专利名称：无轨行走单道全熔透弧焊装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接的装置和方法，尤其是涉及一种电弧焊的装置和方法。
背景技术：
在目前焊接生产中，为了保证大型金属结构件对接焊缝的全熔透和焊接质量，一般采用加工坡口多道焊焊接工艺技术。在弧焊加工条件允许的情况下，还可分别从焊缝两面进行焊接。例如，10mm厚的钢板对接焊缝，如采用金属极气体保护焊，一般需要两道或三道才能保证正反面焊缝成型和熔透。对于埋弧焊，如不采用背面衬垫，通常情况下，先要用金属极气体保护焊进行封底焊，然后用埋弧焊方法进行盖面焊。显然这种多道焊加工工艺技术生产效率低，焊接变形大，生产成本高。此外，焊前加工坡口也增加了生产成本。为了保证厚大截面对接焊逢的熔透和质量，封底焊前，先要装配衬垫，衬垫可以是陶瓷，水冷式铜衬垫或是充气式焊剂衬垫等。但在实际应用中，尤其是对很长的焊缝装配和拆卸背衬垫是非常困难的。显然这种技术的生产效率低，次外，大型金属结构件的自动化焊接设备一般都需导轨进行焊接，设备复杂、笨重、昂贵，而且还需要技术复杂的焊缝自动跟踪装置。而目前焊缝自动跟踪技术还不够成熟，其传感的可靠性差、自动跟踪精度低，从而影响焊接的质量。
发明内容
本发明的任务是克服现有技术中的不足，提供一种能保证在正反面焊缝成型和焊接质量一致的条件下，具有焊缝质量高、生产效率高、跟踪技术简单、可靠、易操作，设备成本低的无轨行走单道全熔透弧焊装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明的一种无轨行走单道全熔透弧焊装置包括金属连接板、背衬垫、焊具、焊丝、金属固定板、导向轮机构、两个滚动支撑轮机构和驱动机构；所述导向轮机构由支撑轴、滚动轴承、两端面设置为斜面的金属导向轮、轴承架和压力弹簧组成；所述滚动支撑轮机构由支撑轴、滚动轴承、轴承架和压力弹簧组成；所述金属连接板呈垂直位置，在其上端设置有两个长形通槽，下端设置两个通孔，且金属连接板的上端与金属固定板连接，下端与背衬垫连接，所述连接为螺钉连接；所述金属固定板为水平位置，在它的上面设置有五个垂直的通孔，所述焊具、导向轮机构的支撑轴、两个滚动支撑轮机构的支撑轴和送丝导管分别从通孔穿过；所述导向轮机构的支撑轴的下端设置有轴承架，所述轴承架上设置有滚动轴承，滚动轴承位于所述金属导向轮的内部，压力弹簧套在支撑轴上且位于轴承架和金属固定板之间；所述滚动支撑轮机构的支撑轴的下端设置有轴承架，所述轴承架上设置有滚动轴承，压力弹簧套在支撑轴上且位于轴承架和金属固定板之间，支撑轴与金属固定板之间采用螺钉径向定位。
所述背衬垫为水冷式或气冷式结构，所述水冷衬垫的内部设置有冷却水道、进出水接口和反面焊缝成型槽结构；所述气冷衬垫的内部设置有冷却腔、进气接口，在与反面焊缝接触面上设置有出气槽，出气小孔和成型槽结构；所述驱动机构可采用电动或手动卷扬机结构或采用自动或手动驱动小车，所述驱动小车由驱动电机或手摇柄、齿轮减速机构、金属轮和车架构成。
使用本发明的无轨行走单道全熔透弧焊装置的焊接方法包括以下步骤(1)将被焊金属进行焊接前的装配，即预留焊缝间隙作好点固；(2)将无轨行走单道全熔透弧焊装置与被焊金属进行装配；(3)连接焊接电源，备好填充金属/填充金属和焊剂，进行焊接。
所述步骤(2)包括如下子步骤a)将金属连接板插入预留的焊缝间隙垂直定位，其下端通过螺栓与位于被焊金属下面的水冷或气冷衬垫连接，上端通过螺栓与水平位置的金属固定板连接，金属连接板与水冷或气冷衬垫反面焊缝成型槽对正；b)通过金属连接板上端的长形通槽，上移金属固定板后，分别将已套装好压力弹簧的导向轮机构和两个滚动支撑轮机构中的三个支撑轴垂直置于被焊金属板面上；并将导向轮机构中的金属导向轮两端面的斜面与被焊金属焊缝的棱边相接触；c)预加压力，分别将支撑轴上的三个压力弹簧压紧，然后调整好固定金属板的位置后，拧紧金属连接板侧面上的螺栓；d)通过导向螺钉将滚动支撑轮机构中的支撑轴进行径相定位；e)将焊具、送丝机构的送丝导向管对准焊缝预留间隙的中心。
