CN212264826U - 一种用于窄间隙焊接的焊炬结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，涉及水电行业厚板、超厚板焊接的生产制造技术领域。本实用新型包括传动机构和焊炬主体，传动机构与焊炬主体的一端连接，使得焊炬结构整体外形呈L型；焊炬结构包括旋转导电机构、喷嘴冷却机构、主导电旋转杆、喷嘴、导电嘴和焊炬本体，旋转导电机构设置在焊炬本体端部且与主导电旋转杆相连为主导电旋转杆供电；传动机构与主导电旋转杆相连，带动主导电旋转杆转动；喷嘴设置在焊炬本体另一端，主导电旋转杆的端部连接导电嘴，且位于喷嘴内。本实用新型的焊炬结构可以有效解决结构刚性变差及电弧不稳定的问题。

Description

一种用于窄间隙焊接的焊炬结构

技术领域

本实用新型涉及水电行业厚板、超厚板焊接的生产制造技术领域，更具体地说涉及一种用于窄间隙焊接的焊炬结构。

背景技术

厚板、超厚板结构广泛应用于水电制造行业，厚板焊接接头主要有对接、T接等，T接接头的传统焊接方法普遍采用工件开K型坡口进行多层多道MAG焊。随着焊接结构厚度的不断增加，厚板坡口面积急剧加大，导致焊接工程量成倍增加，生产效率低，且多层多道焊接时，易导致熔合不良。

由于机器人焊接可大幅提高焊接质量的稳定性，弧焊机器人的应用也越来越广泛。但是对于厚板异形结构的焊接，弧焊机器人的焊接还存在诸多难点，主要有：

（1）厚板T接时，开K型坡口进行多层多道焊接，一般采用在线示教或离线编程的方式进行程序编制。在线示教时间长，效率低；离线编程时，由于焊接热过程导致焊接变形，往往需要现场纠偏，目前尚无可靠的跟踪方式进行自动纠偏，需人工进行纠偏，致使生产效率低；

（2）随着厚板厚度的增加，坡口面积急剧加大，每层需焊道数增加，道间清理需时长，且道间易形成未熔合；

（3）采用传统K型坡口进行多层多道焊接，焊接量巨大，由于水电设备结构庞大，且焊接空间受限，无法实现多机器人联动，一台或两台机器人生产产出无法纳入正常生产流程；

（4）异形结构件的焊接，其焊道不规则，编程复杂，无法保证机器人轨迹的准确性，致使焊道成型不良。

为了解决上述问题，申请人提供了一种厚截面窄间隙T型焊接接头结构，可以解决采用常规K型坡口设计而导致的焊道不规则，焊道规划难度大，且多层多道焊接时，道间极易形成未熔合的问题。申请人提供的一种厚截面窄间隙T型焊接接头结构，是在异性厚板焊接端以上60mm范围内加工成矩形结构，将弧形焊道改为直线型焊道，可以简化机器人焊接轨迹，降低编程难度，在矩形结构的焊接面设置成一定斜度的斜焊接面，将异形厚板与平面厚板之间的焊接坡口设计成I型窄间隙坡口结构，将原来多层多道焊接改为一层一道，简化焊接过程，减少焊道间未熔合概率及焊道清理次数，提高焊接效率。

而对于申请人提出的厚截面窄间隙T型焊接接头结构，一般采用窄间隙熔化极气体保护焊接技术。目前在核电结构领域有一定的应用，主要应用于对接坡口中，焊炬结构一般为T型，一般最大焊接深度为300mm。但是当申请人提出的T型焊接接头结构中的平面厚板焊接端尺寸大于500mm时，该T型焊炬结构刚性变差，焊接时，电弧不稳定，因此，该结构窄间隙焊炬不能适应新的T型焊接接头结构的窄坡口焊接。为实现T型接头的窄间隙坡口焊接，需对焊炬进行重新设计。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型提供了一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，本实用新型的发明目的在于满足T型焊接接头结构的窄间隙焊接，解决原有T型焊炬焊接T型焊接接头结构时出现的结构刚性变差，焊接时电弧不稳定的问题。本实用新型为避免焊炬与平面厚板之间存在干涉，特将焊炬外形设计为L型，焊炬主体为平直结构，并与T型焊接接头中的平面部分平行，焊炬整体采用水冷却，延长喷嘴、导电嘴及焊炬本体寿命。本实用新型的焊炬结构可以有效解决结构刚性变差及电弧不稳定的问题。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型是通过下述技术方案实现的：

