CN116000412A - 一种用于船用铝合金的间断自动焊方法以及焊接机器人控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于船用铝合金的间断自动焊方法以及焊接机器人控制方法。其中，一种用于船用铝合金的间断自动焊方法，包括确定焊接阶段的焊接电流I_w、焊接电压U_w和焊接速度V_w；处于起弧阶段时，焊枪处于预定轨迹的焊接起点位置，焊接电流I₀引燃并预热铝合金，并在t1时间内焊接电流匀速变化至I_w；处于收弧阶段时，焊枪位于与焊接起点位置对应的终点位置，焊接电流在t2时间内由I_w降低至I_e，以填满弧坑；处于焊接阶段时，焊接电流处于保持Iw，焊枪沿着预定轨迹由焊接起点位置移动至焊接终点位置；通过在起弧过程、收弧过程中焊接电流和焊接时间的控制，保证船用铝合金间断焊接过程中表面形成美观、起弧收弧饱满的焊缝。

Description

一种用于船用铝合金的间断自动焊方法以及焊接机器人控制方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种用于船用铝合金的间断自动焊方法以及焊接机器人控制方法。

背景技术

间断焊工艺是一种有效的减小焊接变形的方法，采用分段的角焊缝代替连续的角焊缝，可以有效减少热输入，尤其对于铝合金等材料可大大减少变形及后续矫正工作量，提高生产效率。由于需要频繁的起弧和收弧，为保证焊缝成形，间断焊一般采用人工操作。但焊工操作水平存在差异，人工焊接间断焊存在焊缝表面质量不稳定、起收弧焊接质量难以保证等缺点，且对焊工水平要求较高。

采用自动焊接以获得质量稳定的焊接过程成为铝合金高效焊接技术发展的趋势。自动焊接时，焊道中部连续的焊缝表面质量控制较为容易，但是收弧和起弧易于出现不稳定的焊接过程，使得焊接质量存在波动。尤其对于导热性好的铝合金材料，频繁的起弧和收弧导致的未熔合和收弧坑等焊接质量问题更为严重，无法满足当前实现高质高效的船舶建造过程的焊接要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于船用铝合金的间断自动焊方法以及一种焊接机器人控制方法。

本发明提出一种用于船用铝合金的间断自动焊方法，用于预定轨迹的焊接，包括起弧阶段、焊接阶段和收弧阶段；根据待焊接母材相关参数、焊丝相关参数以及焊接要求，确定焊接阶段的焊接电流I_w、焊接电压U_w和焊接速度V_w；处于起弧阶段时，焊枪处于预定轨迹的焊接起点位置，焊接电流I₀引燃并预热铝合金，并在t1时间内焊接电流匀速变化至I_w；处于收弧阶段时，焊枪位于与焊接起点位置对应的焊接终点位置，焊接电流在t2时间内由I_w匀速降低至I_e，以填满弧坑；处于焊接阶段时，焊接电流处于保持I_w，焊枪沿着预定轨迹由焊接起点位置移动至焊接终点位置；其中，0＜I₀/I_w≤2，0＜I_e/I_w≤1；0s＜t1≤3s，0s＜t2≤3s。

优选地，0＜I₀/I_w＜1，0＜I_e/I_w＜1。

一种焊接机器人控制方法，用于预定轨迹的间断焊接，获取所述焊接预定轨迹、至少一个焊接起点位置、至少一个焊接终点位置，所述焊接起点位置和所述焊接起点位置均位于所述焊接预定轨迹上；获取焊接电压U_w、焊接速度V_w以及焊接阶段电流I_w、起弧阶段电流I₀和收弧阶段电流I_e；其中，0＜I₀/I_w≤2，0＜I_e/I_w≤1；控制所述焊接机器人行走至所述焊接预定轨迹的焊接起点位置处，控制所述焊枪焊接起点位置，且焊接电流为I₀引燃并预热铝合金，并在t1时间内焊接电流匀速升高至Iw，0s＜t1≤3s；控制所述焊枪机器人沿着所述焊接沿预定轨迹朝与焊接起点位置邻近的终点位置处行走，所述焊枪焊接沿途焊接预定轨迹，所述焊接电流为Iw；所述焊接机器人行走至所述预定轨迹的焊接终点位置处，控制所述焊枪焊接所述终点位置，所述焊接电流由Iw在t2时间内匀速降低至I_e，0s＜t2≤3s。

