，管道300绕预设方向转动，焊接头500对管道300焊接形成焊缝，待已焊接完成的焊缝随管道300转动至冷却组件400的位置，内冷却块420和外冷却块410可以从内外两侧同时对焊缝进行冷却，同时内冷却块420和外冷却块410内部均具有循环流动的冷却水，冷却水能够直接与焊缝接触进而对焊缝进行浸水冷却，大幅提高冷却效率，保证了管道300热应力的释放，提高焊接质量。能够理解的是，焊接时焊接头500可通过焊接机器人控制进行焊接操作，也可由其他焊机控制焊接。

在进一步的实施例中，如图3和图4所示，焊接头500在焊接位置沿管道300的径向对称设置有两个，两个焊接头500同时对准焊接位置进行焊接。相应的，冷却组件400沿管道300的径向对称设置有两组，冷却组件400和焊接头500沿管道300周向交错设置，以便于焊接头500焊接，本发明优选的，冷却组件400和焊接头500呈90度设置。设置两个焊接头500同时焊接，避免了单个焊接头500焊接时只有一个起焊点引起的径向偏移，提高焊接质量的同时提高焊接效率。

在进一步的实施例中，如图2、图7和图8所示，两个管道300的待焊端接触且设置有焊接坡口，外冷却块410与管道300的外周壁贴合，外冷却块410内部具有外过水腔，外过水腔内部具有循环流动的冷却水，外冷却块410贴合管道300的侧壁设置有连通外过水腔的外浸水缺口414，外冷却块410上设置有挡板415，挡板415有两个且分别位于外浸水缺口414圆周方向的两端，挡板415能够插入焊接坡口且初始与焊接坡口的形状匹配，以将预设范围内的焊接坡口封堵，进而使得外过水腔与预设范围的焊接坡口连通并形成封闭的浸水空间，挡板415在焊接坡口的深度方向能够逐级弹性收缩，在已完成焊接的焊缝进入外冷却块410后，挡板415在焊缝的顶压下从内至外逐级收缩（靠近焊接坡口的根部为内，反之为外），进而在焊接过程中始终与焊接坡口的形状匹配。通过外冷却块410和挡板415的配合，使得循环流动的冷却水直接与焊缝接触进而与焊缝进行热交换，采用形成浸水冷却的方式冷却效率高，冷却效果好。

能够理解的是，对于直径较大、壁厚较厚的管件，在焊接的过程中通常采用开焊接坡口、多层焊接的焊接方式，以使得焊缝满足质量要求，焊接坡口的开设形式可根据需要选择，可以在其中一个管道300上开设焊接坡口，也可以在两个管道300上同时开设焊接坡口，本发明中优选的，两个管道300上开设了相同的坡口，两个管道300对正后形成截面为三角形的焊接坡口。多层焊接时，每焊接一层，焊接坡口的形状随之改变（由三角形变为梯形），因此挡板415设置为多级伸缩结构，能够随焊接的进行始终与焊接坡口的形状保持匹配，避免外冷却块410内的冷却水通过焊接坡口流出，同时随着管道300的转动，挡板415也能刮除焊缝上的一部分焊渣，给下一层焊接创造更好的焊接环境。具体的，挡板415包括多个滑动插装的伸缩节，相邻两个相互插装的伸缩节之间通过压簧连接，也就是除最靠近焊接坡口根部的一个伸缩节外，其余伸缩节内部均设置有压簧，且越远离焊接坡口的根部，压簧的弹力越大，也就是越宽的伸缩节内压簧的弹力越大，进而确保挡板415能够从焊接坡口的根部至外逐级收缩。进一步的，为便于挡板415的安装，挡板415铰接在外浸水缺口414的两端，且铰接处设置有扭簧，扭簧使得挡板415保持预设初始位置。

外冷却块410上设置有外端进水口412和外端排水口413，冷却水通过外端进水口412注入外过水腔并通过外端排水口413排出外过水腔，实现对焊缝的高效冷却，进一步的，外端进水口412和外端排水口413均与外部水源连通，且连通路径上可设置制冷循环装置，保证冷却水的循环流动。

在进一步的实施例中，如图3和图4所示，外冷却块410上连接有第一控制件411，第一控制件411用于控制外冷却块410向管道300靠近或远离。在本实施例中，第一控制件411采用电动伸缩缸，在其他的实施例中，第一控制件411也可以采用气动伸缩缸或者其他能够实现直线伸缩运动的驱动元件。

