CN118287789A - 一种基于k-tig的不锈钢横焊焊接系统与焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于K‑TIG的不锈钢横焊焊接系统与焊接方法，焊接系统包括焊接电源系统、控制系统、计算机系统、机械系统、信息采集系统，信息采集系统包括激光扫描装置；激光扫描装置采集焊接坡口数据并传输至计算机系统，计算生成焊接坡口三维模型，同时计算焊缝尺寸，将焊缝尺寸值进行分段处理，计算每段的平均值，根据平均值在计算机系统工艺数据库中选取对应焊接工艺参数，形成工艺路径，控制系统控制焊枪运动到焊接起始位置，进行焊接作业；焊接过程中，激光扫描装置实时扫描坡口，以实时更新调整焊接工艺参数和焊接工艺路径。本发明将K‑TIG焊接方法拓展到横焊领域，且可在焊接过程中实时进行工艺调整，扩大了K‑TIG焊接适应性。

Description

一种基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统与焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统与焊接方法。

背景技术

“匙孔”型钨极氩弧焊(Keyhole Tungsten Inert Gas，K-TIG)是一种新型锁孔深熔焊接方法，焊接效率高，自动化程度高。此方法主要是利用较大直流电(电流大于300A)产生高能量电弧来实现深熔焊接的，并且在K-TIG焊接过程中还会产生类似穿孔型等离子焊所产生的小孔；通过该焊接方法产生的电弧具有能量高、挺度好、穿透能力强等特点，可普遍应用于薄板材料的高效焊接成型。但是，目前K-TIG焊接方法以自动化设备为主，较难实现焊接过程的精准控制；而且K-TIG焊接方法由于焊接过程中需达到熔池重力、熔池表面张力及电弧压力的平衡，常用于平焊位置的焊接，在横焊位置应用较难，目前横焊位置焊接仍采用传统氩弧焊、埋弧焊等焊接方法，焊接效率普遍低于K-TIG焊接。因此，本发明设计了一种基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统与焊接方法，实现K-TIG焊接方法在横焊位置的焊接应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统与焊接方法，将K-TIG焊接方法拓展到了横焊领域，并且可在焊接过程中实时进行工艺调整，扩大了K-TIG焊接适应性。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，包括焊接电源系统、控制系统、计算机系统、机械系统、信息采集系统，焊接电源系统与控制系统、机械系统连接，计算机系统与信息采集系统、控制系统连接，控制系统还与信息采集系统、机械系统连接；机械系统包括保护气瓶、横焊工装、焊枪、送丝装置、背面气体保护装置；信息采集系统包括数据采集设备、激光扫描装置；计算机系统包括工艺数据库、工艺管理系统；控制系统包括中央控制节点和伺服控制节点。

进一步地，所述横焊工装包括焊接平台、工件装夹台、横向移动装置、纵向移动装置；焊枪、送丝装置均安装在横向移动装置上，横向移动装置安装在纵向移动装置上，纵向移动装置安装在焊接平台上；工件装夹台设置在焊接平台侧边位置处，工件装夹台上安装有用于对工件进行装夹的螺栓紧固装置，工件装夹台背部设有背面气体保护装置，保护气瓶中的保护气体通入背面气体保护装置形成的通道中，在焊接过程中实现气体保护。

进一步地，所述纵向移动装置包括安装在焊接平台两侧的条状齿轮，条状齿轮均由相应的电机A驱动工作，条状齿轮之间安装有横杆，横杆两端部均固定安装有一齿轮A，齿轮A与对应的条状齿轮啮合传动，在电机A的驱动作用下，齿轮A带动横杆整体纵向移动。

进一步地，所述横向移动装置上部壳体套设安装在横杆上，且内部安装有电机B和齿轮B，齿轮B固定在电机B输出端；横杆上安装有齿条，齿条与齿轮B啮合传动，在电机B的驱动下，齿轮B带动横向移动装置整体横向移动；横向移动装置下部安装有液压伸缩机构，液压伸缩机构的伸缩端安装有用于进行水平和垂直角度调节的万向轮，万向轮上安装有焊枪，焊枪上安装有连接板，连接板上位于焊枪两侧位置处均安装有一激光扫描装置，连接板上还安装有送丝装置。

