焊接用惰性气体保护系统的制作方法

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种焊接用惰性气体保护系统。

背景技术：

在钛合金、铝合金、镁合金等金属合金材料、不锈钢材料和其它一些金属材料的焊接过程中，为了避免在高温条件下发生氧化，需要在上述焊接过程中对焊接材料采取保护措施，尤其针对影响焊缝质量和成形效果的焊接背部必须采取有效保护措施以此保证焊接部位的力学性能和耐腐蚀性。

在实际焊接生产中，针对较小直径和较短的管材可以通过直接向管内冲入惰性气体达到保护目的，而对于板材和较大直径管材来说如果采用上述直接向管内充惰性气体，焊接质量无法保证并且会浪费大量惰性气体。为了降低工程成本，针对于板材和较大直径管材一般采用以下局部充入惰性气体的方法，也可叫做熔化极气体保护电弧焊通过保护罩连接一金属管子并连接惰性气体软管，打开惰性气体阀门让保护罩充满惰性气体，此种方法在使用时需要另一人手持金属管子作为手柄，使得保护罩罩在焊接背部上滑动与板或管外焊接同步，为了使焊接的工件达到所需的焊接转配角度，往往需要对焊件进行翻转一定的角度，当前的焊接背部保护装置往往不能自由翻转一定的角度以满足这一要求。

中国专利文献CN202910445U中公开了一种等离子弧焊背部气体保护装置，其包括安装板、通气管、安装板的上表面开设有一个凹槽，通气管收容于安装板的凹槽中，覆面板固定于安装板的上表面并留有与凹槽连通的缝隙，通气管上开设有不均匀的气孔。上述等离子弧焊背部气体保护装置还是没有很好解决惰性气体浪费，很难保证焊接质量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种节约惰性气体能源且焊接效果优异的焊接用惰性气体保护系统。

为了解决上述现有技术的问题，本发明通过以下技术方案实现：

本发明焊接用惰性气体保护系统，包括用于安装焊件的安装板，所述安装板上开设有导向槽，所述导向槽内设有朝向焊件上的焊缝一面开口的半封闭式气腔以及使得气腔在导向槽上移动的动力机构，所述气腔外接惰性气体源。用于焊接的焊枪可以是手动焊枪也可以是安装于焊接机器人上的焊枪。其中气腔可以在导向槽上移动，能够实现焊枪与气腔的同步移动。

作为上述焊接用惰性气体保护系统的进一步改进，所述气腔包括由前后嵌入导向槽的板结构、连接前后板结构的连接件、导向槽的底面、导向槽的侧壁构成的腔体。

进一步地，所述板结构上与导向槽的底面接触的部位设有密封垫圈，所述连接件为贯穿连接前后板结构的丝杠。密封垫圈加强了气腔的密封性能，防止惰性气体外泄。于两板结构之间的距离可以通过连接的丝杠灵活调节，改变其相对距离，进而改变背部保护区域的覆盖面积，使其保护覆盖面积随焊件的厚度，焊接热输入的面积大小而改变，增加了焊接生产的柔性。

作为上述焊接用惰性气体保护系统的进一步改进，所述焊枪安装于焊接机器人上，所述动力机构包括与气腔相连的传送带结构以及与传送带结构相连的电机。通过设置焊接机器人的焊接速率以及电机的频率能够实现焊枪与气腔的同步移动。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分，机器人由机器人本体和控制柜组成，而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，包括其控制系统、送丝机、焊枪或焊钳等部分组成。

进一步地，还包括智能控制系统，所述智能控制系统包括单片机，与单片机分别相连的上位机、控制器、第一数字变送器、第二数字变送器、转换电路、芯片，与上位机相连的焊接机器人中控，与控制器相连的焊枪开关，与第一数字变送器相连的流量传感器，与第二数字变送器相连的检测气腔运动速度的速度传感器，与转换电路依次相连的放大电路、电气阀，与芯片依次相连的三相桥式全控逆变电路、电机，所述流量传感器和电气阀均设置于气腔的惰性气体入口处。焊接机器人中控指的是焊接机器人的控制柜。由此更加精确的控制焊件焊接，保证焊件焊缝背部的保护效果，