所述无轨行走单道全熔透弧焊装置与被焊金属装配时，还有以下两种情形之一(1)若无轨行走单道全熔透弧焊装置中的驱动机构采用驱动小车结构，则位于驱动小车前方的导向轮与被焊金属焊缝的预留间隙对准，焊具装配在驱动小车上；或(2)若无轨行走单道全熔透弧焊装置中的驱动机构采用卷扬机结构，则将卷扬机固定在被焊金属结构件的焊缝末端处，卷扬机的钢绳那一端与所述无轨行走单道全熔透弧焊装置固定。所述填充金属采用旁送药芯焊丝。
本发明与现有技术相比有如下有益效果1.该发明的焊接装置和方法能够保证厚大长焊缝一致的焊接质量。
2.提高了生产效率，降低了生产成本。
3.简化了大型金属结构件的焊接设备，大大地降低了焊接设备的投资。
4.实现了在焊接过程中焊缝自动对中，避免了使用技术复杂且不够可靠的焊缝跟踪技术。
5.使焊接过程更加可靠，操作更为简便。
本发明适用于大型金属中板单道全熔透金属弧焊加工。具体讲这项发明是一种在保证正反面焊缝成型和焊接质量一致条件下，无轨行走单道全熔透弧焊装置和方法。
图1是本发明焊接装置的主视图；图2是本发明焊接装置的俯视图；图3是本发明焊接装置中水冷式衬垫的结构示意图；图4a是本发明焊接装置中气冷式衬垫的结构示意图；图4b是图4a气冷式衬垫的A-A剖视图；图5是本发明焊接装置中导向轮机构的结构示意图；图6是图5导向轮机构中金属导向轮的结构示意图；图7是本发明焊接装置驱动机构采用卷扬机的结构示意图；图8是本发明焊接装置驱动机构采用驱动小车的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述如图1、图2和图7中所示，本发明的焊接装置包括金属连接板10、背衬垫15、焊具7、焊丝9、金属固定板3、导向轮机构18b、两个滚动支撑轮机构18a和驱动机构24；导向轮机构18b由支撑轴4b、滚动轴承1b、两端面带有斜面的金属导向轮16、轴承架6b和压力弹簧5b组成；所述滚动支撑轮机构18a由支撑轴4a、滚动轴承1a、轴承架6a和压力弹簧5a组成；金属连接板10呈垂直位置，在其上端设置有两个长形通槽14a，下端设置两个通孔14b，且金属连接板10的上端与金属固定板3采用螺栓14连接，下端与衬垫15采用螺栓14连接；所述金属固定板3为水平位置，在它的上面设置有五个垂直的通孔，焊具7、导向轮机构的支撑轴4b、两个滚动支撑轮机构的支撑轴4a和送丝铜管8分别从通孔穿过。
本发明装置中的背衬垫可采用水冷式结构；如图3所示，水冷衬垫15，它由在一个铜板的内部加工有一条冷却水道30，进出水接口32和反面焊缝成型槽31构成。使用时冷却水可以直接连接到冷却水泵上，也可通过与连接板10上的铜管(11a、11b、12a和12b)连接，从焊缝26的正面与冷却水泵连接。为了将水冷铜衬垫15与固定焊具的金属板3连接，在水冷铜衬垫15上设置有连接面33和固定的螺孔34。金属连接板10与水冷铜衬垫15上的连接面33用螺钉14固定，以保证金属连接板10的中心与水冷铜衬垫15的中心对中。
本发明装置中的背衬垫还可采用气冷式结构；如图4a和图4b所示，气冷衬垫70，它由在一个铜板的内部加工有一个冷却腔71，进气接口72、在冷却腔30的上壁上均匀地设置有多个出气小孔73，在气冷衬垫70的上表面与出气小孔73对应的位置设置有多个出气槽74和反面焊缝成型槽75构成。安装时，将冷却腔盖76通过四个螺钉77和四个螺孔78与气冷衬垫70连接成一体，使用时，通过进气接口72向冷却腔71内通入二氧化碳气体，可达到冷却背衬垫70、焊接过程的气体保护和减少被焊接件与气冷衬垫70表面的摩擦等效果。为了将气冷衬垫70与固定焊具的金属板3连接，在气冷衬垫70上设置有连接面79和固定的螺孔80。金属连接板10与气冷衬垫70上的连接面79用螺钉14固定，以保证金属连接板10的中心与气冷铜衬垫70的中心对中。