进一步地，所述数据采集设备用于采集焊接过程中的焊接电信号，并将焊接电信号转化为焊接工艺参数；激光扫描装置具有发射线激光和识别线激光的功能，在焊接工件上沿垂直于焊接方向生成激光线，同时进行焊接工件的坡口扫描，扫描数据传递给工艺管理系统。

进一步地，所述工艺数据库包括工艺管理模块、工艺规划模块、工艺库模块、焊接方法模块、焊接设备模块；工艺管理模块用于对工艺库模块内的参数进行管理，工艺规划模块用于根据已有条件匹配相关的工艺参数以形成工艺规划，工艺库模块用于存储工艺，焊接方法模块、焊接设备模块用于通过不同的模块进行工艺参数的匹配。

进一步地，所述工艺管理系统包括前端和后端，前端用于搭建用户界面，后端用于承载工艺参数匹配模块、数据处理模块、信号输出模块；前端用户界面包括焊接坡口三维扫描模型、预设焊接工艺参数、实时焊接工艺参数、焊接环境温湿度数据；工艺参数匹配模块将焊接坡口扫描模型及焊缝尺寸在工艺数据库进行对应的工艺参数选取，形成焊接工艺路径，并存储于工艺管理系统；数据处理模块对焊接过程中数据采集设备和激光扫描装置采集到的数据进行处理，并根据处理后的工艺数据在工艺数据库中选取工艺，对焊接过程中的工艺参数优化调整；信号输出模块将焊接过程中的工艺参数优化数据传输至控制系统。

一种利用上所述基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接方法，包括如下过程：

步骤1：准备不锈钢及焊接材料，不锈钢厚度小于20mm，设定厚度不超过12mm的不锈钢焊接坡口形式为I型坡口，厚度为12mm～20mm的不锈钢焊接坡口形式为Y型坡口，钝边厚度为6mm，焊接材料选择钨极氩弧焊丝；

步骤2：采用人工的方式对不锈钢进行组对，采用TIG焊进行打底焊接，具体的打底焊接方法为：

首先通过激光扫描装置对焊接坡口进行三维扫描，采集焊接坡口数据，传输至计算机系统，计算生成焊接坡口三维模型，同时完成焊缝尺寸的计算；将焊缝尺寸值进行分段处理，计算每段的平均值，根据平均值在工艺数据库中自动选取相对应的焊接工艺参数；工艺管理系统根据工艺参数形成工艺路径，将工艺参数和工艺路径发送至控制系统，再将执行指令分别发送至焊接电源系统和机械系统，由纵向移动装置和横向移动装置执行指令，带动焊枪运动到焊接起始位置，开始焊接作业；焊接过程中，前方的激光扫描装置在焊枪前方位置实时进行焊接坡口数据采集，传输至计算机系统，重复上述操作，实时调整焊接工艺参数和焊接工艺路径，并重新发送指令到焊接电源系统和机械系统；焊接过程中，后方的激光扫描装置实时扫描打底/填充焊接完成后的坡口，以备下一道焊接坡口三维模型的计算；

步骤3：采用TIG焊进行填充盖面焊接，焊接方法与步骤2中的打底焊接相同。

进一步地，所述工艺管理系统接收扫描数据后，通过比较相邻两次采样值之差的绝对值来过滤出异常数据：

式中，y_n是用来判断是否存储采样数据的参数，y_n为1时，存储激光采样数据，y_n为0时，舍弃激光采样数据；x_n、x_n-1均表示采样值；d表示采样值允许误差；

并对剔除异常数据的激光线进行分段线性拟合，拟合公式为：

y＝f(x；k)

