一种适用于超高频脉冲tig焊焊接温度场的实时观测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，该装置包括有焊接温度场存储器、观测运动机构、红外热成像仪、工件位姿调节台。红外热成像仪安装在观测运动机构上，观测运动机构与焊枪运动机构连接，工件位姿调节台安装在导电板与变位机机构之间。本发明为非接触法进行温度测量，即提供了一种能够在超高频脉冲TIG焊中应用的焊接温度场的实时观测装置，本发明装置能够实时地进行焊接温度场观测，并一次性获得焊接全场温度信息。
【专利说明】—种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于观测焊接过程热物理现象的装置，特别是涉及一种超高频脉冲TIG焊焊接过程的焊接温度场实时观测装置，该装置可用于了解和研究利用超高频脉冲TIG焊获得优质焊缝的最优参数。
【背景技术】
[0002]超高频脉冲TIG (Tungsten Inert Gas Welding)焊焊接技术是一种先进的焊接工艺方法，可实现20kHz以上的电流变换频率，且具有超快速的电流沿变化速率(di/dt ^ 50A/US)。研究表明，在自由电弧的基础上加入高频脉冲电流的调制作用，可有效降低焊缝的气孔敏感性，细化晶粒，显著提高焊接接头力学性能，能大幅提升航空飞行器焊接结构件的综合性能，具有重要的工程意义和广泛的应用前景。
[0003]目前，超高频脉冲TIG焊焊接系统如图1所示，图中，控制柜一方面通过焊枪运动指令控制焊枪运动机构作运动，另一方面通过工件台运动指令控制工件运动机构作运动，工件运动机构上安装有工件平台，工件平台用于放置被焊接的工件，焊枪安装在焊枪运动机构上，超高频脉冲焊接电源用于提供焊接工件所需的工艺参数。
[0004]焊接温度场是焊接过程中非常重要的物理参量，是影响焊接质量的重要因素。焊接温度场反映了复杂的焊接传热过程和焊接热循环过程，而该热过程对研究熔焊的金属熔化结晶和接头应力状态等都有重要的意义。如果温度过高，易产生热变形导致焊缝边缘出现过多的熔化金属难以从焊缝排出；如果温度过低，会出现低温焊接焊缝边缘只能局部熔化难以保证焊接质量。 焊接温度场的分布在一定程度上反映了复杂焊接过程的焊接质量并直接影响焊缝成形，因此获得焊接过程的动态温度场对于制定评定和优化焊接工艺具有重要意义。同时准确地测量焊件上的温度是进行焊接冶金分析、焊接应力、应变、弹塑性动态分析的基础，也是对焊接过程进行计算机控制的前提。所以通过焊接温度场信息反馈调节焊接参数，也成为控制焊接质量的主要手段之一。
[0005]测试焊接温度场的传统方法是使用热电偶和XY函数记录仪，该方法实时性差、精度低，工作量很大，很难同时得到多点乃至全场温度，且对焊件有一定的破坏性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，该装置是为了实现对超高频脉冲TIG焊接过程中焊接温度场进行实时观测，是在现有超高频脉冲TIG焊焊接系统中增加红外热成像仪、焊接温度场存储器和观测运动机构。红外热成像仪用于采集焊接温度场的温度变化，焊接温度场存储器用于将焊接温度场的温度变化转换成数字信息存储到计算机中，观测运动机构用于带动红外热成像仪运动。本发明为非接触法进行温度测量，即提供了一种能够在超高频脉冲TIG焊中应用的焊接温度场的实时观测装置，本发明装置能够实时地进行焊接温度场观测，并一次性获得焊接全场温度信息。
[0007]本发明的一种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，是在现有超高频脉冲TIG焊焊接系统上增加了焊接温度场存储器、红外热成像仪(10)、观测运动机构(I)、工件位姿调节台(3);因此适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置包括有焊接温度场存储器、红外热成像仪(10)、观测运动机构(I)、工件位姿调节台(3)、控制柜、超高频脉冲TIG焊焊接电源、焊枪运动机构(2)、焊枪(6)、工作台(40)、变位机机构
