一种超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置

摘要

本发明一种超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置，包括与超窄间隙MAG/MIG焊枪本座连接的三维自适应浮动装置，所述超窄间隙MAG/MIG焊枪本座上固定有超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴，所述超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴上固定有一个跟踪本座；优点：1.结构极其简单，技术实现成本大幅度降低；2.全系统全部为机械装置，跟踪效果完全不受电磁场，热辐射，光辐射，高温液态金属飞溅等外界系统的干扰，具有现有技术下难以实现的超强抗干扰能力和极高的可靠性；3.完全克服了现有技术的力偶臂误差和倾斜度误差，仅用一套机械接触压力传感器可同时实现平面回转、横向、倾斜三个自由度的自适应跟踪，现有技术尚未见到。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种超窄间隙焊接坡口条件下的自动MAG/MIG焊接过程的超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置。

背景技术

熔化极电弧焊方法是目前国内外装备制造领域最广泛最重要的通用工业技术，自发明以来已在工业领域应用了近九十年。随着现代装备制造向高容量高参数化的快速发展，要求熔化极弧焊方法具备更高的生产效率和焊接质量，并同时大幅度降低其生产成本，已成为目前装备制造的迫切技术进步要求。采用窄间隙熔化极电弧焊技术是实现上述进步的最有效最高效的技术途径。自上世纪六十年代初美国BATTLE研究所首次提出“窄间隙焊接Narrow Gap Welding”概念以来，已发明的窄间隙埋弧焊和窄间隙氩弧焊在工业领域已应用了三十余年了。窄间隙埋弧焊和窄间隙氩弧焊不是一种新的焊接方法，仅是一种特别技术，这两种特别技术均有各自的独特技术优势，但这两种特别技术也存在着非常显著的局限性：前者热输入很大，焊态接头的力学性能不理想，节材节电降低成本均不显著；后者焊接生产率很低，成本降低不明显。克服这两种窄间隙焊接技术的上述局限性并产生更大的焊接技术进步，目前公认的是采用窄间隙MAG/MIG焊接技术。在窄间隙MAG/MIG焊接技术领域，自上世纪七十年代以来，世界上不少国家，尤其是日本投入了大量的研究，然而四十余年过去了，至今在工业领域真正获得成功应用的国家和行业领域却寥寥无几，究其根本原因，并不是窄间隙MAG/MIG焊接技术的优势不显著和不具有跨越性进步，而是该技术需要突破的系列关键技术中总未能“系统突破”，如窄间隙MAG/MIG焊枪设计与制造，熔化极电弧焊电源熔滴过渡高度稳定性，两侧壁可靠熔合，窄间隙坡口条件下的焊缝轨迹自适应跟踪等主要关键技术必须系统突破，突破了99%也不行，必须100%。

窄间隙坡口条件下的焊缝轨迹自适应跟踪技术是窄间隙MAG/MIGh焊走向大规模工业应用的必备关键技术之一，现有技术主要有：1.申请号201210325926.9，王加友，朱杰，叶利利，杨茂盛，基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法；2.中国发明专利，焊炬浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置，ZL200410060990.4；3.艾雍宜，王加友，孙孝纯，双向接触式焊缝跟踪传感器的研制与应用，《电焊机》，1998，P15-18；4.亢稚禄，于静伟，接触式二维跟踪技术的研究与应用，《电焊机》，1991.P11-14；5.JP2003-220469，A；6.中国专利201410487171.1，一种无电力驱动三维自适应对中装置。上述已有技术尚存在下述局限性：1.参考1和参考5虽是针对窄间隙焊接技术，但不属于接触式传感器，均存在着需要“机械位移量—电量转换，偏差信号识别，控制调节量计算和电动调节”的复杂闭环自适应控制过程，系统复杂，可靠性较低；2.参考2是针对窄间隙焊接开发的接触式传感自适应跟踪技术，虽无需传统的“机械位移量—电量转换，偏差信号识别，控制调节量计算和电动调节”的复杂系统，但均存在着导前传感误差，力偶臂误差以及传感辊轮在坡口深度方向上是局部支撑，难以实现焊枪的中心平面与整体坡口平面的高精准重合，所产生的焊枪倾斜误差会传导给横向，进而导致横向跟踪精度存在系统误差；3.参考6和参考2都摒弃了传统的复杂闭环自适应控制系统，虽消除了力偶臂误差，但仍属于传感辊轮在坡口深度方向上是局部支撑，焊枪倾斜度误差依然存在；4.参考3和参考4均是针对传统大坡口面角开发的技术，在坡口面度极小的窄间隙焊接坡口下根本不适用。

