一种机器人激光‑电弧复合焊接装置与方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种机器人激光-电孤复合焊接装置与方法。

背景技术：

焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料(焊条或焊丝)将两块或两块以上的母材(待焊接的工件)连接成一个整体的操作方法，焊接技术主要应用在金属母材上，常用的有电弧焊、氩弧焊、CO2保护焊、氧气-乙炔焊以及激光焊。

液化天然气(LNG)储罐是储存液化天然气的专业产品，采用9％Ni低温钢制造，焊接方法是：环缝及平缝采用埋弧自动焊，立缝及其它焊缝采用手工电弧焊。目前LNG大型储罐的焊接存在如下问题：9％Ni钢焊接要求限制热输入量，埋弧焊的效率不能得到最大的发挥，为了减少焊接缺陷，采用直径3.2mm以下细焊丝，牺牲焊接效率保证焊接质量；手工电弧焊应用灵活，但是焊接效率低。若采用激光－金属焊丝气体保护焊(MIG)，即称复合焊接，其焊接采用小车式复合焊接机，这种适合于平直焊缝的自动焊接，而对于三维空间焊缝就不太适用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种机器人激光-电孤复合焊接装置与方法，具有熔缝深、速度快、效率高、稳定性强、焊缝适应性强、成本低的特点，可广泛用于LNG大型储罐、汽车、航天、船舶制造业及石油管道领域。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种机器人激光-电弧复合焊接装置与方法，由机器人激光焊接装置、MIG焊接装置、控制单元三部分组成；所述机器人激光焊接装置包括光纤激光器及控制单元、焊接机器人、激光头单元，所述MIG焊接装置包括电弧焊枪、焊枪调节固定架、智能供丝装置；所述智能供丝装置与电弧焊枪尾部相连为其提供焊丝，所述电弧焊枪安装在焊枪调节固定架上，焊枪调节固定架安装在机器人激光焊接装置的激光头上，控制单元通过电路与机器人激光焊接装置及MIG焊接装置连接并控制上述装置。

所述焊接机器人包括机座、水平回转盘、大臂、小臂、机器人手腕以及机器人控制器；所述水平回转盘安装在机座上，水平回转盘与大臂通过臂关节连接，大臂与小臂通过肘关节连接，小臂与机器人手腕通过腕关节连接；机器人控制器通过电路与上述部件连接并控制上述部件。

所述激光头单元包括激光头、激光头与腕关节连接块、连接盘、摄像头，所述激光头包括激光整理腔、聚光镜、扩光系统、动态聚焦系统，所述摄像头安装在激光头与腕关节连接块上，所述激光头通过激光头与腕关节连接块以及连接盘与机器人手腕连接；所述光纤激光器及控制单元与激光头单元通过光纤机关器传输光纤及电缆连接，所述光纤机关器传输光纤及电缆通过固定环固定在焊接机器人上。

所述焊枪调节固定架设有弧形槽，电弧焊枪可沿弧形槽调整焊接角度。所述智能供丝装置由供丝装置支座、平衡弹簧、支撑轴、下传动轮、上传动轮，所述平衡弹簧一端安装在支座上，另一端与支承轴连接，平衡弹簧可适应供丝盘耗丝而自动升起，保证顺利供丝。

所述控制单元以系统控制器为控制核心分别与光纤激光调控单元、视觉焊缝跟踪单元、机器人控制器、电弧焊电源、以及辅助气体相连，所述电弧焊电源两级通过电流传感器分别与接至导电嘴与焊件。

一种机器人激光-电弧复合焊接方法是：将机器人技术与激光焊接技术以及MIG焊接技术复合，激光作用与母材形成匙孔获得大的熔深，MIG电弧则覆盖较宽的焊接区域，机器人参与焊接可方便的实现三维操作，实现焊接操作自动化，提高生产效率与焊接产品质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)激光作用于母材形成匙孔获得大的熔深，MIG电弧则覆盖较宽的焊接区域，焊丝熔化形成焊缝。激光与电弧作用于同一熔池时，不同热源之间存在“协同效应”。与激光焊相比，激光MIG复合焊可增大间隙装配余度和热效率，扩大了激光焊的应用范围；与电弧焊相比，激光MIG复合焊可提高电弧的稳定性和功率密度，从而进一步提高焊缝熔深及焊接速度，改善焊缝质量。特别是，激光MIG复合焊单位线能量低、焊接变形小，与激光焊相当，而同时熔深大、焊接速度快，比激光焊和电弧焊都要好，所以，具备了用于LNG 9％Ni钢大型储罐焊接的重要技术特点；

