一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置及其使用方法

技术领域：

本申请涉及焊接技术领域，特别是涉及一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置，还涉及一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置使用新方法。

背景技术：

由于近年来随着我国高难度工程建设需要与项目推进，对高载荷，高复杂性的工程机械提出了前所未有的需要，工程机械设备的发展呈现被日益重视。随之而来的便是工程机械所用钢材尺寸快速增加，而焊接作为金属材料的主要连接方法其工艺质量直接影响产品的最终性能，因此厚板焊接技术成为了提高工程机械工作载荷与保障安全性的关键因素与难点。以激光打底，激光电弧复合焊填充搭配Y形坡口的复合工艺由于可以实现较高焊速，较小热输入与变形量的厚板连接而备受关注。由于激光焊接热源较为集中，间隙容忍度较小，为产生均匀焊缝，需保证激光作用点的对中精度。目前，主要通过提高夹装精度以保证激光焊接质量，但在工程机械中部分工件无法灵活移动，并且过高的装配精度降低生产效率，在环形焊缝中这一问题格外突出。此外，现有的激光对中自动调节技术主要依靠各式传感器进行，很易被激光焊接产生的强光与高热干扰，在后续复合焊中需对焊枪进行重新装配。

发明内容：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置，本发明的另一目的是提供一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置使用新方法。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置，包括：

带有焊丝的MIG/MAG焊枪、驱动机构、焊接激光头，MIG/MAG焊枪通过驱动机构设置在焊接激光头一侧；

直流电流采集模块，直流电流采集模块串联至MIG焊回路中，用于采集焊丝处电流变化；

机械臂上位机、上位机控制单元，机械臂上位机用于接收直流电流采集模块的电信号，机械臂上位机通过矩阵算法测算出凹槽径向中点，并计算偏移量反馈至上位机控制单元，上位机控制单元通过驱动机构调整焊接激光头姿态，实现保持激光作用点位于焊缝中点。

进一步地，所述焊接激光头轴线与焊丝延长线垂直于待焊工件上表面的同一平面；

MIG/MAG焊枪倾斜角度范围为30°-60°，焊丝端点与焊接激光头轴线水平距离保持在8-10mm之间，焊丝端点与焊接激光头焦点保持在同一水平高度。

3.根据权利要求1所述的一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置，其特征在于：焊丝通过焊接电源施加3-48V电压。

4.根据权利要求1所述的一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置，其特征在于：矩阵算法为Position-determination算法。

进一步地，驱动机构包括：

壳体，壳体以固定结构方式设置在焊接激光头一侧；

齿轮A、齿轮B、转轴，齿轮A与齿轮B分别与转轴固定相连，且齿轮A与齿轮B相啮合，转轴与壳体转动相连；

转杆，转杆一端以固定结构方式与齿轮B上的转轴相连；

活动摆杆、推杆，活动摆杆两端分别与推杆、转杆以转动结构方式相连；

调节杆，调节杆与推杆另一端以固定结构方式相连；

与调节杆适配的驱动机构，驱动机构开设在壳体外侧壁，调节杆与驱动机构以滑动结构方式相连；

卡箍、螺栓螺母，卡箍通过螺栓螺母以可调节结构方式设置在调节杆一侧，MIG/MAG焊枪设置在卡箍内。

变速电机，变速电机输出轴与齿轮A上的转轴相连，以驱动齿轮A转动。

进一步地，推杆上固定设置有限位块，限位块位于壳体内侧与其滑动相连。

进一步地，驱动机构驱动焊丝沿凹槽径向匀速摆动，摆动幅度为凹槽宽度公称尺寸S+(1-5)mm，摆动幅度由焊丝摆动装置内固定转杆长度控制，摆动频率由变速电机控制。

本发明还提供一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置使用方法，采用上述任一项的环形焊缝激光对中摆丝检测装置，步骤包括：

步骤一：将MIG/MAG焊枪装入焊枪夹持卡箍；

步骤二：调节焊枪至预定角度后，通过螺栓螺母将卡箍与调节杆固定，此时，焊丝端点与焊接激光头焦点处于同一水平面；

步骤三：启动MIG焊电源及保护气，设置激光焊接路径与焊接参数，焊机施加小额电压，启动焊丝摆动装置并开始激光打底焊接；

步骤四：直流电流采集模块收集电信号，机械臂上位机处理电流信号，并通过Position-determination算法转换成位置信号并修正圆弧位置点矢量，保持激光作用点对中；