式中，y表示激光线采样值纵坐标；x表示激光线采样值纵坐标；k为斜率；f(x；k)表示以参数k为系数的广义多项式；

从线性拟合结果中提取出焊缝坡口数据，据此生成焊接坡口扫描模型，计算焊缝尺寸。

本发明具有如下有益效果：

利用本发明所设计的K-TIG不锈钢横焊焊接系统，可在焊接过程中实时进行工艺调整，扩大了K-TIG焊接适应性；焊接装置整体结构简洁，操作方便，可实现焊枪4个维度的变换，适应性强，满足多种形式的焊接；而且本发明将K-TIG焊接方法拓展到横焊领域，实现了K-TIG焊接方法的拓展应用。

附图说明

图1为本发明所述基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统示意图；

图2为本发明所述横焊工装示意图；

图3为本发明所述工件装夹台示意图；

图4为本发明所述背面气体保护装置布置示意图；

图5为本发明所述激光扫描装置布置示意图；

图6为本发明所述横向移动装置移动原理示意图。

图7为本发明所述激光扫描坡口示意图；

图中：1-横焊工装；100-焊接平台；101-工件装夹台；1011-螺栓紧固装置；102-横向移动装置；1021-电机B；1022-齿轮B；1023-齿条；1024-液压伸缩机构；1025-万向轮；103-纵向移动装置；1031-条状齿轮；1032-电机A；1033-齿轮A；1034-横杆；2-送丝装置；3-激光扫描装置；4-背面气体保护装置；5-焊枪。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，包括焊接电源系统、控制系统、计算机系统、机械系统、信息采集系统。焊接电源系统与控制系统、机械系统连接，计算机系统与信息采集系统、控制系统连接，控制系统还与信息采集系统、机械系统连接。

如图1所示，焊接电源系统包括焊接电源、冷却水箱；焊接电源主要负责提供大熔深焊接所需的高于300A以上焊接电流的输出、调节及控制，实现焊接过程的稳定运行，保证焊接质量；冷却水箱主要负责焊接过程中的冷却，保证焊枪及焊接系统不因过热而失效。

机械系统包括保护气瓶、横焊工装1、焊枪5、送丝装置2、背面气体保护装置4。保护气瓶为K-TIG焊接提供保护气体，气体流量通过人工进行调节。横焊工装1包括焊接平台100、工件装夹台101、横向移动装置102、纵向移动装置103。

如图2、3、4所示，焊接平台100与工件装夹台101之间相互垂直，工件装夹台101设置在焊接平台100侧边位置处，工件装夹台101上安装有螺栓紧固装置1011，用于对工件进行装夹，工件装夹台101背部设有背面气体保护装置4，通过保护气瓶将气体通入背面气体保护装置4形成的通道中，即可用于在焊接过程中对背部进行气体保护。

如图2所示，纵向移动装置103包括安装在焊接平台100两侧的条状齿轮1031，条状齿轮1031均由相应的电机A1032驱动工作，条状齿轮1031之间安装有横杆1034，具体地，横杆1021两端部均固定安装有一齿轮A1033，齿轮A1033与对应的条状齿轮1031啮合传动，在电机A1032的驱动作用下，两个齿轮A1033能够带动横杆1034整体做纵向移动。

如图2、5、6所示，横向移动装置102上部壳体套设安装在横杆1034上，且内部安装有电机B1021和齿轮B1022，齿轮B1022固定在电机B1021输出端，电机B1021能够带动其旋转运动；横杆1034上安装有齿条1023，齿条1023与齿轮B1022啮合传动，在电机B1021的驱动下，齿轮B1022能够带动横向移动装置102整体做横向移动。横向移动装置102下部安装有液压伸缩机构1024，液压伸缩机构1024的伸缩端安装有万向轮1025，可进行水平和垂直的角度调节，万向轮1025上安装有焊枪5，焊枪5上安装有连接板，连接板上位于焊枪5两侧位置处均安装有一激光扫描装置3，连接板上还安装有送丝装置2。