更进一步地，所述电机为直流无刷电机，所述单片机为DSPIC单片机，所述芯片为LM621芯片。对于上述智能控制系统而言，其中DSPIC单片机与一般的单片机相比，既有普通单片机的控制能力又有很好的数字信号处理能力，特别是对各种传感器及电机的强大控制能力，主要是不断接受速度与流量传感器的信号，并及时做出反馈，不断调整直流无刷电机转速与电气阀闭合比例，确保其值不断稳定在上位机给定的定值，设定计时间隔为10～30ms，太短响应不及时，太长气体流量与活塞速度反馈调节不精确；流量传感器用于测通入气腔中的惰性气体流量；数字式传送器用于将传感器传入的小模拟信号，同步放大为可被DSPIC单片机识别的标准数字信号；速度传感器用于将活塞运动的速度转化为电信号不断传递到DSPIC单片机中；焊接机器人开关用于传递焊接开始或结束的信号；控制器优选8259A控制器，所述8259A中断控制器读取焊枪工作状态，使DSPIC单片机打开电气阀，做出提前通气或延迟送气的命令；焊接机器人的中央控制器传递相关信号给上位机；上位机读取焊接机器人中央控制器的焊接速度，功率等信号，并根据相关公式计算出每一次钛合金焊接背部保护装置中活塞运动的速度及惰性保护气体流量，并将相关信号传递到DSPIC单片机；转换电路优选D/A转换电路，D/A转换电路将单片机传出的数字信号转变为可被传感器接受的模拟信号；放大电路将信号放大为传感器可接受的数值范围；小型电气阀与只能进行开关式的DO控制的电磁阀相比，电气阀可进行精确的AI反馈控制；通入或断开保护气体并根据流量传感器发出反馈信号，不断调整阀门闭合比例，使保护气体的流量维持在一个稳定值；LM621芯片专门用于驱动直流无刷电机，与一般电机驱动电路相比，反应时间快，更灵敏；三相桥式全控逆变电路用于整流；无刷直流电机通过传动装置带动皮带轮运转，从而使气腔与焊枪保持同步速度运动，使焊件正面保护面积与背面保护面积相重合，提高保护效果，并节省惰性保护气体。

作为上述焊接用惰性气体保护系统的进一步改进，所述安装板上设有若干个安装孔。由此方便孔系组合夹具的安装。

作为上述焊接用惰性气体保护系统的进一步改进，所述安装板连有可适应焊枪焊接角度转动安装板的转动机构。由此可以根据焊枪的实际焊接角度调整安装板的位置，达到更好的焊接效果。

进一步地，所述转动机构包括支撑安装板的支撑架、与导向槽平行设置且与支撑架联动的转动轴、驱动转动轴转动的驱动装置、使得支撑架在静止状态下固定的限位装置。

更进一步地，所述支撑架包括分别竖直设置于转动轴两端的倒三角架、横向加固连接两个倒三角架的肋板，所述动力机构通过肋板支撑连接，所述驱动装置包括与转动轴一端相连的转动手柄，所述限位装置包括设置于支撑架底部的底座、设置于底座上的限位板，所述限位板上设有与倒三角架通过松紧螺母结构相连的限位槽，所述转动轴两端分别通过轴承及轴承座固定于底座。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明焊接用惰性气体保护系统中的半封闭式气腔将惰性气体集中作用在焊件的焊缝背部，防止惰性气体外泄，有效地提高了惰性气体的浓度，更好地防止了焊缝处氧化，气腔与焊枪同步运动，使得焊件焊缝背部得到很好的保护，由此保证了焊接效果。

(2)可以实现气腔与焊枪同步运动，使得焊件焊缝背部实时得到很好的保护，同时也避免了惰性气体的浪费。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的左视图。

