一种基于中大直径螺柱焊外观成型自动检测及补焊工艺的制作方法

本发明涉及钢螺柱与钢板的连接，具体地说是一种适用于中大直径钢螺柱与碳钢板材的焊接缺陷检测及补焊工艺，属于焊接领域。

背景技术

电弧螺柱焊是一种将螺状或者柱状的金属焊接在金属板材表面的焊接方法。其基本原理是在待焊螺柱与工件间引燃电弧，当螺柱与工件被加热到合适温度时，在外力作用下，将螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接头。在车辆、造船、锅炉、钢结构、建筑、电子、仪表、医疗器械等工件行业中螺柱的加工固定，一般传统采用的是螺纹紧固的方法，但这种方法需要在母材上开螺纹，造成实际在大型工件的加工过程中难以加工，且对于密封性要求高的工件，传统加工螺纹的方法难以满足工件的使用要求。螺柱焊作为一种熔焊方法，比较于传统的螺柱加工，具有节省时间和材料的特点，且不用在板件表面开孔，对于在一些要求密封性比较高的设备当中，螺柱焊焊接可有效避免泄露事故的发生。

ccd图像采集系统是由光学系统、ccd图像传感器及其驱动模块、a/d采样模块、mcu和cpld共同构成的核心处理模块、sram和flash构成的外部存储器模块、usb数据传输模块等部分组成。在由mcu控制下的cpld生成的驱动时序的作用下，ccd图像传感器采集被测物体的图像信号，完成光电转换，并将转换后的信号送入a/d，经过采样转化为数字化信号，这些信号可以暂时存储在sram存储器中，也可以直接经由usb接口传输给计算机进行显示和处理。

目前，在实际使用螺柱焊过程当中主要出现了以下焊接问题：对于大直径的螺柱，其在拉弧过程中具有明显的偏弧现象并且电弧燃烧不稳定，不能够完全的燃烧螺柱端面，造成螺柱熔化不均匀，焊接熔池形成不均匀，熔池凝固以后严重影响焊接接头的静态力学性能同时造成焊接接头不能达到预期的外观效果(螺柱歪斜)。2、由于板材是中厚的中碳高碳钢，所以在焊接过程当中焊接接头容易产生气孔和热裂纹，焊接结束以后焊接应力集中，极易产生硬脆相，焊接接头产生冷裂纹，严重影响焊接接头的冲击韧性和动态力学性能。目前还未能有行之有效的方法可以解决在螺柱焊接中出现的这些问题。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于：对中大直径钢螺柱与钢板焊接后焊缝存在的未焊合问题，提供了一种焊接后自动检测焊缝并进行补焊的工艺。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于中大直径螺柱焊外观成型自动检测及补焊工艺。

其步骤包括：步骤1、将螺柱焊接端加工成150°锥角后，对其和母材表面进行机械打磨，丙酮清洗并快速吹干；

步骤2、水平放置母材，将套有匹配陶瓷圈的螺柱锥形端向下，垂直母材，施以压力；

步骤3、启动逆变式拉弧式螺柱焊机，发生拉弧，完成焊接过程后，水平移走焊枪，待彻底冷却后敲掉陶瓷圈，以气吹方式吹掉残渣；

步骤4、利用image-pro-plus软件结合ccd图像采集系统对焊缝进行图像采集、处理和分析，以确定是否补焊及补焊位置；

步骤5、根据所得位置信息编程，通过计算机向机器人自动tig补焊系统控制器发送相应信息和加工控制信号；

步骤6、启动补焊系统，对缺陷焊缝进行自动补焊。

进一步的，步骤3中，采用逆变式拉弧式螺柱焊机，焊接电流为350～1950a，拉弧时间为200～950ms。

进一步的，步骤4中，ccd的图像采集系统结合image-pro-plus软件对焊缝进行采集、处理及分析，其步骤为：

(1)螺柱焊枪与ccd拍照镜头用工具固定间距80cm，待螺柱焊完成后，焊枪水平移动80cm，将ccd拍照镜头移到螺柱上方；利用计算机操作image-pro-plus软件，通过软件的“采集”功能向ccd采集系统发出指令，ccd采集系统镜头对焊缝进行垂直取像，将图像输送到计算机显示；