在进一步的实施例中，如图2、图5和图6所示，内冷却块420与管道300的内周壁贴合，内冷却块420内部具有内过水腔，内过水腔内具有循环流动的冷却水，内冷却块420贴合管道300的侧壁设置有连通内过水腔的内浸水缺口425，内过水腔通过内浸水缺口425与管道300的内周壁连通，通过内浸水缺口425的设置，使得内过水腔内循环流动的冷却水直接与焊缝接触进而与焊缝进行热交换，冷却效率高，冷却效果好。

内冷却块420上设置有内端进水口423和内端排水口424，冷却水通过内端进水口423注入内过水腔并通过内端排水口424排出内过水腔，进而对焊缝进行快速冷却。内端进水口423和内端排水口424均与外部水源连通，且连通路径上可设置制冷循环装置，保证冷却水的循环流动。

进一步的，内冷却块420上设置有第一封堵板426，第一封堵板426用于封堵内浸水缺口425。封堵内浸水缺口425可以确保内冷却块420与管道300脱离后冷却水不会流出。需要说明的是，外冷却块410上设置有第二封堵板（图中未示出），第二封堵板用于封堵外浸水缺口414。能够理解的是，焊接过程中内过水腔内的冷却水至少能够通过两个管道300之间的缝隙与第一层焊缝直接接触，在第一层焊缝焊接完成后，由于第一层焊缝的阻挡，内过水腔的冷却水可能无法与第二层以后的焊缝直接接触，此时可通过关闭第一封堵板426将内浸水缺口425与管道300的内周壁阻隔，阻隔之后内冷却块420内部的冷却水不直接接触焊缝位置。进一步能够理解的是，使用过程中可以根据需要选择是否关闭第一封堵板426，如果焊缝温度过高，依然可以选择打开第一封堵板426，使得内冷却块420内部的冷却水直接与管道300的内壁接触，提高冷却效率和冷却效果。

在进一步的实施例中，内冷却块420上连接有第二控制件422，第二控制件422用于控制内冷却块4200向管道300靠近或远离。第二控制件422可通过支撑杆421安装于框架100。在本实施例中，第二控制件422采用电动伸缩缸，在其他的实施例中，第二控制件422也可以采用气动伸缩缸或者其他能够实现直线伸缩运动的驱动元件。

在进一步的实施例中，内浸水缺口425的长度等于或大于外浸水缺口414，当焊接第一层时，由于内浸水缺口425的覆盖范围大于外浸水缺口414的覆盖范围，所以在冷却组件400未接触到焊接好的焊缝时，冷却水不会往管道300内部流。

在进一步的实施例中，夹持组件包括两个夹持盘200，两个夹持盘200处于同一轴线且分别安装于框架100的两端，两个管道300分别装夹于两个夹持盘200，两个夹持盘200能够沿其轴线方向移动，以在管道300装夹完成后调整其轴向位置，进而确保冷却组件400与焊接位置对正。在其他的实施例中，内冷却块420和外冷却块410能够沿管道300的轴线移动，以便于位置调节，外冷却块410沿管道300的轴线移动通过第三控制件控制，内冷却块420沿管道300的轴线移动通过第四控制件控制，第三控制件和第四控制件可以采用电动伸缩缸或气动伸缩缸或直线电机或其他能够实现直线伸缩运动的驱动元件。能够理解的是，夹持盘200沿其轴线方向移动或者内冷却块420和外冷却块410能够沿管道300的轴线移动，可以单独使用，也可以结合使用，也就是说可以仅设置夹持盘200能够沿其轴线方向移动，也可以仅设置内冷却块420和外冷却块410能够沿管道300的轴线移动，或者设置夹持盘200能够沿其轴线方向移动同时内冷却块420和外冷却块410也能够沿管道300的轴线移动，具体的结合形式本领域技术人员可根据实际需要选择。对于夹持盘200需要解释的是，夹持盘200为自定心卡盘，可以为三爪卡盘，四爪卡盘或其他。

本发明还提供了一种金属构件焊接工艺，用于对两个管道300进行焊接，该金属构件焊接工艺利用了上述任一实施中的金属构件焊接装置，该金属构件焊接工艺具体包括以下步骤：

S1：装夹，将两个管道300同轴装夹于夹持组件；

S2：定位，使两个管道300的焊接位置对正接触，同时将冷却组件400和焊接头500调节到位；

S3：焊接，夹持组件带动管道300转动，焊接头500对焊接位置进行焊接，焊接时采用双焊接头500、开坡口、多层焊接的形式进行焊接。多层焊接时，可以根据焊接坡口的宽度调整焊接头500的运行方式，如果靠外的层数坡口宽度比较大，焊接头500可以沿焊接坡口的宽度方向往复焊接。层数越靠外，焊接头500的复行程越大，工件转速越慢。