一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，包括传动机构和焊炬主体，其特征在于：所述传动机构与焊炬主体的一端连接，使得焊炬结构整体外形呈L型；焊炬主体为平直结构；所述焊炬结构包括旋转导电机构、喷嘴冷却机构、主导电旋转杆、喷嘴、导电嘴和焊炬本体，所述主导电旋转杆设置在焊炬本体内部，旋转导电机构设置在焊炬本体端部且与主导电旋转杆相连为主导电旋转杆供电；所述传动机构与主导电旋转杆相连，带动主导电旋转杆转动；所述喷嘴设置在焊炬本体另一端，所述主导电旋转杆的端部连接所述导电嘴，且位于喷嘴内；所述喷嘴冷却机构设置在焊炬本体内部用于冷却喷嘴。

所述传动机构包括伺服电机、减速机和锥齿轮组，所述锥齿轮组包括两个锥形传动齿轮，一个锥形传动齿轮安装在主导电旋转杆上，另一个锥形传动齿轮安装在减速机的输出轴上，伺服电机经过减速机减速带动并经锥齿轮组传动带动主导电旋转杆转动。

所述导电嘴与主导电旋转杆之间呈一定角度，所述一定角度为10-12°。

导电嘴内设置有焊丝，焊丝伸出导电嘴的长度为17-20mm。

所述喷嘴冷却机构为设置在焊炬本体内部的水冷通道。

所述焊炬主体外表面喷涂有耐高温绝缘陶瓷。

所述喷嘴采用铬锆铜材料制作而成，焊炬本体端部与喷嘴接触部分喷涂耐高温绝缘陶瓷，并采用绝缘螺钉进行固定。

与现有技术相比，本实用新型所带来的有益的技术效果表现在：

1、本实用新型的焊炬结构，可以有效避免焊炬与平面厚板之间的干涉，焊炬主体为平直结构，并与T型焊接接头中的平面部分平行，可以有效解决结构刚性变差及电弧不稳定的问题。

2、焊炬冷却主要由导电嘴冷却与喷嘴冷却组成。导电嘴冷却由焊炬本体内部所含的冷却水通道实现，焊炬本体为实心铝合金金属结构，内部钻有两路水通道，通过水冷将焊炬本体进行冷却，当导电嘴的温度传至主导电旋转杆后，主导电旋转杆与焊炬本体通过接触传热的方式进行导热，并由冷却水带出，从而实现导电嘴的冷却。焊炬两个喷嘴的冷却分别由两个喷嘴冷却的冷却水进行冷却。

3、焊炬本体内部另钻由两路保护气通过，将保护气导至喷嘴。主导电旋转杆与旋转导电机构为圆弧接触，主导电旋转杆旋转时，该接触依然存在。当外部电源接至旋转导电机构，将电源传至旋转中的主导电旋转杆，并将电源传至导电嘴。

4、焊炬主体外表面喷涂耐高温绝缘陶瓷进行电绝缘，能在高温环境下长期使用，陶瓷材质硬度高，与焊缝侧壁轻微刮蹭后不影响使用。喷嘴采用铬锆铜材料，焊炬本体端部与喷嘴接触部分喷涂耐高温绝缘陶瓷，并采用绝缘螺钉进行固定。

5、焊丝靠倾斜10-12度的导电嘴实现弯曲，焊丝出导电嘴始终保持挺直状态，焊丝摆动平稳，电弧稳定。通过两个90°锥齿轮传动结构进行连接，从而使伺服电机的动力传至主导电旋转杆，实现安装在主导电旋转杆的导电嘴进行360°无限回转。

6、本实用新型焊炬整体为L型，焊炬主体为平直结构，并与T型接头中的平面部分平行，焊炬整体采用水冷却，延长喷嘴、导电嘴及焊炬本体寿命。焊炬采用专用锥齿轮传动机构，主旋转导电嘴杆360°无限回转，可任意调节导电嘴角度。