(2)通过image-pro-plus软件的“处理”功能将获取的图像进行处理，优化所需观察区域的图像质量，方便清晰观察焊缝是否存在阴影部分，以确定是否补焊；

(3)在存在阴影部分的图像，确定需补焊缝的起点，终点位置，具体过程为：

ⅰ.利用image-pro-plus软件的“测量”、“校准”功能，建立以螺柱中心为原点的直角坐标系，确定起点、终点和原点的连线与水平正方向的夹角，分别记为α、β且α、β∈﹙0,2π﹚；

ⅱ.已知螺柱的直径d，可以根据公式x²+y²＝(d/2)²确定起点a、终点b两点的直角坐标为a(rcosα，rsinα)、b(rcosβ，rsinβ)，r＝d/2。

进一步的，步骤5中，采用的是机器人自动tig补焊系统进行补焊。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)解决中大直径螺柱焊接后焊缝的未焊合现象；2)能够进一步改善焊缝，有效提高钢螺柱与钢板的连接质量；3)本发明可实现自动化控制，具有操作简单、工作效率高、工艺稳定等优点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于中大直径螺柱焊外观成型自动检测及补焊工艺的流程图。

图2是ccd图像采集系统原理框图。

图3是带有陶瓷圈的螺柱焊接端示意图。

图4是本发明基于中大直径螺柱焊外观成型自动检测及补焊工艺的示意图。

其中，1.螺柱焊操作机；2.螺柱焊控制器；3.ccd；4.镜头；5.图像采集卡；6.采集控制计算机；7.工件；8.螺柱焊枪；9.变位机；10.补焊机器人控制器；11.tig焊操作机；12.tig焊枪；13.陶瓷圈破碎及吹风装置；14.陶瓷圈。

具体实施方式

结合图1、图2、图3和图4，本发明的一种基于中大直径螺柱焊外观成型自动检测及补焊工艺，包括以下步骤：

步骤1、将螺柱焊接端加工成150°锥角后，对螺柱表面和钢板待焊表面进行机械打磨，后用丙酮清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；步骤2、将带有匹配陶瓷圈的螺柱利用焊机气爪固定在焊枪前端，利用机器人对母材进行预压，预压深度为1～3mm；步骤3、启动逆变式拉弧式螺柱焊机，在焊机的作用下，产生电弧完成焊接过程。在该过程中，提升螺柱高度1～3mm，焊接电流350～1950a，拉弧时间200～950ms，具体参数随螺柱直径而定。完成焊接后，保持焊枪与母材垂直关系几十秒，然后水平移开焊枪，ccd镜头移到螺柱上方，待彻底冷却后敲掉陶瓷圈，用吹风装置吹掉焊缝周围残渣；步骤4、3～5s后，利用image-pro-plus软件的“采集”功能对ccd图像采集系统发出指令，对焊缝进行垂直取像，将图像输送到计算机显示；利用软件的“处理”功能优化图像质量，方便确定焊缝是否存在未焊合部分，以确定是否补焊；利用“测量”、“校准”功能确定待补焊缝的起点、终点坐标为a(rcosα，rsinα)、b(rcosβ，rsinβ)。步骤5、根据所得位置信息，利用计算机进行编程，然后向补焊系统控制器发送信息和加工控制信号；步骤6、启动机器人自动tig补焊系统进行补焊。

下面结合实施例对本发明做进一步描述：

实施例1

以直径为22mm的q235螺柱和20mm厚装甲钢板为例。

1.将直径为22mm的螺柱用车床加工为直径20mm带有凸台且锥角150°的螺柱，然后对螺柱表面和母材待焊区进行机械打磨，后用丙酮清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

2.将带有匹配陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，利用机器人对母材进行预压，预压深度为2.5mm；

3.启动逆变式拉弧式螺柱焊机，发生拉弧，在焊机的作用下，产生电弧完成焊接过程。在该过程中，提升螺柱高度为2.5mm，焊接电流为1900a，拉弧时间900ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系40s，等待熔池冷却凝固，然后水平移开焊枪，ccd镜头移到螺柱上方，待彻底冷却后敲掉陶瓷圈，用吹风装置吹掉焊缝周围残渣；