2)本发明采用了大功率光纤激光器，较CO₂激光器同功率下，体积和总功耗都明显下降；

3)本发明采用了智能供悍丝装置，平衡弹簧可适应供丝盘耗丝而自动升起，保证顺利供丝；

4)本发明采用了机器人参与焊接，可以方便的实现三维操作，该系统焊接工艺稳定并具有很强的焊接适应性，复杂焊接可通过编程实现，也可通过示教来完，将大大提高生产效率；

5)本发明采用了视觉焊缝跟踪系统，可实时监示焊接过程，确保焊接质量，具有很大的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明激光头结构示意图；

图3是本发明激光-MIG复合焊原理图；

图4是本发明智能供丝装置结构示意图；

图5是本发明机器人激光-MIG复合焊控制原理图；

图中：1-焊丝 2-工件 3-激光束 4-连接盘 5-机器人手腕 6-腕关节 7-光纤激光器传输光纤及电缆 8-小臂 9-输气管 10-肘关节 11-固定环 12-大臂 13-臂关节 14-水平回转盘 15-机座 16-智能供丝装置 17-光纤激光器及焊接单元 18-激光头单元 19-激光头 20-激光头与腕关节连接块 21-摄像头 22-电弧焊枪 23-悍枪调节固定架 24-固定旋钮 25-辅助供气管 26-激光整理箱 27-聚光镜 28-扩束系统 29-动态聚焦系统 30-供丝装置支座 31-平衡弹簧 32-支撑轴 33-下传动轮 34-上传动轮 35-机器人激光焊接装置 36-MIG焊接装置 37-弧形槽 38-焊接机器人

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种机器人激光-电弧复合焊接装置与方法，由机器人激光焊接装置35、MIG焊接装置36、控制单元三部分组成；所述机器人激光焊接装置35包括光纤激光器及控制单元17、焊接机器人38、激光头单元18，所述MIG焊接装置36包括电弧焊枪22、焊枪调节固定架23、智能供丝装置16；所述智能供丝装置16与电弧焊枪22尾部相连为其提供焊丝，所述电弧焊枪22安装在焊枪调节固定架23上，焊枪调节固定架23安装在机器人激光焊接装置35的激光头19上，控制单元通过电路与机器人激光焊接装置35及MIG焊接装置36连接并控制上述装置。

所述焊接机器人38包括机座15、水平回转盘14、大臂12、小臂8、机器人手腕5以及机器人控制器；所述水平回转盘14安装在机座15上，水平回转盘14与大臂12通过臂关节连接13，大臂12与小臂8通过肘关节10连接，小臂8与机器人手腕5通过腕关节6连接；机器人控制器通过电路与上述部件连接并控制上述部件，焊接机器人38适用于三维空间焊缝，模拟人体手臂形成多种焊接姿态，将激光头19送到任意空间位置，从而提高焊接生产效率和焊接质量。

所述激光头单元18包括激光头19、激光头与腕关节连接块20、连接盘4、摄像头21，所述摄像头21安装在激光头与腕关节连接块20上，所述激光头19通过激光头与腕关节连接块20以及连接盘4与机器人手腕5连接；所述光纤激光器及控制单元17与激光头单元18通过光纤机关器传输光纤及电缆7连接，所述光纤机关器传输光纤及电缆7通过固定环11固定在焊接机器人上。

所述焊枪调节固定架23设有弧形槽37，电弧焊枪22通过固定旋钮24固定在弧形槽上37，可沿弧形槽37调整焊接角度。

如图2所示，一种机器人激光-电弧复合焊接装置与方法，所述激光头19包括激光整理腔26、聚光镜27、扩光系统28、动态聚焦系统29。

如图4所示，所述智能供丝装置16由供丝装置支座30、平衡弹簧31、支撑轴32、下传动轮33、上传动轮44组成，所述平衡弹簧31一端安装在支座30上，另一端与支承轴32连接，平衡弹簧31可适应供丝盘耗丝而自动升起，保证顺利供丝。

如图5所示，所述一种机器人激光-电弧复合焊接装置与方法，所述控制单元以系统控制器为控制核心分别与光纤激光调控单元、视觉焊缝跟踪单元、机器人控制器、电弧焊电源、以及辅助气体相连，所述电弧焊电源两级通过电流传感器分别与接至导电嘴与焊件。具体的控制流程为：系统控制器向机器人控制器发出启动信号，机器人控制器命令焊接机器人进行工作，当焊枪与工件距离达到已设定值，机器人控制器向系统控制器发出信号。系统控制器同时向电弧焊电源与光纤激光器发出指令，焊接开始。通过机器人控制器可以精确的控制焊接轨迹，视觉焊缝跟踪单元实时监控焊接情况并向系统控制器反馈，保证焊接稳定，供丝单元可持续稳定的提供焊丝。

本发明将机器人技术与激光焊接技术以及MIG焊接技术复合，激光作用与母材形成匙孔获得大的熔深，MIG电弧则覆盖较宽的焊接区域，机器人参与焊接可方便的实现三维操作，实现焊接操作自动化，提高生产效率与焊接产品质量。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。