专利名称：一种电弧螺柱焊枪及其焊接方法
技术领域：
本发明涉及电弧螺柱焊接装置及焊接方法，特别涉及一种电弧螺柱焊枪及其焊接方法。
背景技术：
电弧螺柱焊是一种高效、高质量的螺柱焊接方法。焊接电源、焊接控制器和电弧螺柱焊枪是一个完整的电弧螺柱焊系统所必须具备的。其中电弧螺柱焊枪是焊接过程的直接执行机构，起着调节部分焊接参数、完成焊接过程的作用，焊枪性能的优劣对于焊接质量有很大的影响。通过不断的改进和创新，电弧螺柱焊设备也几经更新换代，在性能及外观方面也得到了很大的改善。但是焊枪的主要结构保持了原有的设计原理，电磁式电弧螺柱焊枪仍旧是工程应用中的主流产品，其焊接过程的实现主要是由线圈的通断电和弹簧的压缩和伸展来完成的。在实际的焊接操作过程中，焊枪的运动可分为预压送进、提升引弧、定时保持、断电送进四个过程。其中对焊接质量影响最大的就是螺柱的断电送进过程。为了能获得优良的焊接接头，普通螺柱焊枪都会在送进结束保留一定的顶锻力，即送进压力予设量。该力量对焊缝的成型及焊缝的组织结构影响很大。现有的电弧螺柱焊枪其送进压力的大小由预压时采用弹簧的压缩量来决定，实际焊接过程中对该值的设定完全依靠操作者的经验。在螺柱或工件表面烧损严重或在工件表面有压型板的情况下，则可能会出现由于预压量设置的不足造成下送深度的不够，从而使原先预期得到的送进压力减小，导致焊缝质量的降低。
发明内容
本发明针对现有螺柱焊枪在送进过程中螺柱送进压力不能检测，进而造成螺柱运动无法控制的缺陷，提供了一种传感器测力的螺柱焊枪以及采用该焊枪的一种送进压力可控的焊接方法，可显著提高螺柱焊的焊接质量。
为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的一种电弧螺柱焊枪，包括一个螺柱夹具、竖直安装板，安装板一面上部固定一个电机，中部设置一个转动机构，该转动机构与电机的转轴相连接，所述转动机构与安装板下部之间设有一个直线运动机构，其特征是，所述转动机构通过一个设有电阻应变片的压力传感器与螺柱夹具连接，所述螺柱夹具与压力传感器连接处设有绝缘块，所述电阻应变片的压力信号输出至计算机的数据采集单元；所述电机与一个运动控制器电连接，运动控制器与主计算机的运动控制单元信号连接。
上述方案中，所述的压力传感器包括一个与转动机构连接的压盖和屏蔽外壳，屏蔽外壳内设置有一个应变体，应变体的上端焊接固定在压盖上，应变体的下端通过所述绝缘块与螺柱夹具连接，电阻应变片安装在应变体的水平悬臂上、下两侧并靠近应变体上端与水平悬臂连接处的位置；该电阻应变片为惠斯通应变桥。
一种采用上述电弧螺柱焊枪的焊接方法，包括下述顺序的步骤预压送进过程，提升引弧过程，定时保持过程，焊接送进过程；其特征是，所述预压送进和提升引弧过程中，当螺柱运动到与工件接触，接触力通过一个压力传感器中的电阻应变片传到主控计算机中的数据采集卡，该压力传感器连接在焊枪的转动机构与螺柱夹具之间，当压力传感器检测到螺柱与工件的接触力达到预先设定的预压力时，接通连接螺柱夹具的焊接电流，与电机电连接的运动控制器反转电机，并按照预先设置的提升速度提升螺柱实现电弧引燃；所述最后焊接送进过程中，先关闭焊接电流，运动控制器驱动电机转动，使螺柱按一定的送进速度向工件作送进运动，其运动控制过程与所述预压送进过程基本一致，当压力传感器检测到螺柱与工件的送进压力为预先设定的焊接顶锻力时，停止电机转动。
上述技术方案中，所述的焊接送进过程中的的送进速度为23毫米/秒；焊接顶锻力预先设定为60牛顿。
