專利名稱：Co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種窄間隙自動焊接設(shè)備。
氣體保護(hù)熔化極電弧窄間隙焊接工藝及設(shè)備約占目前工業(yè)領(lǐng)域窄間隙焊接應(yīng)用的90％。就黑色金屬窄間隙焊接領(lǐng)域而言，以富氬混合氣體保護(hù)(75％～80％Ar+20％～25％CO2或內(nèi)層保護(hù)用95％Ar+5％CO2、外層保護(hù)用100％CO2)應(yīng)用最為廣泛。富氬混合氣體保護(hù)窄間隙焊接采用價格高的惰性氣體且多元混合，工藝復(fù)雜且焊接成本高，同時由于該工藝一般采用射流過渡方式，即使同時應(yīng)用了脈沖技術(shù)，也僅在平焊、橫焊位置下穩(wěn)定可靠，若不另外采用復(fù)雜的電弧擺技術(shù)及其設(shè)備，則很難用于全位置條件下的窄間隙自動焊接；采用單一CO2氣體保護(hù)的實(shí)芯焊絲窄間隙焊接工藝及設(shè)備僅見過報道[(日)《窄間隙焊接》P98～P103,P80～P89]，但不能進(jìn)行全位置焊接(僅用于平、立、橫位置)；粗絲(Φ1.6～Φ2.0)大電流的顆粒過渡必須采用類似埋弧焊的焊劑渣托或強(qiáng)迫成形方式來解決立焊和橫焊的焊縫成形，同時為解決側(cè)壁的均勻熔合問題采用的波浪焊絲電弧自擺技術(shù)增加了設(shè)備的復(fù)雜性并降低了設(shè)備及工藝的可靠性。
本發(fā)明的目的在于研制一種既可采用廉價的單一活性氣體(CO2)作為保護(hù)介質(zhì)，又能克服上述現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)所存在的不足，并可進(jìn)行全位置窄間隙自動焊接的設(shè)備。
本發(fā)明由窄間隙焊矩組件，全位置自動焊小車7及柔性環(huán)形自動焊軌道10，激光自動跟蹤系統(tǒng)，前置焊矩電源15，前置焊矩送絲機(jī)構(gòu)17，后置焊矩電源14，后置焊矩送絲機(jī)構(gòu)16和控制箱18所構(gòu)成。其窄間隙焊矩組件由前、后置一體式非均勻壓縮窄間隙焊矩1、2(見中國專利申請“非均勻壓縮藥芯焊絲電弧窄間隙自動焊接設(shè)備”申請?zhí)?7109255.9)或蓋面焊道焊矩及其相應(yīng)的CO2氣瓶12、13所組成，且蓋面焊道焊矩由導(dǎo)電咀21，圓形內(nèi)噴咀22，橢圓形外噴咀23所構(gòu)成。其全位置自動焊小車7安裝在柔性(指覆蓋管徑范圍)環(huán)形自動焊軌道10上，并可在動力驅(qū)動下沿軌道10運(yùn)動，柔性環(huán)形自動軌道10由軌道本體、安裝在軌道本體上的齒圈、用于環(huán)形軌道與被焊管件(或筒體)外表面之間等距離調(diào)節(jié)與定位固定的徑向可調(diào)節(jié)卡爪11所構(gòu)成。其激光自動跟蹤系統(tǒng)由激光傳感器9、前置焊矩計算機(jī)圖像處理及跟蹤控制器19、二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)8所構(gòu)成，激光傳感器9置于前置窄間隙焊矩1的前方并與其焊矩座固連，二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)8固連在全位置自動焊小車7上、為雙向運(yùn)動機(jī)構(gòu)(即焊縫橫向調(diào)節(jié)和厚度方向調(diào)節(jié))、且兩個方向的跟蹤調(diào)節(jié)均采用步進(jìn)電機(jī)和螺紋傳動機(jī)構(gòu)，并采用剛性軌道固定導(dǎo)向，二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)8的運(yùn)動由計算機(jī)圖像處理及跟蹤控制器19給出控制信號及控制參數(shù)。其前置焊矩電源15和后置焊矩電源14采用表面張力過渡電源。其前置焊矩送絲機(jī)構(gòu)17和后置焊矩送絲機(jī)構(gòu)16選用四輪驅(qū)動送絲機(jī)構(gòu)。