(4)，工作台(40)安装在变位机机构(4)上方，焊枪(6)安装在焊枪运动机构(2)上，超高频脉冲TIG焊焊接电源用于提供焊枪(6 )工作时的引弧，控制柜用于控制焊枪运动机构(2 )、变位机机构(4 )的运动；工件位姿调节台(3 )安装在变位机机构(4 )与工作台(40 )之间，观测运动机构(I)与焊枪运动机构(2 )连接；
[0008]所述的焊接温度场存储器用于对红外热成像仪(10)采集到的温度场信息进行存储；
[0009]观测运动机构(I)包括有第一支架(1B)、第二支架(1C)、第一横梁(1D)、第二横梁(1E)、第一 U形架(1F)、第二 U形架(1G)、X轴微调组件、Y轴微调组件、第二固定座(1K)、第一固定座(1L)、第一连接板(1M)和第二连接板(IP)。X轴微调组件中的第一步进电机(1H)的输出轴上连接有X轴联轴器(IHl )，X轴联轴器(IHl)上套接有X轴蜗轮(1H2)，X轴蜗轮(1H2)与X轴蜗杆(1H3)啮合。Y轴微调组件中的第二步进电机(1J)的输出轴上连接有Y轴联轴器(IJl )，Y轴联轴器(IJl)上套接有Y轴蜗轮(IJ2)，Y轴蜗轮(IJ2)与Y轴蜗杆(IJ3)啮合。Y轴联轴器(IJl)、Y轴蜗轮(1J2)和Y轴蜗杆(1J3)置于第二固定座(IK)内。X轴联轴器(IHl )、X轴蜗轮(1H2)、X轴蜗杆(1H3)置于第一固定座(1L)内。第二 U形架(1G)的横板(IGl)上设有供安装X轴蜗杆(1H3) 一端的C安装孔(1G5)，X轴蜗杆(1H3)的另一端安装在第一固定座(IL)的E安装孔(1L3)中。第一 U形架(IF)的B侧板(1F3)上设有供安装Y轴蜗杆(1J3) 一端的A安装孔(1F4)，Y轴蜗杆(1J3)的另一端安装在第二固定座(IK)的板面(IKll)的安装孔上。
[0010]第一支架(IB)为滑块结构。在第一支架(IB)的支撑板(IBl)上固定安装红外热成像仪(10)，第一支架(IB)的滑块(1B2)安装在第二支架(1C)上，且滑块(1B2)在第二支架(1C)上滑动。当调节好滑块(1B2)在第二支架(1C)上的位置后，用顶紧钉(1B3)将滑块(1B2)与第二支架(IC)顶紧，实现第一支架(IB)与第二支架(IC)固定。
[0011]第一 U形架(1F)上设有横板(IFl )，所述横板(IFl)的两侧设有A侧板(1F2)、B侧板(1F3)。第一 U形架(IF)的横板(IFl)底部安装有第二连接板(1P);第一 U形架(IF)的A侧板(1F2)上安装有第一横梁(1D)和第二 U形架(1G)的A侧板(1G2);第一 U形架(1F)的B侧板(1F3)上安装有第二横梁(1E)和第二 U形架(1G)的B侧板(1G3)。
[0012]第二 U形架(1G)上设有横板(IGl )，所述横板(IGl)的两侧设有A侧板(1G2)、B侧板(1G3)。第二 U形架(1G)的横板(IGl)安装在第一固定座(1L)上；第二 U形架(1G)的A侧板(1G2)与第一 U形架IF的A侧板(1F2)固定；第二 U形架(1G)的B侧板(1G3)与第一U形架IF的B侧板(1F3)固定。
[0013]第一横梁(ID)的一端部安装有第二支架(IC)的一端，第一横梁(ID)的另一端部安装在第一 U形架(IF)的A侧板(1F2)上。
[0014]第二横梁(IE)的一端上安装有第二支架(IC)的另一端，第二横梁(IE)的另一端安装在第一 U形架(IF)的B侧板(1F3)上。
[0015]第一固定座(IL)的后板面(1L2)的中心位置设有E安装孔(1L3)，该E安装孔(1L3)用于放置X轴蜗杆(1H3)的一端，置入E安装孔(1L3)内的X轴蜗杆(1H3)的一端通过键卡紧实现X轴蜗杆(1H3)与第一固定座(IL)的固定。第一固定座(IL)的前板面(ILl)与第二 U形架(1G)的横板(IGl)的外侧板面固定，第一固定座(1L)的后板面与第一连接板(IM)连接，第一连接板(1M)固定在沿Y轴运动组件(2C)的Y轴盖板(2C1)上。