附图说明

图1为本实用新型焊炬俯视结构示意图；

图2为本实用新型焊炬主视结构示意图；

图3为本实用新型焊炬传动机构的结构示意图；

图4为本实用新型焊炬旋转示意图；

图5为本实用新型窄间隙MAG焊接法的原理图；

图6为本实用新型焊炬结构安装在机器人上进行窄间隙焊接的结构示意图；

图7为本实用新型焊炬应用在水轮机座环上进行焊接的结构示意图；

附图标记：1、传动机构，2、焊炬主体，3、旋转导电机构，4、喷嘴冷却机构，5、主导电旋转杆，6、喷嘴，7、导电嘴，8、焊炬本体，9、伺服电机，10、减速机，11、锥齿轮组，12、焊丝，13、座环，14、机器人，a表示导电嘴与主导电旋转杆之间的角度，b表示导电嘴的摆动角度，L表示焊丝伸出导电嘴长度。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型的技术方案作出进一步详细地阐述。

实施例1

作为本实用新型一较佳实施例，参照说明书附图1和2，本实施例公开了：

如图1所示，一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，包括传动机构1和焊炬主体2，所述传动机构1与焊炬主体2的一端连接，使得焊炬结构整体外形呈L型（如图2所示）；焊炬主体2为平直结构；所述焊炬结构包括旋转导电机构3、喷嘴冷却机构4、主导电旋转杆5、喷嘴6、导电嘴7和焊炬本体8，所述主导电旋转杆5设置在焊炬本体8内部，旋转导电机构3设置在焊炬本体8端部且与主导电旋转杆5相连为主导电旋转杆5供电；所述传动机构1与主导电旋转杆5相连，带动主导电旋转杆5转动；所述喷嘴6设置在焊炬本体8另一端，所述主导电旋转杆5的端部连接所述导电嘴7，且位于喷嘴6内；所述喷嘴冷却机构4设置在焊炬本体8内部用于冷却喷嘴6。

实施例2

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1-5，本实施例公开了：

一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，包括传动机构1和焊炬主体2，所述传动机构1与焊炬主体2的一端连接，使得焊炬结构整体外形呈L型；焊炬主体2为平直结构；所述焊炬结构包括旋转导电机构3、喷嘴冷却机构4、主导电旋转杆5、喷嘴6、导电嘴7和焊炬本体8，所述主导电旋转杆5设置在焊炬本体8内部，旋转导电机构3设置在焊炬本体8端部且与主导电旋转杆5相连为主导电旋转杆5供电；所述传动机构1与主导电旋转杆5相连，带动主导电旋转杆5转动；所述喷嘴6设置在焊炬本体8另一端，所述主导电旋转杆5的端部连接所述导电嘴7，且位于喷嘴6内；所述喷嘴冷却机构4设置在焊炬本体8内部用于冷却喷嘴6。

如图3所示，所述传动机构1包括伺服电机9、减速机10和锥齿轮组11，所述锥齿轮组11包括两个锥形传动齿轮，一个锥形传动齿轮安装在主导电旋转杆5上，另一个锥形传动齿轮安装在减速机10的输出轴上，伺服电机9经过减速机10减速带动并经锥齿轮组11传动带动主导电旋转杆5转动。

如图4所示，所述导电嘴7与主导电旋转杆5之间呈一定角度，所述一定角度为10-12°。导电嘴7内设置有焊丝12，焊丝12伸出导电嘴7的长度为17-20mm。

所述喷嘴冷却机构4为设置在焊炬本体8内部的水冷通道。所述焊炬主体2外表面喷涂有耐高温绝缘陶瓷。所述喷嘴6采用铬锆铜材料制作而成，焊炬本体8端部与喷嘴6接触部分喷涂耐高温绝缘陶瓷，并采用绝缘螺钉进行固定。

实施例3

作为本实用新型又一较佳实施例，参照说明书附图1-7，本实施例公开了：

窄间隙熔化极气体保护焊技术是一种新型焊接技术，目前在核电结构领域有一定的应用，主要应用于对接坡口中，焊炬结构为一般为T型，一般最大焊接深度为300mm。但是T型接头中的平面厚板1焊接端L尺寸大于500mm时，该T型焊炬结构刚性变差，焊接时，电弧不稳定，因此，该结构窄间隙焊炬对T型接头的窄坡口焊接变得极不适应。为实现T型接头的窄间隙坡口焊接，需对焊炬进行重新设计。

为实现T型结构的窄间隙焊接，需将除焊炬主体2外的其他部分排列在座环13的固定导叶一侧，并避免焊炬与环板存在干涉。因此本焊炬外型设计为L型，由图1中传动机构1与焊炬主体2两部分组成，其中项2为焊炬主体2，焊接时该部分伸入窄间隙坡口，项1为传动机构1，也为导电嘴7控制部分，焊接时该部分位于图6中的座环13的固定导叶一侧。焊炬主体2主要包含旋转导电机构3、喷嘴冷却机构4、主导电旋转杆5、喷嘴6、导电嘴7和焊炬本体8。