其前置窄間隙焊矩1和后置窄間隙焊矩2安裝在相應(yīng)的焊矩座24上并且相互絕緣，兩焊矩座24與激光自動跟蹤二維執(zhí)行機(jī)構(gòu)8上的焊矩座連接板25相連接并與其絕緣。為了使前后置兩焊矩的中心間距可連續(xù)調(diào)節(jié)，通過焊矩座連接板25上的可移動螺母(僅一只焊矩需要)移位來實(shí)現(xiàn)；為了使前、后置兩焊矩前后傾角可調(diào)，焊矩座24與焊矩座連接板25設(shè)計成可以O(shè)點(diǎn)為圓心R為半徑相對旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)時松開每只焊矩座上的三只螺栓，將焊矩座(與焊矩為一整體結(jié)構(gòu))繞O點(diǎn)向左(或向右)旋轉(zhuǎn)(固定位置的螺栓在螺栓槽孔內(nèi)滑動)某一β角后再緊定三只螺栓即可。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和工作過程作進(jìn)一步的介紹。電弧3、4分別由兩臺表面張力過渡電源14、15獨(dú)立供電；由兩臺四輪驅(qū)動送絲機(jī)構(gòu)16、17分別送絲；板厚大于20mm的填充焊道焊接時采用一體式非均勻壓縮窄間隙焊矩1、2；為解決蓋面焊道和次蓋面焊道的熔池可靠保護(hù)問題，進(jìn)行該焊道焊接時需更換蓋面焊道焊矩。其橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。內(nèi)噴咀22噴出的CO2氣體主要保護(hù)熔滴與熔池，外噴咀23噴出的氣體主要解決蓋面焊道高速焊接時的后拖保護(hù)問題，以防止空氣對表層焊道焊縫金屬的侵害。
激光自動跟蹤系統(tǒng)是本發(fā)明中極其重要的自動控制系統(tǒng)，因?yàn)楠M窄坡口內(nèi)的扁平焊矩與工件坡口側(cè)壁間距只有0.5mm左右，諸多干擾都有可能使焊矩與側(cè)壁接觸，這將引起焊矩?zé)龤?、焊接過程中斷，焊縫熔入多量銅等嚴(yán)重缺陷及故障。當(dāng)全位置焊接小車7沿環(huán)形軌道10運(yùn)動時，激光傳感器9將自動同時提取伸入坡口內(nèi)的焊矩相對于兩側(cè)壁坡口的橫向間距信號及相對于上一焊道表面的焊矩高度信號，該信號來自于安裝在傳感器上的CCD攝像器，接口電路，計算機(jī)組成的采集系統(tǒng)提取的焊矩相對位置的二維圖像，經(jīng)過圖像分析后得到焊矩與現(xiàn)行兩坡口側(cè)壁的間距信號、焊矩相對于現(xiàn)行焊道表面的高度信號，并與給定值加以比較，當(dāng)焊矩存在相對位置偏差時，計算機(jī)圖像處理及跟蹤控制器19將實(shí)時控制二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)8自動消除偏差，以確保窄間隙焊矩在窄間隙坡口內(nèi)安全可靠運(yùn)行，其橫向跟蹤精度在±0.1mm以上，縱向(焊矩高度方向)跟蹤精度可適當(dāng)降低，一般在±0.5mm左右。
前置焊矩電源15和后置焊矩電源14所采用的表面張力過渡電源14和15是一種最新的電子逆變電源，它可以根據(jù)電弧的空間物理狀態(tài)(如完全燃弧，熔滴逐漸長大使可見弧長降低，熔滴與熔池短路接觸，熔滴出現(xiàn)縮頸等)，按實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)條件下的最低飛濺率，最穩(wěn)定電弧工作需求，在10-6秒內(nèi)改變并輸出最理想的焊接電流與焊接電壓波形。該電源只能應(yīng)用在以低電流強(qiáng)度、低電弧電壓為特征的短路過渡工藝，該工藝有利于全位置窄間隙焊接時的焊縫成形，但無電弧擺動，低熱輸入情況下，用于厚板焊接時兩側(cè)壁坡口的未熔合缺陷將不可避免，發(fā)明表面張力過渡技術(shù)的美國，僅把該技術(shù)應(yīng)用在13mm以下的板厚范圍內(nèi)，也許正是由于該工藝只能采用短路過渡方式和采用弱規(guī)范的技術(shù)局限。