如图1、图2所示，为了保证焊具7在焊接过程中对中焊缝26，并保证该装置沿焊缝26的中心滚动，在本发明中，设计了一个导向轮机构18b和两个滚动支撑轮机构18a。导向轮机构18b如图5所示，它是由一个滚动轴承1b和一个两端面带有斜面的金属导向轮16和轴承架6b和支撑轴4b，压力弹簧5b组成。滚动轴承1b被装配在两端面带有斜面的金属导向轮16内，以增加导向轮机构平滑性转动；如图6所示，金属导向轮两端面的斜面16a，16b与预留间隙的两块被焊金属13的焊缝26的棱边相接触，并沿着被焊金属13的焊缝的预留间隙26，在焊具7前移动起到导向定位作用。又如，图1和图2示出了两个滚动支撑轮机构18a，它们是由一个滚动轴承1a和轴承架6a和支撑轴4a，压力弹簧5a组成。为了防止两个滚动支撑轮机构18a在焊接过程中转动，设计了径向定位螺钉(2a、2b)。
另外，为了保证水冷铜衬垫15在焊接过程中与被焊金属13的焊缝背面紧密接触，在本发明中，设计了三个压力弹簧(5a，5b)，它们分别被安装在导向轮机构18b和两个滚动轮机构18a的支撑轴(4b、4a)上。焊前装配时，首先预加压力将三个压力弹簧(5a、5b)压紧产生一个预压力，再将金属连接板10用螺栓14分别与水冷铜衬垫15和固定焊具的金属板3连接，如图1所示。由于压力弹簧(5a、5b)产生的预压力作用于固定焊具的金属板3上，使固定焊具的金属板3产生一个向上的力，这个力通过金属连接板10作用于水冷铜衬垫15上，在该力作用下，水冷铜衬垫15在焊接过程中始终保持与被焊金属13的焊缝背面紧密接触，起到支撑焊接熔池，以防止在焊接过程中液态金属熔池坠落，并能起到强迫背面焊缝成型的作用。
本发明焊接装置中的驱动机构，可采用电动或手动卷扬机24机构，也可采用自动或手动驱动小车25机构，所述驱动小车25由一个驱动电机28或手摇柄27、齿轮减速机构29、四个金属轮35和车架40构成。
图7示出了一个典型的可自动化或手工操作本发明焊接装置的应用。由于该装置在焊接过程中能自动对准焊缝中心，所以，与普通的自动化弧焊技术相比，该发明的焊接装置可以在电机驱动的卷扬机24拖动下不用导轨也能沿着焊缝26的中心自动行走。若卷扬机24是手工操作，就能实现焊接过程手工操作。焊接前先要将被焊金属13进行点固预留焊缝间隙26，并在焊缝26的一端的点固定板上装配卷扬机24。装配卷扬机24的链条或钢绳20的那一端与焊接装置金属连接板10固定，在卷扬机24旋转下钢绳20牵动焊接装置和焊具7一起向前行走进行焊接。
图8是本发明焊接装置的另一个可自动化或手工操作的典型应用。一个驱动电机28或一个手摇柄27，齿轮减速机构29，四个金属轮35和车架40构成了一个焊接专用的小车25。将本发明焊接装置装配在该专用焊接小车25上。由于齿轮减速机构29的末级齿轮36与焊接专用小车25的后面两个轮子装配在同一根连接轴37上。因此，在电动机28或手摇柄27驱动齿轮减速机构29作用下，能够使焊接专用小车25及焊接装置均匀行走。导向轮机构18b被装配在焊接小车25的前方，沿预留焊缝间隙26行走起导向作用。金属连接板10通过对接焊缝预留的间隙26，将水冷铜衬垫15和固定焊具7的金属板3连接起来，四个定位导向柱38和其上装配的压力弹簧39将固定焊具7的金属板3定位，并在四个压力弹簧39预压力作用下，使水冷铜衬垫15与被焊金属13的焊缝背面紧密接触。焊具7被装配在金属板3上。