步骤五：焊接完成后保持通气一段时间后关闭电源与保护气路；

步骤六：重复上述步骤，根据需求，完成所需环形焊缝焊接。

进一步地，所述预先和滞后送保护气时间为10-30s。

本发明的有益效果是：一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置及其使用新方法，具有装配简单快捷，成本较低，高可靠性，适用范围广泛等优点，利用激光电弧复合焊枪以及焊丝摆动装置，通过对电信号变化的测量实现环形焊缝激光打底焊对中位置的精准高效地预测。

附图说明：

图1为本发明一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置轴测图；

图2为本发明一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置工作示意图；

图3为本发明一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置摆动路径示意图；

图4为本发明一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置所述焊枪夹持卡箍与纵向调节杆轴测图；

图5为本发明一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置所述焊丝摆动装置内部结构示意图。

图6为本发明一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置所述逻辑流程图。

图7为本发明Position-determination算法逻辑流程图。

图中：

1、焊接激光头，2、壳体，3、滑道，4、调节杆，5、螺栓螺母，6、MIG/MAG焊枪，7、卡箍，8、螺纹孔，9、焊丝，10、变速电机，11、齿轮B，12、转杆，13、活动摆杆，14、推杆，15、限位块，16、齿轮A。

具体实施方式：

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，现在将参照附图和以下实施例对本发明进一步详细描述，以便公众更好地掌握本发明的实施方法，本发明具体的实施方案为：

参见图1，一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置，包括：带有焊丝9的MIG/MAG焊枪6、驱动机构、焊接激光头1，MIG/MAG焊枪6通过驱动机构设置在焊接激光头1一侧；直流电流采集模块，直流电流采集模块串联至MIG焊回路中，用于采集焊丝9处电流变化；机械臂上位机、上位机控制单元，机械臂上位机用于接收直流电流采集模块的电信号，机械臂上位机通过矩阵算法测算出凹槽径向中点，并计算偏移量反馈至上位机控制单元，上位机控制单元通过驱动机构调整焊接激光头1姿态，实现保持激光作用点位于焊缝中点，

也就是在环形焊缝激光打底焊过程中，通过焊接电源在焊丝9上施加小额电压3V,在其他实施例中也可以是10V、20V、30V、40V或48V，利用驱动机构径向摆动焊丝9，直流电流采集模块串联至MIG焊回路中实时监测电流变化，当焊丝9与环形凹槽两侧内壁接触时，根据电流变化记录位移变化，并通过测算出凹槽径向中点，反馈至机械臂上位机，驱动机械臂调整姿态实现保持激光作用点位于焊缝中点，整个打底焊过程中检测焊丝9不熔化。

参见图2，在打底焊接过程中焊接激光头1落后于焊丝9做周向运动，其焦点位于Y形坡口下部，焊丝9端点与激光焦点处于同一水平面，所述焊接激光头1轴线与焊丝9延长线垂直于待焊工件上表面的同一平面。

参见图3，焊丝9运动路径如虚线所示，焊接激光头1激光作用点运动路径如细实线所示，坡口边缘如粗实线所示，①②③表示电信号经计算机处理所测得凹槽中点，试例焊接激光头1初始路径为1’；经①②中点修正后，激光头1由路径1’被修正为路径2’；经①②③中点修正后，激光头1路径2’被修正为路径3’，考虑到加工凹槽并非理想圆弧，保留最新三个检测中点对激光头1路径进行持续修正。

参见图4，调节杆4通过位于其末端的螺栓螺母5与卡箍7连接，MIG/MAG焊枪6夹持卡箍7可进行0-90°倾斜调节，倾斜角度为30°或40°或50°或60°，本实施例安放在卡箍7内的MIG/MAG焊枪6倾斜角度为40°，并通过两侧螺纹孔8内的螺钉抵触在MIG/MAG焊枪6侧壁，进行固定。