焊炬主体28厚度不大于12mm，主要含以下功能：

（1）焊炬冷却

焊炬冷却主要由导电嘴7冷却与喷嘴6冷却组成。导电嘴7冷却由焊炬本体8内部所含的冷却水通道实现，焊炬本体8为实心铝合金金属结构，内部钻有两路水通道，通过水冷将焊炬本体8进行冷却，当导电嘴7的温度传至主导电旋转杆5后，主导电旋转杆5与焊炬本体8通过接触传热的方式进行导热，并由冷却水带出，从而实现导电嘴7的冷却。焊炬两个喷嘴6的冷却分别由两个喷嘴6冷却的冷却水进行冷却。

（2）气体保护

焊炬本体89内部另钻由两路保护气通过，将保护气导至喷嘴6。

（3）导电

主导电旋转杆5与旋转导电机构3为圆弧接触，主导电旋转杆5旋转时，该接触依然存在。当外部电源接至旋转导电机构3，将电源传至旋转中的主导电旋转杆5，并将电源传至导电嘴7。

（4）绝缘

焊炬主体2外表面喷涂耐高温绝缘陶瓷进行电绝缘，能在高温环境下长期使用，陶瓷材质硬度高，与焊缝侧壁轻微刮蹭后不影响使用。喷嘴6采用铬锆铜材料，焊炬本体8端部与喷嘴6接触部分喷涂耐高温绝缘陶瓷，并采用绝缘螺钉进行固定。

（5）导电嘴7摆动

焊丝12靠倾斜10-12度的导电嘴7实现弯曲，焊丝12出导电嘴7始终保持挺直状态，焊丝12摆动平稳，电弧稳定。如图3，包含伺服电机9、精密形星减速机10、锥齿轮组11。图3中传动机构1与焊炬主体2通过两个90°锥齿轮传动结构进行连接，从而使伺服电机9的动力传至主导电旋转杆，实现安装在主导电旋转杆的导电嘴7进行360°无限回转。焊炬主体2厚度方向为平面结构，与传动机构1组成L型窄间隙焊炬结构。

焊炬结构特点：焊炬整体为L型，焊炬主体2为平直结构，并与T型接头中的平面部分平行，焊炬整体采用水冷却，延长喷嘴6、导电嘴7及焊炬本体8寿命。焊炬采用专用锥齿轮传动机构1，主旋转导电嘴7杆360°无限回转，可任意调节导电嘴7角度。

焊炬摆动原理：控制伺服电机9旋转，通过两个90°锥齿轮（一个安装于电机，另一个安装于主导电旋转杆5）带动主导电旋转杆5旋转，导电嘴7与主导电旋转杆5呈10-12°偏心，通过主导电旋转杆5的旋转带动导电嘴7的摆动。

如图4所示，导电嘴7与主导电旋转杆5呈角度a，a为10-12°，焊丝12伸出导电嘴7长度L，L为17-20mm，主导电旋转杆5旋转后，导电嘴7进行摆动，摆动角度为b，b可为360°任意角度。

窄间隙MAG焊接法的原理：如图5所示，焊炬前端导电嘴7与焊枪轴心主导电旋转杆5有一定角度，焊丝12从焊枪前端斜穿出。主导电旋转杆5的旋转带动焊丝12左右摆动，从而在焊接过程中实现电弧左右摆动的目的，使窄坡口左右两侧壁有效的熔合。

实施例4

本实用新型焊炬结构在水轮机座环13中的应用：

座环13主要由固定导叶与环板组成，固定导叶的厚度最大可达270mm，环板厚度最大可达250mm。

（Ⅰ）坡口加工：座环13固定导叶与环板的焊接坡口开于固定导叶端部，因此主要针对固定导叶进行坡口设计。固定导叶截面为异形结构，在焊接端以上60mm范围内加工至矩形结构，在矩形部分设有一定斜面形成近似I型窄间隙坡口结构，窄间隙坡口根部a小于16mm，窄间隙坡口上端b小于20mm，在固定导叶两端各一定长度开常规K型坡口，在K型坡口与窄间隙坡口间留有一定间隙。

