导航：首页> 机床；其他类目中不包括的金属加工>一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置及方法

一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置及方法

文献发布时间：2024-04-18 20:01:23

技术领域

本发明涉及铝合金焊接技术领域，特别是涉及一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置及方法。

背景技术

高强铝合金在比强度、低温和高温力学性能、断裂韧度以及腐蚀性能等方面有着极为优秀的表现，因而其中厚结构(6mm-16mm)在航天领域有极为广泛的应用，如运载火箭推进剂箱体结构。当前，推进剂箱体结构由多中厚铝合金桶段拼焊制造，中厚2219高强铝合金结构的高质量、高效率焊接技术成为保证生产效率、提升产品使役性能的关键。非熔化极惰性气体钨极保护焊因其经济性佳和适应性强的突出优势，在航天铝合金结构件产品焊接生产中占据较大比重。铝合金因其独特的材料热物理特性，在进行中厚铝合金结构深熔焊接时必然发生一定程度的熔池下塌，因而“打底加盖面”两道焊的焊接工艺在中厚铝合金结构焊接时被广泛运用。打底加盖面焊接工艺要求打底焊实现单面焊双面成型，且焊缝宽度窄，成形均匀，但由于打底焊时热输入较大，极易发生熔池塌陷、焊缝过宽、成形不均匀、背部驼峰等焊接成形缺陷。因而急需一种针对中厚铝合金结构打底加盖面焊接工艺中打底焊的成形控制方法。

因此，如何提供一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置及方法，能够在保证焊接过程稳定的同时控制焊缝宽度，实现宽度约束下的打底焊缝均匀成形是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置及方法，旨在解决上述中厚铝合金结构在焊接过程中存在的焊缝宽度控制精度不高及打底焊缝成形不均匀的焊接成形缺陷的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一个方面提供了一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置，包括：焊枪控制部、焊接监测部、上位机和工件移动部；

所述焊枪控制部包括固定机架、弧长调节机构、TIG焊枪和弧焊电源；所述弧长调节机构的固定端安装在所述固定机架上，其驱动端安装有所述TIG焊枪，以驱动所述TIG焊枪远离或接近待焊工件来调节焊接电弧的弧长；所述弧焊电源分别与所述TIG焊枪和所述待焊工件电性连接以为焊接过程提供焊接电流；

所述焊接监测部包括CCD摄像机和激光测量仪；所述弧长调节机构、所述弧焊电源、所述CCD摄像机和所述激光测量仪均与所述上位机电信号连接；

所述CCD摄像机设置在所述待焊工件一侧，其镜头对应所述待焊工件的焊缝，以采集焊接时焊缝正面熔池图像数据并传输给所述上位机，所述上位机接收熔池图像数据以提取熔池宽度，进而根据所述熔池宽度来控制所述弧长调节机构运动以调节弧压大小；所述激光测量仪设置在所述待焊工件另一侧，且其检测端对应待焊工件的焊缝，以采集焊接时焊缝背部轮廓数据并传输给所述上位机；所述上位机接收焊缝背部轮廓数据以提取背部轮廓宽度进而控制焊接电流；

所述工件移动部可驱动所述待焊工件沿焊缝长度方向运动，以在焊接过程中使所述TIG焊枪始终对应所述待焊工件的焊缝。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供的一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置，CCD摄像机对应于待焊工件的熔池部分，可采集熔池正面图像；激光测量仪正对熔池背部位置，可采集焊缝背部轮廓；上位机用于接收CCD摄像机采集的熔池图像和激光测量仪测量的轮廓坐标，分别提取熔池宽度和背部轮廓宽度，根据熔池宽度控制弧长调节机构运动，根据背部轮廓宽度控制弧焊电源的焊接电流大小。在保证焊接过程稳定的同时可较好的控制焊缝宽度，能够实现在焊缝宽度约束下的打底焊缝均匀成形。本发明使用基于视觉、激光复合监测的焊接自适应上位机，实现了宽度约束下的焊接过程稳定性控制。通过“机器视觉+弧长控制”实现了焊缝宽度的精确控制，通过“激光测量+焊接专家模块”实现了焊缝背部成形稳定性控制。

作为上述技术方案的进一步改进，所述弧长调节机构包括位移机构和焊枪夹持器；

所述位移机构的固定端与所述固定机架固定，所述位移机构的移动端与所述焊枪夹持器固定；所述TIG焊枪安装在所述焊枪夹持器上；所述CCD摄像机固定安装在所述焊枪夹持器或所述固定机架外壁；

所述位移机构与所述上位机电性连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述位移机构包括滑座、滑块、丝杠和驱动电机；

所述固定机架位于所述待焊工件侧方；所述滑座固定在所述固定机架靠近所述待焊工件的侧壁；所述滑座远离所述待焊工件的侧壁开设有滑槽，所述滑块位于所述滑槽中且与所述滑槽底壁滑动连接；

所述丝杠与所述滑槽底壁平行，且所述丝杠两端分别与所述滑槽相对的两个侧壁转动连接；所述滑块套设在所述丝杠上，且二者螺纹传动连接；所述驱动电机的固定端与所述固定机架固定，其驱动端与所述丝杠传动连接；