本发明焊接装置的工作原理可概述为一个金属连接板10通过对接焊缝预留的间隙26，将一个水冷铜衬垫15和一个固定焊具7的金属板3连接起来，在一种动力驱动下，如焊接用的小车25或卷扬机24驱动的链条20或手持焊具7并加驱动，沿着对焊缝预留的间隙26，焊具7和水冷铜衬垫15一起移动。在焊具7和水冷铜衬垫15一起移动过程中，被焊接电弧熔化的金属形成液态金属熔池，液态金属在水冷铜衬垫15的支撑下凝固形成焊缝，在保证熔透的条件下，也保证了焊缝反面的成型。从而达到了无轨行走单道全熔透弧焊的效果。
如图1至图8所示，使用本发明焊接装置的方法可采用如下步骤(1)为被焊金属作好点固预留焊缝间隙26；(2)将该装置与被焊金属13进行装配(3)连接焊接电源，备好填充金属/填充金属和焊剂，进行焊接。
在上述步骤(2)中采用下列方法a)将金属连接板10插入预留的焊缝间隙26中，并垂直定位，其下端通过螺栓14与位于被焊金属13下面的水冷或气冷衬垫15连接，上端通过螺栓14与水平位置的金属固定板3连接，金属连接板10与水冷或气冷衬垫15反面焊缝成型槽31对正；b)通过金属连接板10上端的长形通槽14a，上移金属固定板3后，分别将已套装好压力弹簧(5a、5b)的导向轮机构18b和两个滚动支撑轮机构18a中的三个支撑轴(4b、4a)垂直置于被焊金属13板面上；并将导向轮机构18b中的金属导向轮16的两端面的斜面(16a、16b)与被焊金属焊缝26的棱边相接触；c)预加压力，分别将支撑轴上的三个压力弹簧(5a、5b)压紧，然后调整好固定金属板3的位置后，拧紧金属连接板10侧面上的四个螺栓14；d)通过导向螺钉(2a、2b)将滚动支撑轮机构18a中的支撑轴4a进行径相定位；e)将焊具7、送丝机构的送丝导向管8对准焊缝预留间隙26的中心。
焊接中采用的填充金属，可根据具体的焊接方法有所不同使用本发明焊接装置的焊接方法实施例1使用本发明的焊接装置，利用等离子电弧能量集中，穿透力强的特点和旁送药芯焊丝，可构成一种单道不开坡口预留焊缝间隙的全熔透对接焊接方法，采用旁送药芯焊丝有三个作用(1)根据被焊金属接头强度要求，选择相应的药芯焊丝以满足其要求；(2)药芯焊丝在焊接电弧加热下熔化并在焊缝上下两侧形成保护液态金属熔池的液态熔渣；(3)避免液态金属直接与水冷铜衬垫相接触，以增加水冷铜衬垫与焊缝之间的滑动性。
使用本发明焊接装置的焊接方法实施例2使用本发明装置，采用埋弧焊接工艺方法，在不加工坡口或加工坡口预留焊缝间隙条件下进行全熔透对接焊接。
使用本发明焊接装置的焊接方法实施例3使用本发明焊接装置，采用药芯焊丝气体保护或自保护焊接工艺方法，在加工坡口预留焊缝间隙条件下进行对接焊缝封底焊。
综合以上三种焊接方法，可概括为等离子电弧旁送药芯焊丝的单道不开坡口预留焊缝间隙的全熔透对接焊接工艺方法；埋弧焊不加工坡口或加工坡口预留焊缝间隙的全熔透对接焊接工艺方法；药芯焊丝气体保护或自保护焊，加工坡口预留焊缝间隙的对接焊缝封底焊接工艺方法。
本发明的焊接装置和方法不仅适合于对接焊缝也可用于角接接头的全熔透焊接。
权利要求
1.一种无轨行走单道全熔透弧焊装置，其特征是它包括金属连接板、背衬垫、焊具、送丝机构、金属固定板、导向轮机构、两个滚动支撑轮机构和驱动机构；所述导向轮机构由支撑轴、滚动轴承、两端面设置为斜面的金属导向轮、轴承架和压力弹簧组成；所述滚动支撑轮机构由支撑轴、滚动轴承、轴承架和压力弹簧组成；所述金属连接板呈垂直位置，在其上端设置有两个长形通槽，下端设置两个通孔，且金属连接板的上端与金属固定板连接，下端与背衬垫连接，所述连接为螺钉连接；所述金属固定板为水平位置，在它的上面设置有五个垂直的通孔，所述焊具、导向轮机构的支撑轴、两个滚动支撑轮机构的支撑轴和送丝导管分别从通孔穿过；所述导向轮机构的支撑轴的下端设置有轴承架，所述轴承架上设置有滚动轴承，滚动轴承位于所述金属导向轮的内部，压力弹簧套在支撑轴上且位于轴承架和金属固定板之间；所述滚动支撑轮机构的支撑轴的下端设置有轴承架，所述轴承架上设置有滚动轴承，压力弹簧套在支撑轴上且位于轴承架和金属固定板之间，支撑轴与金属固定板之间采用螺钉径向定位。