发明内容

本发明对上述技术局限性主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置，其特征在于，包括与超窄间隙MAG/MIG焊枪本座连接的三维自适应浮动装置，所述超窄间隙MAG/MIG焊枪本座上固定有超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴，所述超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴上固定有一个跟踪本座；

所述跟踪本座与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴之间装有绝缘板，通过跟踪本座中的螺钉/螺钉孔/绝缘钉套，将跟踪本座与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴牢固地连接起来；

所述三维自适应浮动装置包括回转座、圆弧导轨滑块幅、横向浮动本座、直线导轨滑块幅、倾斜座；所述回转座为板状结构，其下方固装圆弧导轨；横向浮动本座也为板状结构，其上部安装圆弧导轨滑块；圆弧导轨滑块幅将回转座和横向浮动本座连接完成后，横向浮动本座可相对回转座在一定角度范围内自由回转；横向浮动本座的下方安装直线导轨，横向浮动座的上方安装直线导轨滑块；横向浮动座通过直线导轨滑块幅与横向浮动本座连接后，横向浮动座可相对横向浮动本座自由横向浮动；横向浮动座与其下方的倾斜座之间设有两端铰接结构，该铰接结构为悬臂轴/轴承结构或者关节轴承结构；横向浮动座与倾斜座铰链连接后，倾斜座能够沿横向浮动本座横向浮动，还能够相对于横向浮动座产生一定幅度的双向倾斜，左、右方向的最大倾斜夹角小于20°。

本发明的超窄间隙MAG/MIG自动焊接焊缝横向自适应跟踪装置还可以应用于窄间隙MAG/MIG自动焊接工艺情况下，此工艺情况下不能使用无侧偏丝的导电嘴，须要使用端部偏斜送丝的导电嘴，且最好串列使用双枪，一枪左偏丝，一枪右偏丝。此外，本发明还可用于厚板，特厚板的传统埋弧焊，钨极氩弧焊，各种气体保护焊方法的自动焊接过程的焊缝轨自适应迹跟踪。

在上述的一种超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置，所述三维自适应浮动装置的上部回转座能够与自动焊小车，自动焊机头各种能拖动焊枪沿焊缝长度方向运动的机构或装置连接；其下部的倾斜座与超窄间隙MAG/MIG焊枪本座连接；超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴能够相对于回转座实现自由、平滑的平面回转、横向直线浮动和铅垂方向的左向或右向任一角度的倾斜共三个自由度的浮动。

在上述的一种超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置，所述跟踪本座为板状的T型结构，包括上弹簧座、下弹簧座、弹簧座限位组件；以及由支撑轴、跟踪辊轮组成的一个跟踪组件；跟踪本座上部在超窄间隙焊接坡口的外部工作，下部将伸入到坡口内工作；上部和下部均设有燕尾槽结构，用于上弹簧座和下弹簧座在该槽内自由横向浮动；跟踪组件设置在跟踪本座中部。

在上述的一种超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置，跟踪组件包括设置在跟踪本座上下方向贯穿整个跟踪本座的用于安装支撑轴的支撑轴孔，该轴孔为腰圆形，支撑轴在上部弹簧和下部弹簧的作用下，可在轴孔内横向浮动；跟踪本座两侧设有若干横向窗口，该窗口与轴孔互相垂直，窗口尺寸大于跟踪辊轮，每一窗口内并列安装两个跟踪辊轮；支撑轴贯穿于所有窗口并与上弹簧座和下弹簧座连接；支撑轴在跟踪本座中的横向限位靠跟踪本座中的轴孔以及安装于跟踪本座燕尾槽中的弹簧限位组件来实现。

在上述的一种超窄间隙MAG/MIG焊接焊缝横向自适应跟踪装置，所述窗口的数量依据伸入到超窄间隙坡口内的深度或焊件板厚而定，每隔12mm~15mm设置一个窗口；跟踪本座与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴之间装有绝缘板，通过跟踪本座中的螺钉/螺钉孔/绝缘钉套，将跟踪本座与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴牢固地连接起来；为防止焊接电弧和超窄间隙焊接坡口之间被跟踪辊轮短路，跟踪本座与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴之间必须可靠地相互绝缘。