与传统电弧螺柱焊相比，本发明的焊枪是一个位移精确可控的直线运动平台，在焊枪转动机构和螺柱夹具之间设置了一个自行设计的专用送进压力传感器，用于螺柱送进阶段螺柱与工件之间压力变化情况的实时检测，其压力信号通过焊接系统的主计算机数据处理，来确定送进过程是否已经达到预先设定的值，再通过焊接系统主计算机的运动控制单元给出控制信号输出至运动控制器以控制电机，实现了螺柱运动的可控，保证焊接送进结束后对螺柱施加一定的顶锻力，从而获得优良的焊接接头，提高焊接质量。
图1是本发明螺柱焊枪的结构示意图。
图2为图1的侧视图。
图1和图2中，1-安装板；2-电机；3-连轴器；4-轴承；5-丝杠；6-丝杠螺母；7-连接器；8-压力传感器；9-绝缘块；10-螺柱夹具；11-电机支架；12-直线运动机构。
图3是图1中的压力传感器剖面图。其中20-压盖；21-外壳；22-连接件；23-电阻应变片；24-应变体；25水平悬臂。
图4是采用本发明送进方法的焊接系统框图。
图5是两种焊接过程的送进压力变化对比图。其中，图5a是传统焊枪压力预设值不变情况下的焊接进程；图5b是本发明送进压力可控情况下的焊接进程。
图6是两种螺柱焊接过程的质量效果图。其中图6a是传统焊枪压力预设值不变情况下的焊接效果图；图6b是本发明送进压力可控情况下的焊接效果图。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示，一种电弧螺柱焊枪，包括一个螺柱夹具10(电弧焊电极)、竖直安装板1，安装板1的一面上部由支架11固定一个电机2，中部设置滚珠丝杠副，即轴承4、丝杠5和与其螺纹配合的丝杠螺母6，丝杠5通过一个联轴器3与电机2的转轴相连接，滚珠丝杠副与安装板1下部之间设有一个直线运动机构12，该直线运动机构12可以是导轨。丝杠螺母6与一个连接器7固定，并通过一个压力传感器8与螺柱夹具10连接，螺柱夹具10与压力传感器8连接处设有绝缘块9。螺柱焊枪的运动由安装板1、电机2、滚珠丝杠副和直线运动单元12来实现，它们构成了一个位移精确可控的直线运动平台，用来响应计算机的控制信号(电机的驱动可通过与主计算机的运动控制单元信号连接的运动控制器来实现)。
螺柱与工件之间的压力通过螺柱夹具10传给压力传感器8，实现对压力的实时监控。绝缘块9的作用有两个一个是防止直线运动单元12上的电机2受焊接时强电流的影响，另一个是防止压力传感器8中的传感元件受焊接强电流的影响。
如图3所示，压力传感器8包括一个与连接器7连接的压盖20和屏蔽外壳21，屏蔽外壳21内设置一个应变体24，应变体24的上端焊接固定在压盖20上，应变体24的下端通过一个连接件22与所述绝缘块9及螺柱夹具10连接，电阻应变片23安装在应变体24水平悬臂25的上、下两侧，并靠近应变体24上端与水平悬臂25连接处位置，由于水平悬臂25在该位置受力后的应变效应最敏感。故将电阻应变片23设置在此位置效果最好，电阻应变片23可采用惠斯通应变桥，由5VDC恒压供电，桥路阻抗120Ω；桥路形式惠斯通全桥。该应变桥可捕捉到水平悬臂25微弱的形变，并将检测到的信号输出至主计算机的数据采集单元。输出电缆长度为2m四芯屏蔽电缆；输出信号配合相配套的变送器为0～5V；综合精度0.04％FS；重复测量误差0.04％FS；零点输出3％FS；灵敏度1.3mV/V；过载能力130％FS。屏蔽外壳2采用金属材料制成，其可使应变片23产生的微弱信号免受外部强焊接电流干扰。