信息采集系统包括数据采集设备、激光扫描装置3；数据采集设备与焊接电源系统及计算机系统分别连接，主要用于采集焊接过程中的焊接电信号，并将焊接电信号转化为焊接工艺参数：焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度等；如图5所示，激光扫描装置3位于焊枪5前侧，跟随焊枪5移动，具有发射线激光和识别线激光的功能，在焊接工件上沿垂直于焊接方向生成激光线，同时进行焊接工件的坡口扫描，坡口扫描如图7所示，工艺管理系统的数据处理模块接收扫描数据后，通过比较相邻两次采样值之差的绝对值来过滤出异常数据：

式中，y_n是用来判断是否存储采样数据的参数，无实际物理意义，y_n为1时，存储激光采样数据，y_n为0时，舍弃激光采样数据；x_n、x_n-1均表示采样值；d表示采样值允许误差。

并对剔除异常数据的激光线进行分段线性拟合，拟合公式为：

y＝f(x；k)

式中，y表示激光线采样值纵坐标；x表示激光线采样值纵坐标；k为斜率；f(x；k)表示以参数k为系数的广义多项式，可扩展为k₁·g₁(x)+k₂·g₂(x)+……+k_n·g_n(x)。

从线性拟合结果中提取出焊缝坡口数据，即可生成焊接坡口扫描模型，即可完成焊缝尺寸的计算。

计算机系统包括工艺数据库、工艺管理系统。工艺数据库包括工艺管理模块、工艺规划模块、工艺库模块、焊接方法模块、焊接设备模块；工艺管理模块用于对工艺库模块内的参数进行管理，工艺规划模块用于根据已有条件匹配相关的工艺参数以形成工艺规划，工艺库模块用于存储工艺，焊接方法模块、焊接设备模块用于通过不同的模块进行工艺参数的匹配。工艺管理系统包括前端和后端，前端用于搭建用户界面，后端用于承载工艺参数匹配模块、数据处理模块、信号输出模块；前端用户界面涵盖有焊接坡口三维扫描模型、预设焊接工艺参数、实时焊接工艺参数、焊接环境温湿度等数据；工艺参数匹配模块将焊接坡口扫描模型及焊缝尺寸在工艺数据库进行对应的工艺参数选取，形成焊接工艺路径，并存储于工艺管理系统；数据处理模块对焊接过程中数据采集装置和激光扫描装置3采集到的数据进行处理，并根据处理后的工艺数据在工艺数据库中选取工艺，对焊接过程中的工艺参数优化调整；信号输出模块将焊接过程中的工艺参数优化数据传输至控制系统。

控制系统包括中央控制节点和伺服控制节点，控制系统的工作模式为异步模式，通过局域网通信连接，向焊接电源系统和机械系统发送控制指令。中央控制节点以计算机系统的工艺管理系统为控制输出端，向伺服控制节点发送控制指令，包括对焊接电流、焊接电压、焊接速度、气体流量、送丝速度、停留时间等参数的相关控制指令，伺服控制节点与焊接电源系统、机械系统连接，并控制焊接电源系统、机械系统，进而控制焊接作业的开展。

利用本发明所述基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统的焊接方法，包括以下步骤：

步骤1：准备不锈钢及焊接材料，不锈钢厚度范围小于20mm，设定厚度不超过12mm的不锈钢焊接坡口形式为I型坡口，厚度为12mm～20mm的不锈钢焊接坡口形式为Y型坡口，钝边厚度为6mm，焊接材料选择与不锈钢相匹配的钨极氩弧焊丝。

步骤2：采用人工的方式对不锈钢进行组对，保证坡口组对间隙小于2mm，采用TIG焊进行打底焊接，采用的焊接工艺参数为：焊接电流为560A～580A，电弧电压为22～24V，焊接速度为6mm/s，气体流量为20L/min，具体的打底焊接方法为：