如上所述，本发明涉及的一种用于船用铝合金的间断自动焊方法，该方法将间断焊接过程分为起弧阶段、焊接阶段以及收弧阶段，通过在起弧过程、收弧过程中焊接电流和焊接时间的控制，保证船用铝合金间断焊接过程中表面形成美观、起弧收弧饱满的焊缝，避免了收弧和起弧容易出现不稳定的焊接过程，导致焊接质量存在波动的情况。

附图说明

图1为本发明面板与腹板焊接的示意图。

图2为本发明起弧阶段电流变化的示意图。

图3为本发明收弧阶段电流变化的示意图。

附图标记说明：

1、第一焊接起点位置；2、第一焊接终点位置；3、第二焊接起点位置；4、第二焊接终点位置；5、第三焊接起点位置；6、第三焊接终点位置；10、面板；20、腹板。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图3所示，本发明提供一种用于船用铝合金的间断自动焊方法，用于预定轨迹的焊接，包括起弧阶段、焊接阶段和收弧阶段；根据待焊接母材相关参数、焊丝相关参数以及焊接要求，确定焊接阶段的焊接电流I_w、焊接电压U_w和焊接速度V_w；处于起弧阶段时，焊枪处于预定轨迹的焊接起点位置，焊接电流I₀引燃并预热铝合金，并在t1时间内焊接电流以K_a的斜率变化至I_w；处于收弧阶段时，焊枪位于与焊接起点位置对应的焊接终点位置，焊接电流在t2时间内由I_w以K_d的斜率降低至I_e，以填满弧坑；处于焊接阶段时，焊接电流处于保持I_w，焊枪沿着预定轨迹由焊接起点位置移动至焊接终点位置；其中，0＜I₀/I_w≤2，0＜I_e/I_w≤1；0s＜t1≤3s，0s＜t2≤3s。优选地，0＜I₀/I_w＜1，0＜I_e/I_w＜1。其中，焊接起点位置与相应的焊接终点位置之间形成了预定轨迹需要焊接的部分。

本发明通过在起弧过程、收弧过程中焊接电流和焊接时间的控制，保证船用铝合金间断焊接过程中表面形成美观、起弧收弧饱满的焊缝，避免了收弧和起弧容易出现不稳定的焊接过程，导致焊接质量存在波动的情况。

实施例一

首先，根据待焊接母材相关参数、焊丝相关参数以及焊接要求，确定焊接阶段的焊接电流I_w、焊接电压U_w和焊接速度V_w；其中，本实施例焊接的母材试板为5083-H116铝合金，面板与腹板的板厚均为5mm，接头型式为T型接头角焊缝，焊接位置为平位置，焊丝采用等强匹配的ER5183铝合金焊丝，直径为1.2mm；保护气体为纯Ar气体，气体纯度≥99.99％，气体流量为15-25L/min。根据上述情况，确定该焊接阶段的焊接电流I_w为175-185A、焊接电压U_w为18-19V，以及焊接速度V_w为600mm/min。

进而，确定起弧阶段时，收弧电流和起弧电流可以限定为0＜I₀/I_w＜1，0＜I_e/I_w＜1。具体的，焊接电流I₀选取为140-150A(此时，0.757＜I₀/I_w＜0.857)；收弧阶段时，收弧电流I_e为75-85A(此时，0.405＜I_e/I_w＜0.485)。

焊接前，需要对面板和腹板以T型接头型式进行装配，装配间隙为0，面板与腹板端部以及焊接区域打磨处理，并用棉布加酒精擦洗焊接区域。焊接方法采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)。

焊接时，可以采用本发明提出的一种焊接机器人控制方法驱动焊接机器人对预定轨迹进行焊接。其中，该焊接机器人为现有技术，本实施例中，焊接机器人可以采用福尼斯TPS500i焊机，配备铝焊专用程序(也就是该焊接机器人的控制模块)，可控制焊接电流、电弧电压、焊接速度以及送丝速度，可灵活控制焊接电流变化过程。环境温度不低于0℃，相对湿度不超过85％。其中，焊接预定轨迹、焊接各个起点位置、终点位置、焊接电压、焊接电流等可通过手动输入的方式，在控制模块中预设各项参数。

焊机机器人的控制模块首先获取焊接预定轨迹L、三个焊接起点位置(分别为第一焊接起点1、第二焊接起点3和第三焊接起点5)、三个焊接终点位置(分别为第一焊接终点2、第二焊接终点4和第三焊接终点6)，焊接起点位置和焊接终点位置均位于焊接预定轨迹上。其中，预定轨迹需要焊接的部分为第一焊接起点位置1至第一焊接终点位置2的焊接轨迹部分11，第二焊接起点位置3至第二焊接终点位置4的焊接轨迹部分12，以及第三焊接起点位置5和第三焊接终点位置的焊接轨迹部分13。