图3为本发明中智能控制系统的示意图。

具体实施方式

以下通过钛合金板材焊接的具体实施对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明焊接用惰性气体保护系统，包括用于安装焊件的安装板1，所述安装板1上开设有导向槽110，所述导向槽110为截面为半圆形的凹槽，所述导向槽110内设有朝向焊缝一面开口的半封闭式气腔2以及可以使得气腔2在导向槽110上与焊枪同步移动的动力机构3，其中所述气腔2包括由前后嵌入导向槽110的板结构113、连接前后板结构113的连接件114、导向槽110的底面111、导向槽110的侧壁112构成的腔体，在本具体实施方式中两块需要焊接的板材放置于安装板1的上表面，即为气腔2的上方开口。所述板结构113上与导向槽110的底面111接触的部位设有密封垫圈，防止气腔2中的惰性气体外泄，所述连接件114为贯穿连接前后板结构113的丝杠。所述气腔2外接惰性气体源。所述气腔2在导向槽110上来回推动时类似于活塞移动，板结构113类似于活塞板，连接前后板结构113的丝杠类似于活塞杆。

所述安装板1连有可适应焊枪焊接角度转动安装板1的转动机构4。所述转动机构4包括支撑安装板1的支撑架41、与导向槽110平行设置且与支撑架41联动的转动轴42、驱动转动轴42转动的驱动装置、使得支撑架41在静止状态下固定的限位装置44。所述支撑架41包括分别竖直设置于转动轴42两端的倒三角架410、横向加固连接两个倒三角架410的肋板411，所述动力机构3通过肋板411支撑连接，所述驱动装置包括与转动轴42一端相连的转动手柄43，所述限位装置44包括设置于支撑架41底部的底座441、设置于底座441上的半圆弧状的限位板442，所述限位板442上设有与倒三角架410通过松紧螺母结构443相连的半圆弧状的限位槽4420，松紧螺母结构443包括设置在倒三角架410上的螺纹孔以及与螺纹孔配合连接的螺栓。所述转动轴42两端分别通过轴承及轴承座444固定于底座441。所述焊枪安装于焊接机器人上，所述动力机构3包括与气腔2相连的传送带结构31以及与传送带结构31相连的电机32，传送带结构31以及电机32均设置在肋板411上，所述传动带结构31包括竖直固定在导向槽110底面与肋板411之间的两组支架312，每组支架312上通过两个安装杆311分别设有上滑轮310和下滑轮313，两组支架312上的上滑轮310和下滑轮313通过传送带341相连，具体连接方式与现有的传送带与滑轮的连接方式相同。传送带341连接在各滑轮上之后一端与丝杠一端相连，另一端与丝杠另一端相连，由此实现传送带341带动气腔2运动的目的。

如图3所示，本发明还包括智能控制系统5，所述智能控制系统5包括单片机51，与单片机51分别相连的上位机52、控制器53、第一数字变送器54、第二数字变送器55、转换电路56、芯片57，与上位机52相连的焊接机器人中控513，与控制器53相连的焊枪开关514，与第一数字变送器54相连的流量传感器58，与第二数字变送器55相连的检测气腔2运动速度的速度传感器59，与转换电路56依次相连的放大电路510、电气阀511，与芯片57依次连接的三相桥式全控逆变电路512、电机32，所述流量传感器58和电气阀511均设置于气腔2的惰性气体入口210处。其中，优选所述单片机51为DSPIC单片机，所述芯片57为LM621芯片。所述安装板1上设有若干个安装孔120。电机32为无刷直流电机，控制器53为8259A中断控制器。其中DSPIC单片机与一般的单片机相比，既有普通单片机的控制能力又有很好的数字信号处理能力，特别是对各种传感器及电机的强大控制能力，主要是不断接受速度与流量传感器的信号，并及时做出反馈，不断调整直流无刷电机转速与电气阀闭合比例，确保其值不断稳定在上位机给定的定值，设定计时间隔为10～30ms，太短响应不及时，太长气体流量与活塞速度反馈调节不精确；流量传感器用于测通入气腔中的惰性气体流量；数字式传送器用于将传感器传入的小模拟信号，同步放大为可被DSPIC单片机识别的标准数字信号；速度传感器用于将活塞运动的速度转化为电信号不断传递到DSPIC单片机中；焊接机器人开关用于传递焊接开始或结束的信号；8259A中断控制器读取焊枪工作状态，使DSPIC单片机打开电气阀，做出提前通气或延迟送气的命令；焊接机器人的中央控制器传递相关信号给上位机；上位机读取焊接机器人中央控制器的焊接速度，功率等信号，并根据相关公式计算出每一次钛合金焊接背部保护装置中活塞运动的速度及惰性保护气体流量，并将相关信号传递到DSPIC单片机；D/A转换电路将单片机传出的数字信号转变为可被传感器接受的模拟信号；放大电路将信号放大为传感器可接受的数值范围；小型电气阀与只能进行开关式的DO控制的电磁阀相比，电气阀可进行精确的AI反馈控制；通入或断开保护气体并根据流量传感器发出反馈信号，不断调整阀门闭合比例，使保护气体的流量维持在一个稳定值；LM621芯片专门用于驱动直流无刷电机，与一般电机驱动电路相比，反应时间快，更灵敏；三相桥式全控逆变电路用于整流；无刷直流电机通过传动装置带动皮带轮运转，从而使气腔与焊枪保持同步速度运动，使焊件正面保护面积与背面保护面积相重合，提高保护效果，并节省惰性保护气体。