所述焊枪夹持器一端与所述滑块固定，另一端与所述TIG焊枪固定。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光测量仪固定在所述固定机架上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述弧焊电源为具有超音频脉冲电流调制的TIG弧焊电源。采用超音频脉冲电流调制的TIG弧焊电源，可提高焊接稳定性，具有能量可调节性；尤其是经超音频脉冲电流调制的电弧能量更集中，更适于深熔焊接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上位机包括图像处理模块、PID控制器、激光测距数据处理模块和焊接专家模块；所述图像处理模块接收所述CCD摄像机采集的熔池图像数据以提取熔池宽度；所述激光测距数据处理模块接收所述激光测量仪采集的焊缝背部轮廓数据以提取背部轮廓宽度，所述焊接专家模块接收所述激光测距数据处理模块提取的背部轮廓宽度以确定电流输出值；PID控制器接收所述图像处理模块提取的熔池宽度数据来控制所述弧长调节机构运动以调节弧压大小，以及接收所述焊接专家模块的电流输出值信号来控制所述弧焊电源输出的焊接电流。

本发明的另一方面还提供了一种中厚铝合金悬空TIG焊接方法，包括所述一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置，具体步骤为：

步骤1：焊接启动，弧焊电源输出焊接电流，待焊工件受热熔化形成熔池，CCD摄像机采集熔池图像，上位机在电流正极性阶段提取熔池宽度W

步骤2：熔池宽度达到预设值W

步骤3：CCD摄像机等时间间隔ΔT

步骤5：在熔池宽度稳定状态下，即CCD摄像机采集熔池图像ΔT

作为上述技术方案的进一步改进，步骤3中上位机提取熔池宽度W

步骤3.1：上位机接收CCD摄像机采集的熔池图像；

步骤3.2：原始熔池图像转化为灰度图；

步骤3.3：灰度图中值滤波；

步骤3.4：选取兴趣区域，找到图中最亮点，根据最亮点选取固定尺寸区域；

步骤3.5：兴趣区域二值化处理；

步骤3.6：基于sobel算子边缘提取；

步骤3.7：将提取的边缘像素坐标与实际宽度坐标对应；

步骤3.8：计算熔池宽度W

步骤3.9：判别各W

作为上述技术方案的进一步改进，步骤4中上位机提取焊缝背部轮廓宽度W

步骤4.1：上位机接收激光测量仪采集的焊缝背部轮廓数据，轮廓数据包括宽度方向坐标向量s

步骤4.2：计算轮廓高度h沿宽度s方向上的梯度

步骤4.3：判定母材与焊缝的交界，梯度最大f

步骤4.4：计算背部轮廓宽度W

作为上述技术方案的进一步改进，所述焊接专家模块依据实时采集的焊缝背部轮廓宽度及待焊工件的厚度参数，对应输出不同电流强度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置及方法，具有以下优点及有益效果：

本发明技术方案进一步解决了仅通过调节电流很难实现宽度约束下的稳定性焊接控制的问题；本发明基于视觉激光复合监测的焊接自适应控制，通过“机器视觉+弧长控制器”实现了焊缝宽度的精确控制，通过“激光测量+焊接专家模块”实现了焊缝背部成形稳定性控制；实现了在宽度约束下的焊接过程稳定性控制，达到了打底焊缝均匀成形的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1本发明一种中厚铝合金悬空TI G焊接装置整体布局示意图

图2本发明一种中厚铝合金悬空TI G焊接装置轴侧示意图；

图3本发明一种中厚铝合金悬空TI G焊接装置正视示意图；

图4本发明一种中厚铝合金悬空TI G焊接装置俯视示意图；

图5本发明一种中厚铝合金悬空TIG焊接控制方法流程图；

图6本发明一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置的熔池宽度提取算法流程图；

图7本发明一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置的背部轮廓宽度提取算法流程图；

图中：1、焊枪控制部；11、固定机架；12、弧长调节机构；121、位移机构；1211、滑座；1212、滑块；1213、丝杠；1214、驱动电机；122、焊枪夹持器；13、TIG焊枪；14、弧焊电源；2、焊接监测部；21、CCD摄像机；22、激光测量仪；3、上位机；4、待焊工件；41、焊缝；5、焊接溶池。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图7所示，本实施例提供了一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置，包括：焊枪控制部1、焊接监测部2、上位机3和工件移动部；

焊枪控制部1包括固定机架11、弧长调节机构12、TIG焊枪13和弧焊电源14；弧长调节机构12的固定端安装在固定机架11上，其驱动端安装有TIG焊枪13，以驱动TIG焊枪13远离或接近待焊工件4来调节焊接电弧的弧长；弧焊电源14分别与TIG焊枪13和待焊工件4电性连接以为焊接过程提供焊接电流；，以为焊接过程提供焊接电流；