因此，本发明具有如下优点：1.将焊枪中心传统闭环控制系统的相对于当前焊接坡口的中心位置偏差信号检测、方向识别、控制调节量计算和电动调节的复杂软硬件系统完全摒弃，仅用一套三维浮动装置和接触压力平衡机构，即可实现窄间隙/超窄间隙焊接坡口下三个自由度的自适应跟踪，结构极其简单，技术实现成本大幅度降低；2.全系统没有电量信号传输和计算，全部为机械装置，跟踪效果完全不受电磁场，热辐射，光辐射，高温液态金属飞溅等外界系统的干扰，具有现有技术下难以实现的超强抗干扰能力和极高的可靠性；3.完全克服了现有技术的力偶臂误差和倾斜度误差，仅用一套机械接触压力传感器可同时实现平面回转、横向、倾斜三个自由度的自适应跟踪，现有技术尚未见到。

附图说明

图1是本发明与其它发明集成后构成的超窄间隙MAG/MIG自动焊枪和自适应跟踪系统示意图。

图2是机械接触压力传感装置的侧视位置示意图。

图3是上弹簧座与跟踪本座的结构及装配示意图。

图4是跟踪本座上部的限位挡板和支撑轴孔示意图。

图5是接触压力传感装置在超窄间隙焊接坡口内的工作原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，回转座1、圆弧导轨滑块幅2、横向浮动本座3、送丝机构4、送气管5、进水管6、正极电缆7、超窄间隙MAG/MIG焊枪本座8、超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9、喷嘴绝缘组件一10、喷嘴绝缘组件二11、跟踪本座12、上弹簧座13、跟踪辊轮14、绝缘板15、下弹簧座16、倾斜座17、上弹簧中心支板18、上部弹簧19、螺钉/螺钉孔/绝缘钉套20、下弹簧中心支板21、下部弹簧22、弹簧座限位组件23、支撑轴24、轴孔25、超窄间隙焊接坡口26。

实施例：

本发明的超窄间隙MAG/MIG自动焊接焊缝横向自适应跟踪装置，主要由三维自适应浮动装置、超窄间隙MAG/MIG焊枪本座8、超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9、跟踪本座12、上弹簧座13、下弹簧座16、弹簧座限位组件23、支撑轴24、跟踪辊轮14及绝缘板15组成。三维自适应浮动装置主要由回转座1、圆弧导轨滑块幅2、横向浮动本座3、直线导轨滑块幅、倾斜座17组成；回转座1为板状结构，其下方固装圆弧导轨；横向浮动本座3也为板状结构，其上部安装圆弧导轨滑块；圆弧导轨滑块幅2将回转座1和横向浮动本座3连接完成后，横向浮动本座3可相对回转座1在一定角度范围内自由回转；横向浮动本座3的下方安装直线导轨，横向浮动座的上方安装直线导轨滑块；横向浮动座通过直线导轨滑块幅与横向浮动本座3连接后，横向浮动座可相对横向浮动本座3自由横向浮动；横向浮动座与其下方的倾斜座17之间设有两端铰接结构，该铰接结构可用悬臂轴/轴承结构，也可用关节轴承结构；横向浮动座与倾斜座17铰链连接完成后，倾斜座17即可沿横向浮动本座3横向浮动，还可相对于横向浮动座产生一定幅度的双向倾斜，左右方向的最大倾斜夹角小于20°；三维自适应浮动装置的上部回转座1可与自动焊小车，自动焊机头等各种能拖动焊枪沿焊缝长度方向运动的机构或装置连接；其下部的倾斜座17与超窄间隙MAG/MIG焊枪本座8连接；上述组装连接完成后，超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9可相对于回转座1实现自由、平滑的平面回转、横向直线浮动和铅垂方向的左向或右向任一角度的倾斜共三个自由度的浮动。

超窄间隙MAG/MIG焊枪本座8和超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴参见已申请的中国专利：无接触面导热自循环水冷超窄间隙MAG/MIG焊焊枪。