本实施例以第一焊接起点位置1、第一焊接终点位置1和第一焊接起点位置1至第一焊接终点位置5的焊接轨迹部分11进行说明。

该控制模块获取焊接电压U_w为18-19V、焊接速度V_w为600mm/min以及焊接阶段电流I_w为175-185A、起弧阶段电流I₀为140-150A，和收弧阶段电流I_e为75-85A；

该控制模块控制焊接机器人由沿预定轨迹L朝预定方向行走，行走至焊接预定轨迹的第一起点位置1处，焊接进入起弧阶段，控制焊枪焊接第一起点位置2，且焊接电流为I₀引燃并预热铝合金，并在2s时间内焊接电流匀速升高至Iw；具体的，焊接电流在1.5s时间内以140-150A的电流引燃并预热铝合金，随后电流以K_a＝70A/s的斜率在焊接电流在0.5s时间内变为焊接电流175-185A，由起弧阶段进入焊接阶段。

焊枪机器人沿着在第一焊接起点位置1和与该第一焊接起点位置1相应的第一焊接终点位置2行走时，焊枪沿途焊接该第一焊接起点位置1与该第一焊接终点位置2之间的预定轨迹11，焊接电流为Iw；

焊接机器人行走至预定轨迹L的第一焊接终点位置2处，焊接进入收弧阶段，控制焊枪焊接第一焊接终点位置2，焊接电流由Iw在t2时间内匀速降低至I_e，0s＜t2≤3s。具体的，在1.0s时间内以K_d＝100A/s的的斜率下降到收弧电流75-85A，同时维持1.5-2.0s，以填满弧坑。

第一焊接终点位置焊接完成后，焊枪机器人继续沿着预定轨迹行走，重复上述焊接过程，直到焊接第二焊接起点位置3至第二焊接终点位置4的焊接轨迹部分12，以及第三焊接起点位置5和第三焊接终点位置的焊接轨迹部分13。

当然，具体焊接过程，可以采用需要首先进行定位焊接，采用半自动MIG焊接方法，焊丝采用ER5183，直径1.2mm，人工操作焊枪在腹板一侧进行定位焊，点焊固定，另一侧进行间断焊接。其中，点焊固定的焊接电流125-135A，焊接电压18-19V，氩气气流为15-25L/min。其中，焊点间距约为150mm，每个定位焊点长度约为20-30mm，保证足够牢靠。

焊后对角焊缝进行无损检测，采用渗透探伤(PT)，结果符合NB/T47013标准要求。截取接头角焊缝，制备金相试样，进行宏观金相检测，结果无未熔合、未焊透等缺陷。采用上述焊接方法，能够准确地实现对船用铝合金间断焊接的过程，保证船用铝合金间断焊接过程中表面形成美观、起弧收弧饱满的焊缝，避免了收弧和起弧容易出现不稳定的焊接过程，导致焊接质量存在波动的情况。

实施例二

本实施例与实施例一焊接步骤大致相同。在确定焊接接头型式以及材料时，不同的是腹板为6061T球扁铝，板厚为3mm；其他的与实施例一均相同，母材试板为5083-H116铝合金，板厚为5mm，焊丝采用等强匹配的ER5183铝合金焊丝，直径为1.2mm；保护气体为纯Ar气体，气体纯度≥99.99％，气体流量为15-25L/min。根据上述情况，确定该焊接阶段的焊接电流I_w为170-180A、焊接电压U_w为18-19V，以及焊接速度V_w为600mm/min。

焊接前的工作与实施例一大致相同。需要对面板和腹板以T型接头形式进行装配，装配间隙为0，面板与腹板端部以及焊接区域打磨处理，并用棉布加酒精擦洗焊接区域。焊接方法采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)；焊接机器人采用福尼斯TPS500i焊机，配备铝焊专用程序，可控制焊接电流、电弧电压、焊接速度以及送丝速度，可灵活控制焊接电流变化过程。环境温度不低于0℃，相对湿度不超过85％。

焊接过程需要首先进行定位焊接，与实施例一不同的是，点焊固定时，焊接电流为110-120A，焊接电压17-18V，氩气气流为15-25L/min。其中，焊点间距约为150mm，每个定位焊点长度约为20-30mm，保证足够牢靠。在另一侧进行间断焊时，也可以采用上述实施例中的焊接机器人进行焊接，该焊接机器人控制方法与实施例一中的方法大致相同。在本实施例中，仍然以第一焊接起点位置1、第一焊接终点位置1和第一焊接起点位置1至第一焊接终点位置5的焊接轨迹部分11进行说明。

