CN108296603A - 一种双面双弧立焊熔深控制装置及其焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合板双面双弧立焊熔深控制装置与方法，该装置包括双机器人、焊接电源、弧长控制装置和工控机等。其熔深控制方法主要采用双面双弧立焊与自行研制的弧长控制装置相结合，焊接过程中两侧电弧参数独立调节，并通过弧长控制装置采集并调节电压数据，实现复合板正、反面熔深的精确控制。通过上述方式，本发明能够实现对5‑10mm钛‑钢、不锈钢‑钢等复合板的一次性焊透，无需添加过渡层，效率提高，焊接变形小，并减少金属间化合物的产生。

Description

一种双面双弧立焊熔深控制装置及其焊接方法
技术领域
本发明涉及一种复合板焊接方法，特别是一种双面双弧立焊熔深控制装置及其焊接方法。
背景技术
不锈钢复合板由于基层碳钢或铜不含有合金元素Cr、Ni，所以熔化焊时对焊缝金属中合金元素Cr、Ni有稀释作用，使得焊缝中奥氏体形成元素Cr、Ni含量减少，焊缝金属中产生马氏体淬硬组织，易产生裂纹，从而恶化焊接接头质量。因此对于不锈钢复合板的焊接，一方面要选择含Cr、Ni含量高的焊接材料，另一方面也要选择合适的焊接方法和焊接工艺。
钛钢复合板直接熔焊时，由于钛和铁的线膨胀系数、热导率相差较大，焊接接头中容易产生较大的内应力和硬脆的金属间化合物，形成低熔点共晶体。此外，钛还是强碳化物形成元素，与钢中的碳极易形成脆性的TiC。最终使得焊缝极易产生裂纹，所以必须选择合适的焊接工艺与方法。
对于复合板焊接，现有的方法大都是间接焊接，均需添加过渡层，如专利《一种钛-钢复合板全透焊接方法》中，需要添加钒作为钛钢复合板复合界面的中间过渡层，焊接开始前要对中间过渡层的坡口进行清理，焊后对中间过渡层焊缝进行清理，工序繁琐复杂。
双面双弧焊接方法是由两台电源控制两把焊枪在工件两侧同时进行焊接，可以大幅提高焊接效率、减小变形，同时与多层多道焊相比，减小能量损失，节省能源。由于两侧电弧参数可以独立调节，因此便于独立调节两侧焊接参数，实现正、反面直接焊透，同时可以避免复合板接头金属间化合物的形成。采用熔深控制的双面双弧焊接技术可一次性直接完成5-10mm复合板的焊接，业内暂无相关研究报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种复合板熔深控制焊接装置及其焊接方法。
本发明的技术解决方案为：
一种复合板双面双弧立焊熔深控制装置，包括焊枪A、焊枪B、弧长控制装置、工控机、焊接机器人A、焊接机器人B、焊接电源A和焊接电源B；机器人人A、焊接机器人B分别连接焊接电源A和焊接电源B的正负极，
弧长控制装置用于检测焊枪的焊接电压，调整机器人工具坐标位置；
工控机用于接收信号，并对所接收信号进行还原显示；其中，工控机的PCI卡槽中安装用于接收信号并进行采样的USB数据采集卡。
一种复合板的焊接方法，将双面双弧焊接方法与弧长控制技术相结合，实现复合板焊接过程中的熔深精确控制，包括以下步骤：
步骤1，对待焊复合板进行开坡口工序：将待焊试板A的基层切除2-5mm，使之形成角度为90°的凸台型坡口，将待焊试板B的复层切除相同宽度，使两侧试板能够实现对接；
步骤2，对复合板坡口附近40mm的区域进行清理，固定待焊试板使其与水平面呈90°；
步骤3，调整焊枪至起弧位置，确保两侧焊枪处于同一高度，两侧钨极尖端分别对准待焊复合板的接缝中心；
步骤4，设置焊接工艺参数，根据复合板基层与复层材料，分别设置焊接电流，焊接开始后两侧焊枪同时引弧，以相同的速度从下往上运动；
步骤5，焊接过程中，通过调整弧长来控制电压稳定在初始值，直至焊接结束。
通过调整弧长来控制电压稳定在初始值具体步骤为：
步骤5.1，焊接过程中，弧长控制装置将采集的电压数据传输给数据采集卡，数据采集卡将数据传输给工控机，获得电压波形曲线；
步骤5.2，建立熔深与电压之间的关系模型数据库；
步骤5.3，根据待焊工件基层与复合层的厚度，查询步骤6中建立的模型数据库，获得对应的电压值US1和US2；
步骤5.4，焊接时若两把焊枪的检测电压大于或小于US1和US2，弧长控制装置检测到变化量，超过设定阈值则向机器人发出指令，机器人通过移动工具坐标Z轴位置调节电弧长度，使焊接电压返回初始值。
进一步的，复合板采用5-10mm钛-钢、不锈钢-钢复合板。