2.根据权利要求1所述的无轨行走单道全熔透弧焊装置，其特征是所述背衬垫为水冷式或气冷式结构。
3.根据权利要求2所述的无轨行走单道全熔透弧焊装置，其特征是所述水冷衬垫的内部设置有冷却水道、进出水接口和反面焊缝成型槽结构。
4.根据权利要求2所述的无轨行走单道全熔透弧焊装置，其特征是所述气冷衬垫的内部设置有冷却腔、进气接口，在与反面焊缝接触面上设置有出气槽，出气小孔和成型槽结构。
5.根据权利要求1所述的无轨行走单道全熔透弧焊装置，其特征是所述驱动机构采用电动或手动卷扬机结构。
6.根据权利要求1所述的无轨行走单道全熔透弧焊装置，其特征是所述驱动机构采用自动或手动驱动小车，所述驱动小车由驱动电机或手摇柄、齿轮减速机构、金属轮和车架构成。
7.一种无轨行走单道全熔透弧焊方法，其特征是包括以下步骤(1)将被焊金属进行焊接前的装配，即预留焊缝间隙作好点固；(2)将无轨行走单道全熔透弧焊装置与被焊金属进行装配；(3)连接焊接电源，备好填充金属/填充金属和焊剂，进行焊接。
8.根据权利要求7所述的无轨行走单道全熔透弧焊方法，其特征是所述步骤(2)包括如下子步骤a)将金属连接板插入预留的焊缝间隙垂直定位，其下端通过螺栓与位于被焊金属下面的水冷或气冷衬垫连接，上端通过螺栓与水平位置的金属固定板连接，金属连接板与水冷或气冷衬垫反面焊缝成型槽对正；b)通过金属连接板上端的长形通槽，上移金属固定板后，分别将已套装好压力弹簧的导向轮机构和两个滚动支撑轮机构中的三个支撑轴垂直置于被焊金属板面上；并将导向轮机构中的金属导向轮两端面的斜面与被焊金属焊缝的棱边相接触；c)预加压力，分别将支撑轴上的三个压力弹簧压紧，然后调整好固定金属板的位置后，拧紧金属连接板侧面上的螺栓；d)通过导向螺钉将滚动支撑轮机构中的支撑轴进行径相定位；e)将焊具、送丝机构的导向管对准焊缝预留间隙的中心。
9.根据权利要求7所述的无轨行走单道全熔透弧焊方法，其特征是所述无轨行走单道全熔透弧焊装置与被焊金属装配时，还有以下两种情形之一(1)若无轨行走单道全熔透弧焊装置中的驱动机构采用驱动小车结构，则位于驱动小车前方的导向轮与被焊金属焊缝的预留间隙对准，焊具装配在驱动小车上；或(2)若无轨行走单道全熔透弧焊装置中的驱动机构采用卷扬机结构，则将卷扬机固定在被焊金属结构件的焊缝末端处，卷扬机的钢绳那一端与所述无轨行走单道全熔透弧焊装置固定。
10.根据权利要求7所述的无轨行走单道全熔透弧焊方法，其特征是所述填充金属采用旁送药芯焊丝。
全文摘要
本发明公开了一种无轨行走单道全熔透弧焊装置和方法。该装置包括金属连接板、背衬垫、焊丝、焊具、金属固定板、导向轮机构、两个滚动支撑轮机构和驱动机构,金属连接板垂直置于被焊金属的预留焊缝间隙中,在所述的滚动支撑轮机构和导向轮机构的支撑轴上分别套装有三个压力弹簧,通过这些弹簧的作用将被焊金属与背衬垫紧密接触;使用该装置的焊接方法是:预留焊缝间隙作好点固后,将被焊金属与该装置进行装配,然后可采用等离子焊和气保焊等方法进行焊接;本发明适合于大型金属中板结构件的自动化单道焊接或手工单道焊接,其跟踪技术简单可靠,容易操作,所焊焊缝质量高,成型好,结构件整体变形小,大大地降低了大型金属结构件焊接设备的成本。
文档编号B23K9/12GK1367061SQ01141660
公开日2002年9月4日 申请日期2001年10月8日 优先权日2001年10月8日
发明者张绍彬, 孙栋, 张俊龙 申请人:张绍彬