首先通过激光扫描装置3对焊接坡口进行三维扫描，采集焊接坡口数据，传输至计算机系统，计算生成焊接坡口三维模型，同时完成焊缝尺寸的计算；将焊缝尺寸值进行分段处理，计算每段的平均值，根据平均值在工艺数据库中自动选取相对应的焊接工艺参数；工艺管理系统根据工艺参数形成工艺路径，将工艺参数和工艺路径发送至控制系统，再将执行指令分别发送至焊接电源系统和机械系统，由纵向移动装置102和横向移动装置103执行指令，带动焊枪5运动到焊接起始位置，开始焊接作业；焊接过程中，前方的激光扫描装置3在焊枪5前方位置实时进行焊接坡口数据采集，传输至计算机系统，重复上述操作，实时调整焊接工艺参数和焊接工艺路径，并重新发送指令到焊接电源系统和机械系统；焊接过程中，后方的激光扫描装置3实时扫描打底/填充焊接完成后的坡口，以备下一道焊接坡口三维模型的计算。

步骤3：采用TIG焊进行填充盖面焊接，焊接工艺参数为：焊接电流100-130A，电弧电压16-18V，焊接速度为10-15cm/min，送丝速度为1～1.5m/min，气体流量为15L/min，具体的焊接方法与打底焊接相同。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，其特征在于，包括焊接电源系统、控制系统、计算机系统、机械系统、信息采集系统，焊接电源系统与控制系统、机械系统连接，计算机系统与信息采集系统、控制系统连接，控制系统还与信息采集系统、机械系统连接；机械系统包括保护气瓶、横焊工装(1)、焊枪(5)、送丝装置(2)、背面气体保护装置(4)；信息采集系统包括数据采集设备、激光扫描装置(3)；计算机系统包括工艺数据库、工艺管理系统；控制系统包括中央控制节点和伺服控制节点。

2.根据权利要求1所述的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，其特征在于，所述横焊工装(1)包括焊接平台(100)、工件装夹台(101)、横向移动装置(102)、纵向移动装置(103)；焊枪(5)、送丝装置(2)均安装在横向移动装置(102)上，横向移动装置(102)安装在纵向移动装置(103)上，纵向移动装置(103)安装在焊接平台(100)上；工件装夹台(101)设置在焊接平台(100)侧边位置处，工件装夹台(101)上安装有用于对工件进行装夹的螺栓紧固装置(1011)，工件装夹台(101)背部设有背面气体保护装置(4)，保护气瓶中的保护气体通入背面气体保护装置(4)形成的通道中，在焊接过程中实现气体保护。

3.根据权利要求2所述的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，其特征在于，所述纵向移动装置(103)包括安装在焊接平台(100)两侧的条状齿轮(1031)，条状齿轮(1031)均由相应的电机A(1032)驱动工作，条状齿轮(1031)之间安装有横杆(1034)，横杆(1034)两端部均固定安装有一齿轮A(1033)，齿轮A(1033)与对应的条状齿轮(1031)啮合传动，在电机A(1032)的驱动作用下，齿轮A(1033)带动横杆(1034)纵向移动。

4.根据权利要求3所述的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，其特征在于，所述横向移动装置(102)上部壳体套设安装在横杆(1034)上，且内部安装有电机B(1021)，电机B(1021)输出端固定齿轮B(1022)；横杆(1034)上安装有与齿轮B(1022)啮合传动的齿条(1023)，在电机B(1021)的驱动下，齿轮B(1022)带动横向移动装置(102)横向移动；横向移动装置(102)下部安装有液压伸缩机构(1024)，液压伸缩机构(1024)伸缩端安装有用于进行水平和垂直角度调节的万向轮(1025)，万向轮(1025)上安装有焊枪(5)，焊枪(5)上安装有连接板，连接板上位于焊枪(5)两侧位置处均安装有激光扫描装置(3)。

5.根据权利要求1所述的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，其特征在于，所述数据采集设备用于采集焊接过程中的焊接电信号，并将焊接电信号转化为焊接工艺参数；激光扫描装置(3)具有发射线激光和识别线激光的功能，在焊接工件上沿垂直于焊接方向生成激光线，同时进行焊接工件的坡口扫描，扫描数据传递给工艺管理系统。