压力传感器8不但要承担测力功能，即检测螺柱送进过程中螺柱端头与工件之间的作用力，以实现对送进压力的实时监控，而且还要承担转动机构与螺柱夹具10的刚性连接功能，即压力传送功能，使其在检测螺柱送进压力的同时，将滚珠丝杠副的直线运动传给螺柱夹具10(焊枪电极)。
压力传感器8的应变片23的水平悬臂结构，可使惠斯通应变桥能灵敏的捕捉到螺柱与工件接触的压力变化，通过计算机系统传送给电机的运动控制系统，从而解决了最后影响焊接质量的送进步骤的顶锻压力可控的技术问题，同时，该特殊结构的传感器，测力精度也很高。应变体24可采用TC4钛合金线切割加工以减少加工应力。
如图4所示，本发明配套设备由通用主计算机和程序系统两部分组成。程序系统由人机交互程序、运动控制程序以及数据处理程序组成。焊接操作时，操作者首先将焊枪运动的实验参数如焊枪提升高度、提升速度等参数通过主控计算的人机交互设备输入，主计算机的数据计算存储设备，根据得到的参数和数据采集卡采集到的焊枪压力传感器状态通过运动控制单元来输出控制信号，控制螺柱焊枪电机2的转速，进而控制螺柱的运动，完成螺柱焊接的整个过程。
上述电弧螺柱焊枪的焊接方法，具体包括下述步骤(1)预压送进过程，首先由主控计算机的控制单元向运动控制器发送送进指令，运动控制器控制电机2旋转从而带动丝杠-螺母运动副5、6和压力传感器8直线运动，使得与传感器8连接的螺柱夹具10带动螺柱向工件表面移动。同时，主控计算机内的数据采集卡会不断的检测压力传感器8的信号。一开始螺柱并未与工件接触，传感器8并无信号输出，当螺柱运动到与工件接触，接触力通过螺柱夹具10、绝缘块9、连接件22所构成的刚性连接结构传到传感器8内的应变体24上。应变体24的悬臂25在压力的作用下产生应变，使其上的电阻应变片23产生信号输出，主控计算机中的数据采集卡通过检测该信号的大小来判断螺柱与工件的接触情况。随着送进位移的增加，送进力也随之增大，当达到预先期望得到的预压力时预压送进过程结束，预压力可设定为螺柱与工件紧密接触时的压力即可。
(2)提升引弧过程，接通连接螺柱夹具10的焊接电流，反转电机2并按照20毫米/秒提升速度提升螺柱实现电弧引燃。
(3)定时保持过程，当螺柱被提升到设定高度，如4毫米时，停止电机2转动并稳定焊接电流形成一定的熔池。此过程中由于螺柱与工件并未接触，传感器应变体24没有受力，因此采集系统检测为无压力状态，定时保持时间为1200毫秒。
(4)焊接送进过程，关闭焊接电流，再次反转电机2实现螺柱的下送运动，送进速度为23毫米/秒，送进顶锻力预先设定为60牛顿。当压力传感器8检测到该顶锻力时，运动控制器停止电机2转动，整个送进过程由计算机运动模块控制电机2旋转来实现。
本发明上述实施例的焊接效果可参见图6b。
图5和图6示出了本发明与传统焊接过程送进压力对比及实际焊接效果对比。图5a为预设压力值不变情况下的焊接过程中焊枪螺柱端面与工件之间接触力变化情况。从图5a中可以看到，在焊接过程开始阶段螺柱端头与工件之间存在一定的预压力，保证引弧时二者之间的紧密接触，同时对于普通螺柱焊接，该力也是螺柱送进过程中送进压力的来源；接下来是螺柱运动停止进行焊接保持阶段，此阶段电弧持续燃烧；最后是螺柱焊送进阶段，随着螺柱不断地送进，端头与工件之间的压力也在不断增大。普通螺柱焊不具备该力的检测控制手段，送进的距离是通过最初设定的弹簧预压值来实现，因此，在焊接的过程中该压力大小及送进距离不能自动地判断进行调整，在对直径16mm螺柱焊接时，由于送进力不足而无法形成可靠的接头，因此焊接效果较差(见图6a)。图5b为采用本发明螺柱焊枪及焊接方法的控制原理，就是通过自制的压力传感器8检测该压力的变化来判断螺柱送进过程中螺柱端头是否已和工件紧密接触，即压力的大小是否已经达到设定值，通过该力来控制螺柱的送进运动。设定值的选取则来源于实际焊接的效果评定。从图5b的图形可看出，当压力达到预设值时，如上述实施例的60牛顿，焊枪将迅速响应而停止送进。从图6b可以看到，在对直径16mm螺柱焊接时，通过对送进力的逐步增大使焊接接头的质量明显提高，