焊丝9端点与焊接激光头1焦点保持在同一水平高度，焊丝9端点与焊接激光头1轴线水平距离保持在8mm，在其他实施例中也可以是9mm或10mm。

参见图5，具体而言，驱动机构包括壳体2，壳体2以固定结构方式设置在焊接激光头1一侧，齿轮A16与齿轮B11分别与转轴固定相连，且齿轮A16与齿轮B11相啮合，转轴与壳体2转动相连，转杆12一端以固定结构方式与齿轮B11上的转轴相连，活动摆杆13两端分别与推杆14、转杆12以转动结构方式相连，调节杆4与推杆14另一端以固定结构方式相连；与调节杆4适配的驱动机构，驱动机构开设在壳体2外侧壁，调节杆4与驱动机构以滑动结构方式相连，卡箍7通过螺栓螺母5以可调节结构方式设置在调节杆4一侧，MIG/MAG焊枪6设置在卡箍7内，变速电机10输出轴与齿轮A16上的转轴相连，以驱动齿轮A16转动，齿轮A16与齿轮B11传动比i范围为1-3，活动摆杆13通过转轴与转杆12及推杆14连接，推杆14末端通过螺丝与调节杆4固定。

进一步地，推杆14上固定设置有限位块15，限位块15位于壳体2内侧与其滑动相连，推杆14经限位块15做水平往复运动，保证调节杆4在滑道3内稳定滑动。

驱动机构驱动焊丝9沿凹槽径向匀速摆动，摆动幅度为凹槽宽度公称尺寸S+(1-5)mm，摆动幅度由焊丝9摆动装置内转杆12长度控制，摆动频率由变速电机10控制。参见图6，驱动机构驱动焊丝9摆动与坡口侧壁接触后引起电流变化。直流电流采集模块串联至检测焊丝9回路中实时记录电流信息并传输至机械臂上位机。机械臂上位机分析偏移量后经由Position-determination算法判断是否需要修正圆弧位置点，以保证激光作用点对中。

参见图7，所述参数经由10直流电流采集系统输入11机械臂上位机，当所述激光作用点处于理想中点焊丝摆动时，记电流峰值时间为t0，当激光作用点偏离理想中点时，记电流峰值时间为t1。结合焊丝摆动速度矢量V即可测得激光作用点偏离矢量(t1-t0)。Position-determination算法判断理想电流峰值时间t0是否与实测的电流峰值时间相等，当相等时输出偏移量x为0，当不相等时计算并输出偏移量x以便下一步调节。

本发明的提供的一种环形焊缝激光对中摆丝检测装置，使用方法为：

步骤一：将MIG/MAG焊枪1装入焊枪夹持卡箍7并通过紧固螺纹孔8的螺丝固定焊枪；

步骤二：通过调节杆4与夹持卡箍7，调节MIG/MAG焊枪6倾斜角度40°，利用MIG焊枪6控制焊丝9伸长致使焊丝端点与激光焦点处于同一水平面，并由螺钉固定；

步骤三：启动MIG焊电源及保护气，设置激光焊接路径与焊接参数，焊机施加3V电压，启动变速电机10正反转动，变速电机10通过齿轮A16驱动齿轮B11相互啮合，齿轮B11通过转轴驱动转杆12同时转动，转杆12通过活动摆杆13推动推杆14、限位块15和调节杆4往复移动，调节杆4通过卡箍7驱动MIG/MAG焊枪6移动，并开始激光打底焊接；

步骤四：当焊丝9与环形凹槽两侧内壁接触时，直流电流采集模块根据电流变化记录位移变化并测算出凹槽径向中点，反馈至机械臂上位机，机械臂上位机处理电流信号，并通过Position-determination算法转换成位置信号并修正圆弧位置点矢量，保持激光作用点对中；步骤五：焊接完成后保持通气一段时间后关闭电源与保护气路；

步骤六：重复上述步骤，根据需求，完成所需环形焊缝焊接。

优选地，所述预先和滞后送气时间为10-30s。

在对本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”“上”“下”“左”“右”“前”“后”“左下”“右上”“外”“顺时针”“逆时针”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保护范围的限制。此外，术语“第一”“第二”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是，受益于上面的描述，本技术领域的技术人员应该明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其他实施例。