6.根据权利要求4所述的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，其特征在于，所述工艺数据库包括工艺管理模块、工艺规划模块、工艺库模块、焊接方法模块、焊接设备模块；工艺管理模块用于对工艺库模块内的参数进行管理，工艺规划模块用于根据已有条件匹配相关的工艺参数以形成工艺规划，工艺库模块用于存储工艺，焊接方法模块、焊接设备模块用于通过不同的模块进行工艺参数的匹配。

7.根据权利要求6所述的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统，其特征在于，所述工艺管理系统包括前端和后端，前端用于搭建用户界面，后端用于承载工艺参数匹配模块、数据处理模块、信号输出模块；前端用户界面包括焊接坡口三维扫描模型、预设焊接工艺参数、实时焊接工艺参数、焊接环境温湿度数据；工艺参数匹配模块用于将焊接坡口扫描模型及焊缝尺寸在工艺数据库进行对应的工艺参数选取，形成焊接工艺路径，并存储于工艺管理系统；数据处理模块用于对焊接过程中数据采集设备和激光扫描装置(3)采集到的数据进行处理，通过比较相邻两次采样值之差的绝对值来过滤异常数据，并对剔除异常数据的激光线进行分段线性拟合，从线性拟合结果中提取焊缝坡口数据，生成焊接坡口扫描模型，计算焊缝尺寸，并根据计算处理后的工艺数据在工艺数据库中选取工艺，优化调整焊接过程中的工艺参数；信号输出模块用于将焊接过程中的工艺参数优化数据传输至控制系统。

8.一种利用权利要求7所述基于K-TIG的不锈钢横焊焊接系统的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接方法，其特征在于，包括如下过程：

步骤1：准备不锈钢及焊接材料，根据不锈钢厚度确定不锈钢焊接坡口形式，焊接材料选择钨极氩弧焊丝；

步骤2：对不锈钢进行组对，选定焊接工艺参数，采用TIG焊进行打底焊接，具体的打底焊接方法为：

首先通过激光扫描装置(3)对焊接坡口进行三维扫描，采集焊接坡口数据，传输至计算机系统的工艺管理系统，计算生成焊接坡口三维模型，同时完成焊缝尺寸的计算；将焊缝尺寸值进行分段处理，计算每段的平均值，根据平均值在工艺数据库中自动选取相对应的焊接工艺参数；工艺管理系统根据工艺参数形成工艺路径，将工艺参数和工艺路径发送至控制系统，再将执行指令分别发送至焊接电源系统和机械系统，由纵向移动装置(102)和横向移动装置(103)执行指令，带动焊枪(5)运动到焊接起始位置，开始焊接作业；焊接过程中，前方的激光扫描装置(3)在焊枪(5)前方位置实时进行焊接坡口数据采集，传输至计算机系统，重复上述操作，实时调整焊接工艺参数和焊接工艺路径，并重新发送指令到焊接电源系统和机械系统；焊接过程中，后方的激光扫描装置(3)实时扫描打底/填充焊接完成后的坡口，以备下一道焊接坡口三维模型的计算；

步骤3：选定焊接工艺参数，采用TIG焊进行填充盖面焊接，焊接方法与步骤2中的打底焊接相同。

9.根据权利要求8所述的基于K-TIG的不锈钢横焊焊接方法，其特征在于，所述工艺管理系统接收扫描数据后，通过比较相邻两次采样值之差的绝对值来过滤出异常数据：

式中，y_n是用来判断是否存储采样数据的参数，y_n为1时，存储激光采样数据，y_n为0时，舍弃激光采样数据；x_n、x_n-1均表示采样值；d表示采样值允许误差；

并对剔除异常数据的激光线进行分段线性拟合，拟合公式为：

y＝f(x；k)

式中，y表示激光线采样值纵坐标；x表示激光线采样值纵坐标；k为斜率；f(x；k)表示以参数k为系数的广义多项式；

从线性拟合结果中提取出焊缝坡口数据，据此生成焊接坡口扫描模型，计算焊缝尺寸。