进一步的，焊接过程中，采用纯度为99.9％的氩气作为保护气，基层侧的保护气体流量为10-15L/min，复层侧的保护气体流量为8-12L/min。
进一步的，采用钨极直径3.2mm，钨极尖端到复合板距离为2～5mm，钨极尖端的形状为圆锥形，磨削角度为45°
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、实现对中厚度复合板直接焊接，不用添加过渡层，减少工序，提高效率。
2、本发明采用双面双弧焊接工艺，双弧同时焊接，形成共同熔池，效率提高，焊接变形小。
3、本发明采用弧长控制技术，可精确控制焊接熔深，确保基层和复层熔透且不产生或少量产生金属间化合物。
附图说明
图1为本发明复合板双面双弧立焊熔深控制装置示意图；
图2为本发明适用的复合板坡口形式；
图3为本发明的双面双弧焊接过程示意图。图3(a)为俯视图，图3(b)为左视图。
其中，1、焊枪A；2、焊枪B；3、焊接电源A；4、弧长控制装置；5、工控机；7、焊接机器人A；8、焊接机器人B；9、钨极A；10、钨极B；11、焊接电源B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1，复合板双面双弧立焊熔深控制装置包括：焊枪A、焊枪B、弧长控制装置4、工控机5、焊接机器人A、焊接机器人B、焊接电源A和焊接电源B；机器人人A、焊接机器人B分别连接焊接电源A和焊接电源B的正负极，
所述的弧长控制装置4用于检测焊枪的焊接电压，调整机器人工具坐标位置；
所述的工控机5用于接收信号，并对所接收信号进行还原显示；其中，工控机5的PCI卡槽中安装用于接收信号并进行采样的USB数据采集卡。
结合图2，将待焊接的复合板1和2加工成如图形状，即复合板1切除部分基层，复合板2切除部分复层，不加工斜面坡口，两接缝相距2-5mm；
结合图3，焊接时焊枪A和焊枪B分别对准各自侧接缝中心，引弧点在同一水平面上，同时引弧，同步向上(垂直纸面向外)施焊；
具体焊接步骤为：
步骤1，对待焊复合板进行开坡口工序：将待焊试板A的基层切除2-5mm，使之形成角度为90°的凸台型坡口，将待焊试板B的复层切除相同宽度，使两侧试板能够实现对接；
步骤2，对复合板坡口附近40mm的区域进行清理，固定待焊试板使其与水平面呈90°；
步骤3，调整焊枪至起弧位置，确保两侧焊枪处于同一高度，两侧钨极尖端分别对准待焊复合板的接缝中心；
步骤4，设置焊接工艺参数，根据复合板基层与复层材料，分别设置焊接电流，焊接开始后两侧焊枪同时引弧，以相同的速度从下往上运动；
步骤5，焊接过程中，通过调整弧长来控制电压稳定在初始值，直至焊接结束。
通过调整弧长来控制电压稳定在初始值具体步骤为：
步骤5.1，焊接过程中，弧长控制装置将采集的电压数据传输给数据采集卡，数据采集卡将数据传输给工控机，获得电压波形曲线；
步骤5.2，建立熔深与电压之间的关系模型数据库；
步骤5.3，根据待焊工件基层与复合层的厚度，查询步骤6中建立的模型数据库，获得对应的电压值US1和US2；
步骤5.4，焊接时若两把焊枪的检测电压大于或小于US1和US2，弧长控制装置检测到变化量，超过设定阈值则向机器人发出指令，机器人通过移动工具坐标Z轴位置调节电弧长度，使焊接电压返回初始值。
实施例1
对10mm钛-钢复合板进行对接，钢为基层，厚度为8mm，钛为复层，厚度为2mm，坡口形状如图1，接缝相距4mm。采用自熔钨极氩弧焊工艺施焊，电极采用铈钨，钨极直径3.2mm，两侧的钨极A、钨极B与距离工件表面均为3mm，焊接保护气为99.999％高纯氩，钛侧气体流量为10L/min，钢侧气体流量为12L/min。
通过查询熔深与电压关系模型数据库，获得熔透8mm钢材电压标准值为15V，而熔透2mm钛板电压标准值为9V。焊接时电压检测装置获得复合板两侧起弧阶段电压均为11.8V，起弧段熔池尚未形成，不予考虑，弧长调节算法不考虑开始段20mm；随着焊接过程的进行，基层电压变为14.8V，复层电压为8.9V，并开始稳定；在接近焊缝末端时，基层电压突变为15.9V，复层电压变为10V。设定调节阈值为0.3V，接近焊缝末端时，实时电压与标准值的差超过调节阈值，启动弧长调节机制，通过PID算法获得调节结果，钢侧钨极降低0.3mm，钛侧钨极降低0.2mm。焊后通过金相检测等手段发现，相比传统过渡层焊接方法，金属间化合物数量下降50％以上。