S4：冷却，焊接完成的焊缝转动至冷却组件400内部时冷却组件400对其进行冷却，且冷却组件400内的冷却介质直接与焊缝接触换热。冷却介质可以为冷却水，在步骤S2之后，步骤S3之前，开始向冷却组件400内通入冷却水。

S5：拆卸，移开焊接头500及冷却组件400，将焊接冷却完成后的管道300拆卸并取走。

该金属构件焊接工艺通过采用双焊接起点、内外浸水冷却的方式，能够极大的提高冷却效率和焊接效率，确保焊接质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种金属构件焊接装置，其特征在于：所述金属构件焊接装置用于对两个管道进行焊接，所述金属构件焊接装置包括框架、夹持组件、焊接组件和冷却组件；

夹持组件设置于框架，夹持组件用于将两个管道同轴夹持且使得两个管道的待焊端对正；焊接组件包括焊接头，焊接时夹持组件转动带动两个管道同步转动，焊接头在预设位置对准焊接位置焊接形成焊缝；

冷却组件包括内冷却块和外冷却块，内冷却块设置于管道内部、外冷却块设置于管道外部，内冷却块和外冷却块均位于焊接位置处且内外对应，内冷却块用于从内部对焊缝进行冷却；外冷却块用于从外部对焊缝进行冷却，内冷却块和外冷却块内部均具有循环流动的冷却水，冷却水能够直接与焊缝接触进而对焊缝进行浸水冷却；

两个管道的待焊端接触且设置有焊接坡口，外冷却块与管道的外周壁贴合，外冷却块内部具有外过水腔，外过水腔内具有循环流动的冷却水，外冷却块贴合管道的侧壁设置有与外过水腔连通的外浸水缺口，外冷却块上设置有挡板，挡板有两个且分别位于外浸水缺口圆周方向的两端，挡板能够插入焊接坡口且初始与焊接坡口的形状匹配，以将预设范围内的焊接坡口封堵，挡板在焊接坡口的深度方向能够逐级弹性收缩，进而在焊接过程中始终与焊接坡口的形状匹配。

2.根据权利要求1所述的一种金属构件焊接装置，其特征在于：焊接头在焊接位置沿管道的径向对称设置有两个，冷却组件对称设置有两组，冷却组件和焊接头沿管道周向交错设置。

3.根据权利要求1所述的一种金属构件焊接装置，其特征在于：外冷却块上设置有外端进水口和外端排水口，冷却水通过外端进水口注入外过水腔并通过外端排水口排出外过水腔。

4.根据权利要求1所述的一种金属构件焊接装置，其特征在于：外冷却块上连接有第一控制件，第一控制件用于控制外冷却块向管道靠近或远离。

5.根据权利要求1所述的一种金属构件焊接装置，其特征在于：内冷却块与管道的内周壁贴合，内冷却块内部具有内过水腔，内过水腔内具有循环流动的冷却水，内冷却块贴合管道的侧壁设置有与内过水腔连通的内浸水缺口。

6.根据权利要求5所述的一种金属构件焊接装置，其特征在于：内冷却块上设置有内端进水口和内端排水口，冷却水通过内端进水口注入内过水腔并通过内端排水口排出内过水腔。

7.根据权利要求5所述的一种金属构件焊接装置，其特征在于：内冷却块上连接有第二控制件，第二控制件用于控制内冷却块向管道靠近或远离。

8.根据权利要求1所述的一种金属构件焊接装置，其特征在于：夹持组件包括两个夹持盘，两个夹持盘处于同一轴线且分别安装于框架的两端，两个管道分别装夹于两个夹持盘，两个夹持盘能够沿其轴线方向移动。

9.一种金属构件焊接工艺，其特征在于：所述金属构件焊接工艺用于对两个管道进行焊接，所述金属构件焊接工艺利用如权利要求1-8中任一项所述的金属构件焊接装置实施，还包括以下步骤：

S1：装夹，将两个管道同轴装夹于夹持组件；

S2：定位，使两个管道的焊接位置对正接触，同时将冷却组件和焊接头调节到位；

S3：焊接，夹持组件带动管道转动，焊接头对焊接位置进行焊接，焊接时采用双焊接头、开坡口、多层焊接的形式进行焊接；

S4：冷却，焊接完成的焊缝转动至冷却组件内部时，冷却组件从内部和外部同时对焊缝进行冷却，且冷却组件内的冷却介质直接与焊缝接触换热；

S5：拆卸，移开焊接头及冷却组件，将焊接冷却完成后的管道拆卸并取走。