喷嘴绝缘组件一10和喷嘴绝缘组件二11参见已申请的中国专利：组装式超窄间隙MAG/MIG焊绝缘喷嘴。

跟踪本座12为板状的T型结构，上部在超窄间隙焊接坡口26的外部工作，下部将伸入到坡口26内工作；上部和下部均设有“燕尾槽”结构，用于上弹簧座13和下弹簧座16在该槽内自由横向浮动；中部设有两种结构，一是上下方向可安装支撑轴24的支撑轴孔25，该轴孔为腰圆形，支撑轴24在上部弹簧19和下部弹簧22的作用下，可在轴孔25内横向浮动；另一种结构是横向窗口，该窗口与轴孔25互相垂直，窗口尺寸稍大于跟踪辊轮14，每一窗口内并列安装两个跟踪辊轮；窗口的数量依据伸入到超窄间隙坡口内的深度（或焊件板厚）而定，可大约每板厚12mm设置一个窗口；支撑轴24贯穿于所有窗口并与上弹簧座13和下弹簧座16连接；支撑轴24在跟踪本座12中的横向限位，一是靠跟踪本座12中的轴孔25，二是靠安装于跟踪本座12燕尾槽中的弹簧限位组件23来实现；跟踪本座12与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9之间装有绝缘板15，通过跟踪本座12中的螺钉/螺钉孔/绝缘钉套20，将跟踪本座12与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9牢固地连接起来；为防止焊接电弧和超窄间隙焊接坡口26之间被跟踪辊轮14短路，跟踪本座12与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9之间必须可靠地相互绝缘。

本发明的超窄间隙MAG/MIG自动焊接焊缝横向自适应跟踪装置，其跟踪精度取决于下述制造因素：1.跟踪本座12上下两端的上弹簧中心支板18和下弹簧中心支板21的中心平面，须与所有并列的跟踪辊轮14的对称中心完全重合；2.跟踪本座12上下两端的每对上部弹簧19和下部弹簧22须做自由长度、压缩量与弹力数值的匹配，该匹配精度越高，系统误差将越小；3.跟踪本座12上弹簧中心支板18和下弹簧中心支板21的对称中心，与超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9的厚度中心平面完全重合，且位于喷嘴9前后成对安装。

本发明的超窄间隙MAG/MIG自动焊接焊缝横向自适应跟踪装置工作时，先将两跟踪本座12的下部两对弹簧22压缩，使下部的跟踪辊轮14向内靠拢，同时将超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9伸入到超窄间隙焊接坡口26内，之后再压缩上部两对弹簧19，并将焊枪慢慢伸入到最大焊接深度处；松开两对上部弹簧19后，超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9在本发明装置的所有跟踪辊轮14支撑下，喷嘴将自动位于超窄间隙焊接坡口26的中心；若喷嘴9不位于坡口26中心，坡口左右两侧壁上所有跟踪辊轮14的接触压力的合力将不能相应抵消，即喷嘴9对一侧坡口壁的压力大，另一侧壁的压力小；若右侧壁压力大，该不平衡的压力将通过窄间隙MAG/MIG焊枪本座8快速传递给三维自适应浮动装置的横向浮动座，横向浮动座上方的直线导轨滑块将自动沿着直线导轨向左横向平移，移至跟踪辊轮14对两坡口侧壁上的压力完全相等时，接触压力的合力为零，将不存在超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9的调节驱动了，喷嘴9将恢复到位于坡口26中心。

同理，本跟踪装置随同超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9在超窄间隙焊接坡口26内工作时，若前方和后方跟踪辊轮14对坡口26两侧壁的接触压力不平衡，该平面回转方向的不平衡力将传递给横向浮动本座3，通过圆弧导轨滑块幅2的位移调节（回转浮动）使其恢复平衡；同理，超窄间隙焊接坡口26深度方向上部和下部跟踪辊轮14对两侧壁的接触压力不平衡时，说明超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9厚度中心平面与当前的超窄间隙焊接坡口26中心平面不重合，存在倾斜方向误差，同上原理，超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9将通过倾斜座17的自动位移，使其恢复到上下部跟踪辊轮14对坡口两侧壁接触压力的平衡。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明技术作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了回转座1、圆弧导轨滑块幅2、横向浮动本座3、送丝机构4、送气管5、进水管6、正极电缆7、超窄间隙MAG/MIG焊枪本座8、超窄间隙MAG/MIG焊喷嘴9、喷嘴绝缘组件一10、喷嘴绝缘组件二11、跟踪本座12、上弹簧座13、跟踪辊轮14、绝缘板15、下弹簧座16、倾斜座17、上弹簧中心支板18、上部弹簧19、螺钉/螺钉孔/绝缘钉套20、下弹簧中心支板21、下部弹簧22、弹簧座限位组件23、支撑轴24、轴孔25、超窄间隙焊接坡口26等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明相违背的。