[0016]第一 U形架(IF)的B侧板(1F3)的内侧通过螺钉固定有挡板(IKl )。挡板(IKl)与第二固定座(IK)固定安装，所述第二固定座(IK)内放置有Y轴蜗杆(1J3)、Y轴连接轴(IJl)和Y轴蜗轮(1J2)。挡板(IKl)的中心设有D安装孔(1K2)，该D安装孔(1K2)用于Y轴蜗杆(IJ3)的一端穿过。Y轴蜗杆(IJ3)的一端通过键卡紧在第二 U形架(1G)的B侧板(1G3)的B安装孔(1G4)中。Y轴蜗杆(IJ3)的一端安装在第二 U形架(1G)的B侧板(1G3)上，Y轴蜗杆(1J3)的另一端穿过第一 U形架(IF)的A安装孔(1F4)、挡板(IKl)的D安装孔(1K2)后，安装在第二固定座(IK)的板面(IKll)上。
[0017]工件位姿调节台(3)包括有基座(3A)、绝缘板(3C)、第一组滑块(3D)、第二组滑块(3E)、第一导轨(3F)、第二导轨(3G)、丝杠(3H)、第四步进电机(3J)。
[0018]所述基座(3A)上设有底板(3A1)、前侧板(3A2)、后侧板(3A3);底板(3A1)的两侧分别设有第一组通孔、第二组通孔(3A4)，该第一组通孔和第二组通孔(3A4)用于螺钉穿过，穿过的螺钉置于变位机机构(4)的转盘(4A)的槽孔(4B)内；前侧板(3A2)的外侧面板上安装有第四步进电机(3J);前侧板(3A2)上设有一通孔，该通孔内安装有A滚珠轴承，该A滚珠轴承的内圈与联轴器套接；联轴器相对A滚珠轴承转动；后侧板(3A3)上设有C通孔(3A5 )，该通孔内安装有B滚珠轴承，该B滚珠轴承的内圈套接在丝杠(3H)上；丝杠(3H)相对B滚珠轴承转动；丝杠(3H)的一端通过联轴器与第四步进电机(3J)的输出轴连接，丝杠(3H)的另一端套接在B滚珠轴承的内圈上；第一导轨(3F)与第二导轨(3G)平行安装在前侧板(3A2)与后侧板(3A3)之间；第一导轨(3F)上安装有第一组滑块(3D);第二导轨(3G)上安装有第二组滑块(3E);第一组滑块(3D)与第二组滑块(3E)安装在绝缘板(3C)的底部；绝缘板(3C)的底部安装有第一组滑块(3D)、第二组滑块(3E)，绝缘板(3C)的上部安装有导电板(40)。
[0019]本发明的焊接温度场的实时观测装置优点在于:
[0020]①将红外热成像仪加载到现有超高频脉冲TIG焊焊接系统中，实现了对焊接温度场的温度变化进行观测。
[0021]②将红外热成像仪安装在观测运动机构上，同时观测运动机构与现有超高频脉冲TIG焊焊接系统中的焊枪运动机构连接，实现了对红外热成像仪的位移的粗调、精调，更加有利于对焊接温度场的温度变化进行观测。
[0022]③将红外热成像仪采集到的温度变化信息转存到计算机设备中，能够实时地进行焊接温度场观测，并一次性获得焊接全场温度信息。该焊接全场温度信息能够为后续进行焊接冶金分析、焊接应力、应变、弹塑性动态分析提供数据基础，也是对焊接过程采用控制柜进行控制的前提，所以通过焊接温度场信息反馈调节焊接参数，成为提高控制焊接质量的手段。
[0023]④本发明设计的超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，适用于钛合金、铝合金、不锈钢等航空航天领域常用金属材料的TIG焊焊接温度场的观测，较为简便地实现了不同焊接参数条件下的实时温度场的观测显示，可在焊接过程中及时发现一些明显缺陷，及时调整，大大减少了多次重复实验，来获得高质量的焊缝。并且据此可建立不同型号，
不同厚度尺寸材料得到焊件优质焊缝成型的最优参数匹配数据库，为以后的超高频脉冲
TIG焊工程实践应用提供设备支持和实验数据支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是传统超高频脉冲TIG焊焊接系统的结构框图。
[0025]图2是本发明的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置的结构框图。
[0026]图3是本发明的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置中工件位置
调整部分的外部结构图。
[0027]图3A是图3的右视图。
[0028]图4是本发明实时观测装置中观测运动机构部分的结构图。
[0029]图4A是本发明实时观测装置中微调部分的结构图。
[0030]图4B是本发明实时观测装置中微调部分的分解图。