（Ⅱ）座环13装配：常规座环13焊接时，两瓣座环13装配后面对面采用搭板装配在一起，以控制焊接变形。采用窄间隙焊接时坡口大小相较常规K型坡口减小60%，焊接量及焊接变形相应减小，因此，与常规座环13装配不同，本发明采用单瓣座环13装配、单瓣座环13焊接的方式进行，通过对称焊接及坡口背面增加搭板进行焊接变形控制。

（1）按产品图纸在环板上划线；

（2）根据划线及机器人14焊接模拟结果，装配固定导叶；

（3）在固定导叶非焊接侧上下各装配两个搭块以控制焊接变形；

（4）定位焊。在K型坡口部分焊接定位焊，焊量为20mm；

（5）搭块焊接。对搭块进行角焊，焊脚20mm。

（6）机器人14自动焊接轨迹模拟：根据座环13各部件的尺寸、装配、位置关系，利用三维CAD软件的实体建模功能，在计算机控制系统中对各个导叶的焊接位置及机器人14焊接的轨迹进行规划。

（7）根据计算机模拟结果，将座环13摆放于焊接平台。

（Ⅲ）座环13焊接：（1）焊前预热：利用远红外电加热装置或者火焰对被焊工件的底层焊道进行预热，预热温度根据座环13部件的材料和板厚确定，通常为80-150℃。

（2）机器人14焊接程序编制：根据工件的位置进行工件base的标定，并编制机器人14实际焊接轨迹。

（3）将扁形焊炬伸入I型窄间隙坡口，进行一层一道或一层两道的高效率、高质量焊接，每道焊道焊完后，采用钢丝刷对焊缝进行清理，每两层焊完后，采用风铲对焊缝进行打渣清理。

（4）焊接顺序：当单个固定导叶坡口的焊接填充量达到一定厚度后，调整焊接机器人14的焊接位置，对另一个固定导叶进行焊接，并依次焊接完该位置下的固定导叶至一定厚度。翻身，焊接另一位置下的固定导叶，并将该位置下固定导叶的焊缝焊接完成。翻身，并摆放回原位置，焊接完该位置下固定导叶所有焊缝。

Claims (7)

1.一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，包括传动机构（1）和焊炬主体（2），其特征在于：所述传动机构（1）与焊炬主体（2）的一端连接，使得焊炬结构整体外形呈L型；焊炬主体（2）为平直结构；所述焊炬结构包括旋转导电机构（3）、喷嘴冷却机构（4）、主导电旋转杆（5）、喷嘴（6）、导电嘴（7）和焊炬本体（8），所述主导电旋转杆（5）设置在焊炬本体（8）内部，旋转导电机构（3）设置在焊炬本体（8）端部且与主导电旋转杆（5）相连为主导电旋转杆（5）供电；所述传动机构（1）与主导电旋转杆（5）相连，带动主导电旋转杆（5）转动；所述喷嘴（6）设置在焊炬本体（8）另一端，所述主导电旋转杆（5）的端部连接所述导电嘴（7），且位于喷嘴（6）内；所述喷嘴冷却机构（4）设置在焊炬本体（8）内部用于冷却喷嘴（6）。

2.如权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，其特征在于：所述传动机构（1）包括伺服电机（9）、减速机（10）和锥齿轮组（11），所述锥齿轮组（11）包括两个锥形传动齿轮，一个锥形传动齿轮安装在主导电旋转杆（5）上，另一个锥形传动齿轮安装在减速机（10）的输出轴上，伺服电机（9）经过减速机（10）减速带动并经锥齿轮组（11）传动带动主导电旋转杆（5）转动。

3.如权利要求1或2所述的一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，其特征在于：所述导电嘴（7）与主导电旋转杆（5）之间呈一定角度，所述一定角度为10-12°。

4.如权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，其特征在于：导电嘴（7）内设置有焊丝（12），焊丝（12）伸出导电嘴（7）的长度为17-20mm。

5.如权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，其特征在于：所述喷嘴冷却机构（4）为设置在焊炬本体（8）内部的水冷通道。

6.如权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，其特征在于：所述焊炬主体（2）外表面喷涂有耐高温绝缘陶瓷。

7.如权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的焊炬结构，其特征在于：所述喷嘴（6）采用铬锆铜材料制作而成，焊炬本体（8）端部与喷嘴（6）接触部分喷涂耐高温绝缘陶瓷，并采用绝缘螺钉进行固定。

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