為最大限度地把表面張力過渡的技術(shù)優(yōu)勢(低飛濺率、高電弧穩(wěn)定性)繼承并應(yīng)用于厚板窄間隙焊接領(lǐng)域，又同時克服該技術(shù)低熱輸入功率，低熔透能力的技術(shù)局限，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案1．垂直導(dǎo)入雙絲端部偏向給送?，F(xiàn)有表面張力過渡技術(shù)其最大輸出功率時能同時解決厚板兩側(cè)壁均勻熔合的單道熔寬只有4～5mm。大厚板條件下若用4～5mm的極窄間隙，對于焊矩伸入坡口內(nèi)的高可靠性窄間隙全位置自動焊而言，技術(shù)上極其困難(能同時解決大電流傳導(dǎo)，可靠的保護(hù)氣流導(dǎo)入，與兩側(cè)壁可靠絕緣，耐高溫、高壽命的超薄型窄間隙焊矩，目前還難以制造)。采用垂直導(dǎo)入雙絲端部偏向給送技術(shù)(見圖3，

圖1)，可以在較窄間隙條件下(G=7～12mm)，無需任何電弧擺動技術(shù)，即可有效解決兩側(cè)壁的均勻熔合問題。即雙絲分別由兩套送絲機(jī)構(gòu)送入坡口內(nèi)兩個窄間隙焊矩(間距為70～100mm)的垂直段導(dǎo)絲孔內(nèi)，在窄間隙焊矩端部設(shè)有一傾斜(10°～12°)的偏向(焊矩1偏向坡口一側(cè)，焊矩2偏向坡口另一側(cè))導(dǎo)絲結(jié)構(gòu)34(見附圖11)，使電弧的作用位置分別偏向坡口兩側(cè)(見附圖3)，以保證側(cè)壁的均勻熔合。
2．無擺動并向下后傾焊接法。為進(jìn)一步克服表面張力過渡技術(shù)的低熔透能力不足，以確保填充焊道的層間和道間的可靠熔合，通過窄間隙焊矩的傾角β調(diào)節(jié)(見附圖7)，使焊絲立向下后傾，焊接過程中電弧始終指向熔池，以增長電弧對熔池的作用時間并提高熔池的溫度。
3．選用大脈沖幅比工藝規(guī)范。表面張力過渡電源輸出的電流種類實(shí)際上為脈沖電流(見附圖12)，盡可能選用大脈沖幅比(即Ip/Ib盡可能大)，一方面有利于全位置的焊縫成形，又同時利用大的脈沖峰值電流Ip持續(xù)期間的強(qiáng)大等離子流力加強(qiáng)對熔池的“挖掘”與“攪拌”作用，以提高熔透能力。為使焊接過程中的飛濺率盡可能小，基值電流Ib應(yīng)適當(dāng)?shù)瓦x(以60A～80A為宜)；峰值電流Ip宜選擇電源的允許輸出最大值(如480A)。
4．采用非均勻壓縮電弧。附圖8所示的一體式非均勻壓縮窄間隙自動焊矩，由于保護(hù)氣體僅從焊縫長度方向?qū)?，即沿著焊縫長度方向的電弧兩側(cè)面受到具有良好熱壓縮作用的CO2氣體的較強(qiáng)熱壓縮，而焊縫寬度方向的電弧兩側(cè)面則壓縮較弱，電弧35、36被非均勻的氣流壓縮成橢圓形(見附圖13)，進(jìn)一步提高了焊縫與兩側(cè)壁及每焊層兩焊道間的熔合能力。
為確保根部全位置焊道單面焊雙面成形質(zhì)量，構(gòu)件尺寸許可時，根部焊道可采用陶質(zhì)熔劑襯墊。若管道直徑小于1000mm時，也可采用附圖14所示的根部坡口尺寸，可不用熔劑襯墊。
根據(jù)本發(fā)明制造的CO2氣體保護(hù)雙絲短路過渡窄間隙全位置自動焊設(shè)備，具有如下特點(diǎn)1．極低的飛濺率(通常小于2％，比富氬混合氣體保護(hù)Ar+CO2的實(shí)芯焊絲MAG焊降低30％～50％)極其有利于高精度的自動化焊接，窄間隙條件下電弧工作高度穩(wěn)定，焊矩工作可靠性高。
2．單一CO2氣體保護(hù)，工藝簡化且焊接生產(chǎn)成本低廉。
3．無需采用渣托、強(qiáng)迫成形、電弧擺動等復(fù)雜技術(shù)，使工藝及設(shè)備的可靠性提高。
4．焊接線能量小，熱影響區(qū)很窄，不存在熱影響區(qū)脆化和裂紋缺陷。
5．多道多層的全位置自由成形焊接，焊縫一次組織細(xì)小，接頭機(jī)械性能優(yōu)良。
6．近似I型坡口，坡口加工量少且簡單。
7．坡口間隙小，填充金屬少，焊接生產(chǎn)率高。
8．焊接變形小。
9．易于采用機(jī)器人。
10．焊接煙塵降低50％，光幅射，熱幅射低(與MIG/MAG窄間隙焊相比)，焊接作業(yè)環(huán)境舒適。
11．焊道表面光滑(見附圖6)，整潔，無需進(jìn)行層道間的飛濺清理。