4.3～5s后，利用image-pro-plus软件的“采集”功能对ccd图像采集系统发出指令，对焊缝进行垂直取像，将图像输送到计算机显示；利用软件的“处理”功能优化图像质量，方便清晰观察到焊缝阴影部分，确定需要补焊；利用“测量”、“校准”功能，测得待补焊缝的起点、终点与原点连线和水平正方向的夹角分别为30°、120°，确定两点坐标为a(11cos30°，11sin30°)、b(11cos120°，11sin120°)。

5.利用计算机根据所得待补焊缝起点坐标(11cos30°，11sin30°)、终点坐标(11cos120°，11sin120°)进行编程，然后向机器人补焊系统控制器发送信息和加工控制信号；

6.机器人控制器收到相应的信息和加工控制信号后，启动机器人tig补焊系统，设定焊枪倾斜45°进行补焊。补焊过程中，采用的焊接参数为：电流170a，电压16v，焊接速度20cm/min。

实施例2

以直径为16mm的q235螺柱和15mm板厚的母材为例。

1.将直径为16mm的螺柱用车床加工为直径14mm带有凸台且锥角150°的螺柱，然后对螺柱表面和母材待焊区进行机械打磨，后用丙酮清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

2.将带有匹配陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，利用机器人对母材进行预压，预压深度为2mm；

3.启动逆变式拉弧式螺柱焊机，发生拉弧，在焊机的作用下，产生电弧完成焊接过程。在该过程中，提升螺柱高度为2mm，焊接电流为1200a，拉弧时间600ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系30s，等待熔池冷却凝固，然后水平移开焊枪，ccd镜头移到螺柱上方，待彻底冷却后敲掉陶瓷圈，用吹风装置吹掉焊缝周围残渣；

4.3～5s后，利用image-pro-plus软件的“采集”功能对ccd图像采集系统发出指令，对焊缝进行垂直取像，将图像输送到计算机显示；利用软件的“处理”功能优化图像质量，方便清晰观察到焊缝阴影部分，确定需要补焊；利用“测量”、“校准”功能，测得待补焊缝的起点、终点与原点连线和水平正方向的夹角分别为75°、125°，确定两点坐标为a(8cos75°，8sin75°)、b(8cos125°，8sin125°)。

5.利用计算机根据所得待补焊缝起点坐标(8cos75°，8sin75°)、终点坐标(8cos125°，8sin125°)进行编程，然后向机器人补焊系统控制器发送信息和加工控制信号；

6.机器人控制器收到相应的信息和加工控制信号后，启动机器人tig补焊系统，设定焊枪倾斜45°进行补焊。补焊过程中，采用的焊接参数为：电流170a，电压16v，焊接速度20cm/min。

实施例3

以直径为12mm的q235螺柱和10mm板厚的母材为例。

1.将直径为12mm的螺柱用车床加工为直径为10mm带有凸台且锥角150°的螺柱，然后对螺柱表面和母材待焊区进行机械打磨，后用丙酮清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

2.将带有匹配陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，利用机器人对母材进行预压，预压深度为1.5mm；

3.启动逆变式拉弧式螺柱焊机，发生拉弧，在焊机的作用下，产生电弧完成焊接过程。在该过程中，提升螺柱高度为1.5mm，焊接电流为880a，拉弧时间450ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系20s，等待熔池冷却凝固，然后水平移开焊枪，ccd镜头移到螺柱上方，待彻底冷却后敲掉陶瓷圈，用吹风装置吹掉焊缝周围残渣；

4.3～5s后，利用image-pro-plus软件的“采集”功能对ccd图像采集系统发出指令，对焊缝进行垂直取像，将图像输送到计算机显示；利用软件的“处理”功能优化图像质量，方便清晰观察到焊缝阴影部分，确定需要补焊；利用“测量”、“校准”功能，测得待补焊缝的起点、终点与原点连线和水平正方向的夹角分别为190°、260°，确定两点坐标为a(6cos190°，6sin190°)、b(6cos260°，6sin260°)。

5.利用计算机根据所得待补焊缝起点坐标(6cos190°，6sin190°)、终点坐标(6cos260°，6sin260°)进行编程，然后向机器人补焊系统控制器发送信息和加工控制信号；

6.机器人控制器收到相应的信息和加工控制信号后，启动机器人tig补焊系统，设定焊枪倾斜45°进行补焊。补焊过程中，采用的焊接参数为：电流170a，电压16v，焊接速度20cm/min。