[发明专利]一种窄间隙电弧焊焊丝到侧壁距离恒值自适应跟踪装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于窄间隙电弧焊过程中焊枪自适应跟踪焊接坡口，更具体地涉及一种窄间隙电弧焊焊丝到侧壁距离恒值自适应跟踪装置,从而可靠防止了焊丝到两坡口侧壁距离的超范围偏差而致的各种焊接缺陷发生。

背景技术

“窄间隙焊接”概念自上世纪六十年代初由美国人提出以来，早已成为装备制造领域，克服厚板、特厚板焊接结构的焊接生产率低和焊接生产成本高局限性的最有效技术途径。相比传统电弧焊方法而言，窄间隙电弧焊的焊接坡口填充面积大幅度减少，一般减少比例在30％～80％之间。焊接坡口填充面积大幅度减少，导致焊接电极(窄间隙电弧焊条件下多用焊丝或钨极)的轴线与焊接坡口面的夹角极小，有时几乎为零，焊丝端部电弧轴线上能量密度最高的中心区域将难以作用到焊接坡口面上，因此窄间隙电弧焊条件下两坡口侧壁的可靠熔合便成了最大难题。几十年来窄间隙焊接技术的开发研究，绝大多数研究内容几乎都集中于此。如窄间隙钨极氩弧焊时，端部弯曲的钨极旋转；窄间隙气体保护焊时波浪焊丝(弯曲焊丝)、麻花焊丝(弯曲焊丝)，固定侧偏焊丝、旋转侧偏焊丝等；采用粗焊丝大电流加焊丝偏靠坡口侧壁的窄间隙埋弧焊等技术均是为解决两侧壁可靠熔合而发明的。

上述各种电极向两侧壁偏转的发明技术单独应用，尚不能彻底可靠解决两侧壁的熔合难题，还必须联合应用焊枪中心对两坡口侧壁的自适应跟踪技术，即位于焊枪中心平面上的钨极或焊丝，当焊枪中心平面与实际的焊接坡口中心平面重合时，弯曲的钨极或焊丝端部的电弧才能与两侧壁等距且距离正确，否则必将发生电弧距离侧壁较近侧可能熔合，而较远侧可能发生未熔合。焊枪中心对坡口中心(或焊缝中心)的自适应跟踪技术尽管生产上应用不太广泛，但必竟相对成熟。如基于线性激光的焊缝横向自适应跟踪技术，基于三维激光的焊缝自适应跟踪技术，基于面阵CCD图像处理技术的焊缝横向自适应跟踪技术，基于三维浮动的机械传感焊缝(专利申请号：201410487171.1)自适应跟踪技术等。

上述各种焊缝自适应跟踪技术，一般可较高精度(如±0.1mm)地解决焊枪中心平面与焊缝中心平面的重合问题，但难以高精度高可靠地解决焊丝到侧壁距离的恒值自适应跟踪问题，即已有技术尚存在下述显著局限性：(1)现有传感技术较高精度提取焊接坡口表面的实际宽度偏差较准确，但较高精度实时提取当前焊层邻近处的焊缝宽度(焊接坡口表面以下焊件全厚度范围内两坡口面间的距离)极其困难，而实际生产中焊缝全长方向上坡口面角、组装间隙、直线度和平面度的各种误差总是客观存在的，这将导致当前焊层的实时坡口宽度总是实时变化的；(2)即使较高精度实时提取了当前焊层的实际焊缝宽度，还必须建立高精度的焊缝宽度与焊丝到坡口侧壁恒值距离模型、正确的控制策略、较高响应速度的焊枪位置调节执行机构等闭环自适应控制系统的保障，其中实时焊缝宽度偏差、偏差方向识别、调节量的实时计算、执行机构的响应速度和调节精度等，都直接影响着焊丝到侧壁距离的恒值控制精度，已有技术尚未见到窄间隙电弧焊条件下跟踪精度和响应速度较理想的焊丝到侧壁距离恒值控制技术；在传统电弧焊领域已有基于非接触传感(激光、图像等)方法的焊丝到侧壁距离恒值跟踪控制技术，但存在着系统软硬件复杂、控制信号提取困难、成本高、抗干扰能力差、可靠性差的显著局限性，而在窄间隙电弧焊领域该技术尚未见到。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种窄间隙电弧焊焊丝到侧壁距离恒值自适应跟踪装置，其特征在于，包括板式窄间隙焊枪、用于固定板式窄间隙焊枪的焊枪座；焊枪座中下部为开放式空腔结构；空腔结构的上部设有焊枪摆动机构焊枪摆动机构；焊枪顶部设置有侧壁弹力支座，支座内壁设有侧偏弹簧；恒距支撑装置安装在板式窄间隙焊枪的工作端最底部陶瓷喷嘴两侧的矩形窗口内，中心限位机构位于板式窄间隙焊枪的左方和右方、以及支持焊枪运动时能够回转的回转浮动机构以及横向往复运动的横向浮动机构。

在上述的一种窄间隙电弧焊焊丝到侧壁距离恒值自适应跟踪装置，所述的板式窄间隙焊枪为整体板式结构，内部集成有送丝通道、一次保护气通道和气体分流装置、自循环水冷流道，外部集成有导电接入座、耐高温复合绝缘结构，工作端部有专用陶瓷喷嘴；