[0031]图5是本发明实时观测装置中工件位姿调节台的结构图。
[0032]图5A是本发明实时观测装置中工件位姿调节台的分解图。
【权利要求】
1.一种适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，所述超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置包括有控制柜、超高频脉冲TIG焊焊接电源、焊枪运动机构(2 )、焊枪(6 )、工作台(40 )、变位机机构(4)，工作台(40 )安装在变位机机构(4)上方，焊枪(6 )安装在焊枪运动机构(2 )上，超高频脉冲TIG焊焊接电源用于提供焊枪(6 )工作时的引弧，控制柜用于控制焊枪运动机构(2)、变位机机构(4)的运动；其特征在于:还包括有焊接温度场存储器、红 外热成像仪(10)、观测运动机构(I)、工件位姿调节台(3); 所述的焊接温度场存储器用于对红外热成像仪(10)采集到的温度场信息进行存储；观测运动机构(I)包括有第一支架(1B)、第二支架(1C)、第一横梁(1D)、第二横梁(1E)、第一 U形架(1F)、第二 U形架(1G)、X轴微调组件、Y轴微调组件、第二固定座(1K)、第一固定座(1L)、第一连接板(IM)和第二连接板(IP) ;X轴微调组件中的第一步进电机(IH)的输出轴上连接有X轴联轴器(1H1)，X轴联轴器(IHl)上套接有X轴蜗轮(1H2)，X轴蜗轮(1H2)与X轴蜗杆(1H3)啮合；Y轴微调组件中的第二步进电机(1J)的输出轴上连接有Y轴联轴器(IJl )，Y轴联轴器(IJl)上套接有Y轴蜗轮(IJ2)，Y轴蜗轮(IJ2)与Y轴蜗杆(IJ3)啮合；￥轴联轴器(111)、￥轴蜗轮(112)和￥轴蜗杆(113)置于第二固定座(110内；Χ轴联轴器(ΙΗΟ,Χ轴蜗轮(1Η2)、Χ轴蜗杆(1Η3)置于第一固定座(1L)内；第二 U形架(1G)的横板(IGl)上设有供安装X轴蜗杆(1Η3) 一端的C安装孔(1G5)，X轴蜗杆(1Η3)的另一端安装在第一固定座(1L)的E安装孔(1L3)中；第一 U形架(1F)的B侧板(1F3)上设有供安装Y轴蜗杆(1J3) —端的A安装孔(1F4)，Y轴蜗杆(1J3)的另一端安装在第二固定座(1Κ)的板面(IKll)的安装孔上； 第一支架(IB)为滑块结构；在第一支架(IB)的支撑板(IBl)上固定安装红外热成像仪(10)，第一支架(1Β)的滑块(1Β2)安装在第二支架(1C)上，且滑块(1Β2)在第二支架(1C)上滑动；当调节好滑块(1Β2)在第二支架(1C)上的位置后，用顶紧钉(1Β3)将滑块(1Β2)与第二支架(IC)顶紧，实现第一支架(IB)与第二支架(IC)固定； 第一 U形架(1F)上设有横板(IFl )，所述横板(IFl)的两侧设有A侧板(1F2)、B侧板(1F3);第一 U形架(IF)的横板(IFl)底部安装有第二连接板(IP);第一 U形架(IF)的A侧板(1F2)上安装有第一横梁(1D)和第二 U形架(1G)的A侧板(1G2);第一 U形架(1F)的B侧板(1F3)上安装有第二横梁(IE)和第二 U形架(IG)的B侧板(1G3)； 第二 U形架(1G)上设有横板(IGl )，所述横板(IGl)的两侧设有A侧板(1G2)、B侧板(1G3);第二 U形架(IG)的横板(IGl)安装在第一固定座(IL)上；第二 U形架(IG)的A侧板(1G2)与第一 U形架IF的A侧板(1F2)固定；第二 U形架(1G)的B侧板(1G3)与第一 U形架IF的B侧板(1F3)固定； 第一横梁(ID)的一端部安装有第二支架(IC)的一端，第一横梁(ID)的另一端部安装在第一 U形架(IF)的A侧板(1F2)上； 第二横梁(IE)的一端上安装有第二支架(IC)的另一端，第二横梁(IE)的另一端安装在第一 U形架(IF)的B侧板(1F3)上； 第一固定座(1L)的后板面(1L2)的中心位置设有E安装孔(1L3)，该E安装孔(1L3)用于放置X轴蜗杆(1H3)的一端，置入E安装孔(1L3)内的X轴蜗杆(1H3)的一端通过键卡紧实现X轴蜗杆(1H3)与第一固定座(IL)的固定；第一固定座(IL)的前板面(ILl)与第二 