与实施例不同的是，焊接机器人获取焊接电压Uw为18-19V、焊接速度Vw为600mm/min以及焊接阶段电流Iw为170-180A、起弧阶段电流I₀为140-150A，和收弧阶段电流Ie为50-60A；

控制焊接机器人由沿预定轨迹L朝预定方向行走，行走至焊接预定轨迹的第一起点位置1处，焊接进入起弧阶段，控制焊枪焊接第一起点位置2，且焊接电流为I₀引燃并预热铝合金，并在2s时间内焊接电流匀速升高至Iw；具体的，焊接电流在1.5s时间内以140-150A的电流引燃并预热铝合金，随后电流以K_a＝60A/s的斜率在焊接电流在0.5s时间内变为焊接电流170-180A，由起弧阶段进入焊接阶段；

焊枪机器人沿着在第一焊接起点位置1和与该第一焊接起点位置1相应的第一焊接终点位置2行走时，焊枪沿途焊接该第一焊接起点位置1与该第一焊接终点位置2之间的预定轨迹11，焊接电流为Iw；

焊接机器人行走至预定轨迹L的第一焊接终点位置2处，焊接进入收弧阶段，控制焊枪焊接第一焊接终点位置2，焊接电流由Iw在t2时间内匀速降低至I_e，0s＜t2≤3s。具体的，在1.0s时间内以K_d＝120A/s左右的斜率下降到收弧电流50-60A，同时维持1.5-1.8s，以填满弧坑。

第一焊接终点位置焊接完成后，焊枪机器人继续沿着预定轨迹行走，重复上述焊接过程，直到焊接第二焊接起点位置3至第二焊接终点位置4的焊接轨迹部分12，以及第三焊接起点位置5和第三焊接终点位置的焊接轨迹部分13。

焊后对角焊缝进行无损检测，采用渗透探伤(PT)，结果符合NB/T47013标准要求。截取接头角焊缝，制备金相试样，进行宏观金相检测，结果无未熔合、未焊透等缺陷。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种用于船用铝合金的间断自动焊方法，用于预定轨迹的焊接，其特征在于：包括起弧阶段、焊接阶段和收弧阶段；

根据待焊接母材相关参数、焊丝相关参数以及焊接要求，确定焊接阶段的焊接电流I_w、焊接电压U_w和焊接速度V_w；

处于起弧阶段时，焊枪处于预定轨迹的焊接起点位置，焊接电流I₀引燃并预热铝合金，并在t1时间内焊接电流匀速变化至I_w；处于收弧阶段时，焊枪位于与焊接起点位置对应的焊接终点位置，焊接电流在t2时间内由I_w匀速降低至I_e，以填满弧坑；处于焊接阶段时，焊接电流保持I_w，焊枪沿着预定轨迹由焊接起点位置移动至焊接终点位置；其中，0＜I₀/I_w≤2，0＜I_e/I_w≤1；0s＜t1≤3s，0s＜t2≤3s。

2.根据权利要求1所述的一种用于船用铝合金的间断自动焊方法，其特征在于：0＜I₀/I_w＜1，0＜I_e/I_w＜1。

3.一种焊接机器人控制方法，用于预定轨迹的间断焊接，其特征在于：

获取所述焊接预定轨迹、至少一个焊接起点位置、以及与焊接起点位置相应的焊接终点位置，所述焊接起点位置和所述焊接起点位置均位于所述焊接预定轨迹上；

获取焊接电压U_w、焊接速度V_w以及焊接阶段电流I_w、起弧阶段电流I₀和收弧阶段电流I_e；其中，0＜I₀/I_w≤2，0＜I_e/I_w≤1；

控制所述焊接机器人行走至所述焊接预定轨迹的焊接起点位置处，控制所述焊枪焊接起点位置，且焊接电流为I₀引燃并预热铝合金，并在t1时间内焊接电流匀速升高至Iw，0s＜t1≤3s；

控制所述焊枪机器人沿着所述焊接沿预定轨迹朝与焊接起点位置对应的焊接终点位置处行走，所述焊枪沿途焊接预定轨迹，所述焊接电流为Iw；

所述焊接机器人行走至所述预定轨迹的焊接终点位置处，控制所述焊枪焊接所述焊接终点位置，所述焊接电流由Iw在t2时间内匀速降低至I_e，0s＜t2≤3s。

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