本发明的使用方法如下，

钛合金焊接时，先将待焊接的钛合金板材放置于安装板1上，拧松松紧螺母结构443的螺纹孔内的螺栓，使其与半圆弧状的限位槽4420分离，然后手摇转动手柄43，使倒三角架410开始绕转动轴42转动，使得待焊接的钛合金板材达到恰当的焊接装配角度，拧紧松紧螺母结构443的螺栓以将焊件的旋转角度固定，在焊接机器人中控513中设定各个焊接参数并将焊接参数传递至上位机52，此时按下焊接机器人焊枪开关514，焊枪开始工作，焊接开关的信号线就会将开关信号传递给控制器53，控制器53结束中断使单片机51开始工作，焊接机器人中控513将相关信号传递给上位机52，相关信号包括焊枪移动速度值与焊接功率值，单片机51按照上位机52要求发出相关焊接速度大小与惰性气体流量的响应信号，使电气阀511与电机32开始工作，气腔2开始运动且惰性保护气体开始通入到气腔2对钛合金板材焊接背部开始进行保护，与此同时流量传感器58与速度传感器59将监测到的气体流量值，气腔2运动的速度值传递给单片机51，单片机51将其与上位机52传过来的给定速度值与流量值比较，如果监测的流量和速度值小于给定的流量和速度值，单片机51会传递相关信号给电机32与电气阀511，加快电机32转子速度和上调电气阀511的比例阀门，反之则相关响应相反，此反馈调节过程随焊接过程反复进行，最后通过闭环反馈调节使得气腔2运动速度值与保护气流量稳定在给定的数值。由此实现对焊件焊接的智能控制。当上述待焊接的焊机需要通过孔隙组合夹具安装时，将其安装于安装板上的安装孔进行固定。

本发明优势在于，本发明采用独创的半封闭式结构设计,使惰性气体不易被空气稀释，可有效提高其浓度，进而使钛合金焊接中焊件的背部得到优异的保护；同时该装置通过直流无刷电机与控制电路能够实现与智能焊接机器人的焊枪同步运行，活塞运动与焊枪燃弧同时进行并且速度大小与焊枪保持一致其通入的惰性保护气体浓度随时可调，完全符合柔性智能化生产的要求；本装置通过一对可移动式活塞巧妙地实现了只需相对少量惰性保护气体就能达到令人满意的效果，完全符合节能环保的要求；由于该装置上表面有密集的安装孔以方便孔系组合夹具的安装，所以本钛合金背部保护装置可以柔性化适应任意焊接接头，对不同焊接接头形式适应性较好，该背部保护装置不需要专门的变位机即可进行自由翻转变位操作，使焊件达到所需的转配角度，经济效益好；由于两板结构之间的距离可以通过连接的丝杠灵活调节，改变其相对距离，进而改变背部保护区域的覆盖面积，使其保护覆盖面积随焊件的厚度，焊接热输入的面积大小而改变，增加了焊接生产的柔性。