附圖1～附圖15所示實(shí)施例中，采用Φ1.0mm國產(chǎn)H08Mn2Si鍍鋼實(shí)芯焊絲；表面張力過渡電源為美國林肯公司生產(chǎn)的INVERTECTMSTT，送絲機(jī)構(gòu)為LN-742型；峰值焊接電流為480安，基值電流為80安，焊接速度為4～5mm/s,CO2氣體流量為20～25L/min；材料為16Mn，板厚36mm時的坡口尺寸如圖4所示；立面下(圖15)后傾法焊接；激光自動跟蹤系統(tǒng)可選擇美國jetline公司的JST-250-5X5光學(xué)跟蹤器。圖6為實(shí)施例的焊縫照片。
附圖1為CO2氣體保護(hù)雙絲短路過渡窄間隙全位置自動焊設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。其中[1][2]為薄型一體式窄間隙焊矩，[3]、[4]為焊絲，[16]、[17]為送絲機(jī)構(gòu)，[12]、[13]為CO2氣瓶，[14],[15]為表面張力過渡電源，[8]為跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)，[9]為傳感器，[19]為計算機(jī)圖象處理及跟蹤控制系統(tǒng)，[18]為控制箱，[7]為全位置自動焊小車，[10],[11]為自動焊機(jī)道，[6]為根部成形墊，[5]為焊縫，[20]為工件坡口。Vw表示焊接速度及焊接方向。
附圖2為蓋面、次蓋面焊道焊矩橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為前置焊矩[1](用實(shí)線)、后置焊矩[2](用虛線)焊道分工示意圖。α1為前置焊矩中焊絲[8]與中軸線的夾角，α2為后置焊矩中焊絲[4]與中軸線的夾角，α1=α2，一般為10°～12°、α1,α2即焊絲偏角。
附圖4為實(shí)施例的焊接坡口尺寸(虛線)及焊熔敷順序示意圖(每層兩道)。兩側(cè)的坡口面角均為1～2°。
附圖5為全位置自動焊環(huán)形軌道示意圖。
附圖6為實(shí)施例的焊縫外觀照片。
附圖7為雙焊矩安裝、連接和焊矩傾角β調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖。圖中[24]為焊矩座，[25]為兩個相互絕緣的焊矩座連接板，該連接板與跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間絕緣并固連。維修或更換焊矩時，只需把每只焊矩座上的三個螺栓松開即可快速卸下焊矩。[26]為每只焊矩座上的傾角β調(diào)節(jié)圓弧螺栓槽孔，調(diào)節(jié)時只需把每只焊矩座上的三只螺栓松開，即可圍繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)β角后再緊定螺栓。
附圖8為薄型一體式非均勻壓縮電弧窄電隙焊矩橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。[27]為導(dǎo)電咀，[28]為循環(huán)水冷通道，[29]為保護(hù)氣體通道，[30]為焊矩本體，[31]為絕緣涂層。詳見專利申請?zhí)?7109255.9。
附圖9為二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，[32]為焊矩高度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)，[33]為焊矩橫向調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)。
附圖10為附圖8所示焊矩的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中[34]為偏向?qū)Ыz結(jié)構(gòu)(見圖11)，可用陶瓷制造。
附圖11為垂直導(dǎo)入焊絲端部偏向示意圖。
附圖12為表張力過渡電源的輸出焊接電流波形示意圖。
附圖13為非均勻壓縮后的電弧橫截面形狀及雙電弧在坡口內(nèi)的作用位置。[35]為前置電弧，[36]為后置電弧。