实施例2
对10mm不锈钢-钢复合板进行对接，钢为基层，厚度为8mm，不锈钢为复层，厚度为2mm，坡口形状如图1，接缝相距4mm。采用自熔钨极氩弧焊工艺施焊，电极采用铈钨，钨极直径3.2mm，两侧的钨极A、钨极B距离工件表面均为3mm，焊接保护气为99.999％高纯氩，不锈钢侧气体流量为12L/min，钢侧气体流量为15L/min。
通过查询熔深与电压关系模型数据库，获得熔透8mm钢材电压标准值为15V，而熔透2mm不锈钢板电压标准值为8V。焊接时电压检测装置获得复合板两侧起弧阶段电压均为11.8V，焊枪在行走20mm之后，弧长调节开始作用；随着焊接过程的进行，基层电压变为14.8V，复层电压为7.8V，并开始稳定；在接近焊缝末端时，基层电压突变为15.9V，复层电压变为8.8V。设定调节阈值为0.3V，接近焊缝末端时，实时电压与标准值的差超过调节阈值，启动弧长调节机制，通过PID算法获得调节结果，钢侧钨极与试板距离缩短0.3mm，不锈钢侧钨极与试板距离缩短0.2mm。焊后通过金相检测等手段发现，相比传统过渡层焊接方法，金属间化合物数量下降50％以上。

Claims (7)

1.一种复合板双面双弧立焊熔深控制装置，其特征在于，包括焊枪A(1)、焊枪B(2)、弧长控制装置(4)、工控机(5)、焊接机器人A(7)、焊接机器人B(8)、焊接电源A(3)和焊接电源B(11)；机器人人A、焊接机器人B分别连接焊接电源A(3)和焊接电源B(11)的正负极，
所述的弧长控制装置(4)用于检测焊枪的焊接电压，调整机器人工具坐标位置；
所述的工控机(5)用于接收信号，并对所接收信号进行还原显示；其中，工控机(5)的PCI卡槽中安装用于接收信号并进行采样的USB数据采集卡。
2.一种基于权利要求1所述的复合板双面双弧立焊熔深控制装置的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对待焊复合板进行开坡口工序；
步骤2，对复合板坡口附近40mm的区域进行清理，固定待焊试板使其与水平面呈90°；
步骤3，调整焊枪至起弧位置，确保两侧焊枪处于同一高度，两侧电极尖端分别对准待焊复合板的接缝中心；
步骤4，设置焊接工艺参数，根据复合板基层与复层材料，分别设置焊接电流，焊接开始后两侧焊枪同时引弧，以相同的速度从下往上运动；
步骤5，焊接过程中，通过调整弧长来控制电压稳定在初始值，直至焊接结束。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述的开坡口工序为：将待焊试板A的基层切除2-5mm，使之形成角度为90°的凸台型坡口，将待焊试板B的复层切除相同宽度，使两侧试板能够实现对接。
4.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述的通过调整弧长来控制电压稳定在初始值具体步骤为：
步骤5.1，焊接过程中，弧长控制装置将采集的电压数据传输给数据采集卡，数据采集卡将数据传输给工控机，获得电压波形曲线；
步骤5.2，建立熔深与电压之间的关系模型数据库；
步骤5.3，根据待焊工件基层与复合层的厚度，查询步骤6中建立的模型数据库，获得对应的电压值US1和US2；
步骤5.4，焊接时若两把焊枪的检测电压大于或小于US1和US2，弧长控制装置检测到变化量，超过设定阈值则向机器人发出指令，机器人通过移动工具坐标Z轴位置调节电弧长度，使焊接电压返回初始值。
5.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，焊接过程中，采用纯度为99.9％的氩气作为保护气，基层侧的保护气体流量为10-15L/min，复层侧的保护气体流量为8-12L/min。
6.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述的钨极直径3.2mm，钨极尖端到复合板距离为2～5mm，钨极尖端的形状为圆锥形，磨削角度为45°。
7.根据权利要求2所述的焊接方法，所述复合板为厚度5-10mm钛-钢或不锈钢-钢复合板。
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