权利要求
1.一种电弧螺柱焊枪，包括一个螺柱夹具、竖直安装板，安装板一面上部固定一个电机，中部设置一个转动机构，该转动机构与电机的转轴相连接，所述转动机构与安装板下部之间设有一个直线运动机构，其特征是，所述传动机构通过一个设有电阻应变片的压力传感器与螺柱夹具连接，所述螺柱夹具与压力传感器连接处设有绝缘块，所述电阻应变片的压力信号输出至计算机的数据采集单元；所述电机与一个运动控制器连接，运动控制器与主计算机的运动控制单元信号连接。
2.根据权利要求1所述的电弧螺柱焊枪，其特征是，所述的压力传感器包括一个与传动机构连接的压盖和屏蔽外壳，屏蔽外壳内设置有一个应变体，应变体的上端焊接固定在压盖上，应变体的下端通过所述绝缘块与螺柱夹具连接，电阻应变片安装在应变体的水平悬臂上、下两侧并靠近应变体上端与水平悬臂连接处的位置。
3.根据权利要求1或2所述的电弧螺柱焊枪，其特征是，所述的电阻应变片为惠斯通应变桥。
4.一种权利要求1所述电弧螺柱焊枪的焊接方法，包括下述顺序的步骤预压送进过程，提升引弧过程，定时保持过程，焊接送进过程；其特征是，所述预压送进和提升引弧过程中，当螺柱运动到与工件接触，接触力通过所述压力传感器中的电阻应变片传到主控计算机中的数据采集卡，该压力传感器连接在焊枪的转动机构与螺柱夹具之间；当压力传感器检测到螺柱与工件的接触力达到预先设定的预压力时，接通连接螺柱夹具的焊接电流，与电机电连接的运动控制器反转电机，并按照预先设置的提升速度提升螺柱实现电弧引燃；所述最后焊接送进过程中，先关闭焊接电流，运动控制器驱动电机转动，使螺柱按一定的送进速度向工件作送进运动，当压力传感器检测到螺柱与工件的送进压力为预先设定的焊接顶锻力时，停止电机转动。
5.根据权利要求4所述电弧螺柱焊枪的焊接方法，其特征是，所述的焊接送进过程中的送进速度为23毫米/秒。
6.根据权利要求4或5所述电弧螺柱焊枪的焊接方法，其特征是，所述的焊接送进过程中的焊接顶锻力预先设定为60牛顿。
全文摘要
本发明针对现有螺柱焊枪在送进过程中螺柱送进压力不能检测，进而造成螺柱运动无法控制的缺陷，公开了一种传感器测力的螺柱焊枪及其焊接方法。焊接时，当螺柱运动到与工件接触，接触力通过一个压力传感器中的电阻应变片传到主控计算机中的数据采集卡，该压力传感器连接在焊枪的转动机构与螺柱夹具之间，当压力传感器检测到螺柱与工件的接触力达到预先设定的预压力时，接通连接螺柱夹具的焊接电流，与电机电连接的运动控制器反转电机，并提升螺柱实现电弧引燃；焊接送进过程中，先关闭焊接电流，运动控制器驱动电机转动，使螺柱向工件作送进运动，当压力传感器检测到螺柱与工件的送进压力为预先设定的焊接顶锻力时，停止电机转动。
文档编号B23K9/28GK101032779SQ20071001770
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月18日 优先权日2007年4月18日
发明者张建勋, 谢小东, 黄挺, 裴怡, 付继飞, 池强 申请人:西安交通大学