附圖14為無根部成形襯墊時的焊接坡口尺寸。
附圖15為全位置焊接時的焊接方向與焊矩傾角β示意圖，Vw為焊接速度。
附圖16為附圖5所示全位置自動焊環(huán)形軌道的細(xì)部結(jié)構(gòu)橫截剖面圖。圖中[3]為軌道本體，[38]為環(huán)形齒圈，[11]為徑向緊定調(diào)節(jié)夾爪。
權(quán)利要求
1．一種CO2氣體保護(hù)雙絲短路過渡窄間隙全位置自動焊設(shè)備，由窄間隙焊矩組件，全位置自動焊小車[7]及柔性環(huán)形自動焊軌道[10]，激光自動跟蹤系統(tǒng)，前置焊矩電源[15]，前置焊矩送絲機(jī)構(gòu)[17]，后置焊矩電源[14]，后置焊矩送絲機(jī)構(gòu)[10]和控制箱[18]所構(gòu)成，其特征在于所述的窄間隙焊矩機(jī)構(gòu)由前、后置一體式非均勻壓縮窄間隙焊矩[1][2]或蓋面焊道焊矩及其相應(yīng)的CO2氣瓶[12][18]所組成，且蓋面焊道焊矩由導(dǎo)電咀[21]，圓形內(nèi)噴咀[22]，橢圓形外噴咀[23]所構(gòu)成；所述的全位置自動焊小車[7]安裝在環(huán)形自動焊軌道[10]上，并可在動力驅(qū)動下沿軌道[10]運(yùn)動，且環(huán)形自動軌道[10]由軌道本體[17]，安裝在軌道本體[27]上的齒圈[26]，用于環(huán)形軌道與被焊管體/或筒體外表面之間等距離調(diào)節(jié)與定位固定的徑向可調(diào)節(jié)卡爪[11]所構(gòu)成；所述的激光自動跟蹤系統(tǒng)由激光傳感器[9]、前置焊矩計算機(jī)圖像處理及跟蹤控制器[19]，二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]所構(gòu)成，且激光傳感器[8]置于前置窄間隙焊矩[1]的前方并與其焊矩座固連；二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]固連在全位置自動焊小車[7]上，且為雙向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其兩個方向的跟蹤調(diào)節(jié)均采用步進(jìn)電機(jī)和螺紋傳動機(jī)構(gòu)并采用剛性軌道固定導(dǎo)向；二維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]的運(yùn)動由計算機(jī)圖像處理及跟蹤控制器[19]給出控制信號及控制參數(shù)；所述的前置焊矩電源[15]和后置焊矩電源[14]采用表面張力過渡電源；所述的前置焊矩送絲機(jī)構(gòu)[17]和后置焊矩送絲機(jī)構(gòu)[18]選用四輪驅(qū)動送絲機(jī)構(gòu)；所述的前置窄間隙焊矩[1]和后量窄間隙焊矩[2]分別安裝在相互絕緣的焊矩座連接板[25]上，且與激光自動跟蹤二維執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]絕緣并固連。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的CO2氣體保護(hù)雙絲短路過渡窄間隙全位置自動焊設(shè)備，其特征在于所述的焊矩座[24]與焊矩座連接板[25]之間的連接通過可移動螺母可進(jìn)行快速連接；焊矩及其焊矩座[24]為一整體結(jié)構(gòu)。以焊矩座[24]左上角O點(diǎn)(每一焊矩各設(shè)有一緊定螺栓)為圓心R為半徑的螺栓槽孔[26]可實(shí)現(xiàn)焊矩[1][2]前、后傾角β的調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種CO
文檔編號B23K9/173GK1215641SQ9710928
公開日1999年5月5日 申請日期1997年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月24日
發(fā)明者張富巨, 肖榮清, 張建強(qiáng), 關(guān)承英, 陳幼康 申請人:武漢水利電力大學(xué)