U形架(IG)的横板(IGl)的外侧板面固定,第一固定座(IL)的后板面与第一连接板(1M)连接，第一连接板(IM)固定在沿Y轴运动组件(2C)的Y轴盖板(2C1)上； 第一 U形架(IF)的B侧板(1F3)的内侧通过螺钉固定有挡板(IKl);挡板(IKl)与第二固定座(IK)固定安装，所述第二固定座(IK)内放置有Y轴蜗杆(1J3)、Y轴连接轴(IJl)和Y轴蜗轮(IJ2 );挡板(IKl)的中心设有D安装孔(1K2 )，该D安装孔(1K2 )用于Y轴蜗杆(IJ3)的一端穿过；Y轴蜗杆(IJ3)的一端通过键卡紧在第二 U形架(1G)的B侧板(1G3)的B安装孔(1G4)中；Υ轴蜗杆(1J3)的一端安装在第二 U形架(IG)的B侧板(1G3)上，Y轴蜗杆(IJ3)的另一端穿过第一 U形架(1F)的A安装孔(1F4)、挡板(IKl)的D安装孔(1Κ2)后，安装在第二固定座(IK)的板面(IKll)上； 工件位姿调节台(3)包括有基座(3Α)、绝缘板(3C)、第一组滑块(3D)、第二组滑块(3Ε)、第一导轨(3F)、第二导轨(3G)、丝杠(3Η)、第四步进电机(3J)； 所述基座(3Α)上设有底板(3Α1)、前侧板(3Α2)、后侧板(3Α3);底板(3Α1)的两侧分别设有第一组通孔、第二组通孔(3Α4)，该第一组通孔和第二组通孔(3Α4)用于螺钉穿过，穿过的螺钉置于变位机机构(4)的转盘(4Α)的槽孔(4Β)内；前侧板(3Α2)的外侧面板上安装有第四步进电机(3J);前侧板(3Α2)上设有一通孔，该通孔内安装有A滚珠轴承，该A滚珠轴承的内圈与联轴器套接；联轴器相对A滚珠轴承 转动；后侧板(3Α3)上设有C通孔(3Α5)，该通孔内安装有B滚珠轴承，该B滚珠轴承的内圈套接在丝杠(3Η)上；丝杠(3Η)相对B滚珠轴承转动；丝杠(3Η)的一端通过联轴器与第四步进电机(3J)的输出轴连接，丝杠(3Η)的另一端套接在B滚珠轴承的内圈上；第一导轨(3F)与第二导轨(3G)平行安装在前侧板(3Α2)与后侧板(3Α3)之间；第一导轨(3F)上安装有第一组滑块(3D);第二导轨(3G)上安装有第二组滑块(3Ε);第一组滑块(3D)与第二组滑块(3Ε)安装在绝缘板(3C)的底部；绝缘板(3C)的底部安装有第一组滑块(3D)、第二组滑块(3Ε)，绝缘板(3C)的上部安装有导电板(40)。
2.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于:在X轴蜗杆(1Η3)与X轴蜗轮(1Η2)啮合后，在第一步进电机(IH)的驱动下，观测运动机构(I)在Y轴上微调行程100mm，实现焊枪(6)的Y轴精调节；在Y轴蜗杆(IJ3)与Y轴蜗轮(IJ2)啮合后，在第二步进电机(IJ)的驱动下，观测运动机构(I)在X轴上微调行程100mm,实现焊枪(6)的X轴精调节。
3.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于:红外热成像仪(10)为倾斜安装在支撑板(IBl)上，红外热成像仪(10)的倾斜安装角度为0°~180°。
4.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于:在第二支架(IC)上设置有多个红外热成像仪(10)。
5.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于:将工件位姿调节台(3)安装在变位机机构(4)上，使得被焊接工件具有多个自由度的位姿调节。
6.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于:能够用于观测直线焊缝焊接过程。
7.根据权利要求1所述的适用于超高频脉冲TIG焊焊接温度场的实时观测装置，其特征在于:能够用于观测平面曲线焊缝焊接过程。
【文档编号】B23K9/095GK103949752SQ201410079074
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】从保强, 齐铂金, 张鹏飞, 杨明轩 申请人:北京航空航天大学