焊接监测部2包括CCD摄像机21和激光测量仪22；弧长调节机构12、弧焊电源14、CCD摄像机21和激光测量仪22均与上位机3电性连接；

CCD摄像机21设置在待焊工件4一侧，其镜头正对于待焊工件4的焊缝41处的焊接熔池5表面，用于采集焊接时的焊缝正面熔池图像数据并传输给上位机3，上位机3根据熔池图像数据提取熔池宽度，进而根据熔池宽度来控制弧长调节机构12运动以调节弧压大小；激光测量仪22设置在待焊工件4另一侧，且其检测端对应TIG焊枪的电极所对应的被焊工件焊缝的背部位置，即与熔池相对的焊缝背面位置，用于采集焊接时的焊缝背部轮廓数据并传输给上位机3；上位机3根据焊缝背部轮廓数据提取背部轮廓宽度，以控制焊接电流；

工件移动部包括工件移动装置(图中未示出)，工件移动装置设有可驱动待焊工件4沿焊缝长度方向运动的移动部，以在焊接过程中使TIG焊枪13始终对应待焊工件4的焊缝。工件移动装置可选用工业机器人，工业机器人手持待焊工件以驱动待焊工件移动，亦可利用现有技术中二维或三维工件移动装置并结合待测工件结构特点进行常规设计，在此不再赘述。

本实施例提供的一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置，CCD摄像机对应于待焊工件的熔池部分，可采集熔池正面图像；激光测量仪正对熔池背部位置，可采集焊缝背部轮廓；上位机用于接收CCD摄像机采集的熔池图像和激光测量仪测量的轮廓坐标，分别提取熔池宽度和背部轮廓宽度，根据熔池宽度控制弧长调节机构运动，根据背部轮廓宽度控制弧焊电源的焊接电流大小。在保证焊接过程稳定的同时可较好的控制焊缝宽度，能够实现在焊缝宽度约束下的打底焊缝均匀成形。本发明使用基于视觉、激光复合监测的焊接自适应上位机，实现了宽度约束下的焊接过程稳定性控制。通过“机器视觉+弧长控制机构”实现了焊缝宽度的精确控制，通过“激光测量+焊接专家模块”实现了焊缝背部成形稳定性控制。

具体的，待焊工件4为厚度4mm-15mm的高强铝合金材料，待焊工件4可为平板或弧形板。

具体的，激光测量仪22中带有线激光轮廓传感器。

在一些实施例中，弧长调节机构12包括位移机构121和焊枪夹持器122；

位移机构121的固定端与固定机架11固定，位移机构121的移动端与焊枪夹持器122固定；TIG焊枪13安装在焊枪夹持器122上；CCD摄像机31固定安装在焊枪夹持器122或固定机架11外壁；位移机构121与上位机3电性连接。

CCD摄像机31固定安装在焊枪夹持器122上，可确保CCD摄像机31与TIG焊枪13具有固定的位置关系，针对弧形工件进行焊接时，CCD摄像机31可随TIG焊枪13同步移动，可提高熔池图像的采集精度。

焊枪夹持器122可选用现有产品，例如焊枪支架。

在一些实施例中，位移机构121包括滑座1211、滑块1212、丝杠1213和驱动电机1214；

固定机架11位于待焊工件4侧方；滑座1211固定在固定机架11靠近待焊工件4的侧壁；滑座1211远离待焊工件4的侧壁开设有滑槽，滑块1212位于滑槽中且与滑槽底壁滑动连接；

丝杠1213与滑槽底壁平行，且丝杠1213两端分别与滑槽相对的两个侧壁转动连接；滑块1212套设在丝杠1213上，且二者螺纹传动连接；驱动电机1214的固定端与固定机架11固定，其驱动端与丝杠1213一端传动连接，以驱动丝杠转动，进而带动滑块1212沿丝杠移动，滑块1212在丝杠1213的约束下紧贴在滑槽底壁；焊枪夹持器122一端与滑块1212固定，另一端与TIG焊枪13固定；移动的滑块1212带动焊枪夹持器122移动，进而带动TIG焊枪13移动，以调节TIG焊枪13至工件表面的距离，实现了焊接电弧弧长的调节。

在一些实施例中，激光测量仪22固定在固定机架11上。

在一些实施例中，弧焊电源14为具有超音频脉冲电流调制的TIG弧焊电源。采用超音频脉冲电流调制的TIG弧焊电源，可提高焊接稳定性，具有能量可调节性；尤其是经超音频脉冲电流调制的电弧能量更集中，更适于深熔焊接。

在一些实施例中，上位机3包括图像处理模块、PID控制器、激光测距数据处理模块和焊接专家模块；图像处理模块用于根据接收的熔池图像数据提取熔池宽度；激光测距数据处理模块用于根据焊缝背部轮廓数据提取背部轮廓宽度，焊接专家模块用于根据背部轮廓宽度确定电流输出值；PID控制器用于根据提取的熔池宽度数据控制弧长调节机构12运动以调节弧压大小，以及根据电流输出值来控制弧焊电源14输出的焊接电流大小。

具体的，驱动电机1214与PID控制器电性连接；驱动电机1214为伺服电机，可选用现有产品。

一种中厚铝合金悬空TIG焊接方法，包括一种中厚铝合金悬空TIG焊接装置，具体步骤为：