应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法技术

本发明专利技术提供了一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法，方法包括：S1、提供若干段拼接在一起Invar钢模具，Invar钢模具在焊缝边缘上表面有凸台；S2、在Invar钢模具的背面的焊缝处粘贴U形陶瓷衬垫；S3、采用K‑TIG深熔焊工艺对焊缝进行一次性焊透；在焊接过程中，对当前K‑TIG焊枪的焊接轨迹以及焊接角度进行实时修正；S4、焊接完成后，揭掉U形陶瓷衬垫，并对焊缝上表面进行打磨。本发明专利技术可以实现大尺寸分段加工模具型面的一次性连续焊接成形，有效的提高了焊接效率和焊接质量。

Automatic Welding Equipment and Welding Method for Large Size Invar Steel Mould

【技术实现步骤摘要】
应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法
本专利技术涉及模具制造，尤其是应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备以及焊接方法。
技术介绍
由于复合材料具有高比刚度、高比强度、重量轻以及抗疲劳、耐腐蚀等优点在飞机结构件制造得到越来越多地应用，且零件尺寸也越来越大越长，如A350飞机机翼壁板使用全复材结构，单侧机翼长度近30米。随着飞机上使用复合材料零件的数量和尺寸规格的增大，对制备复合材料的成型模具提出了更高的要求：良好的成形和尺寸稳定性，结构重量轻，低的热膨胀系数，模具表面气密性良好，热循环服役条件下长寿命等。综合考虑目前最适合的复合材料成型模具材料是Invar钢合金，该模具一般采用框架式结构焊接制造，其中型面厚度约8mm-12mm厚。大型客机机身或机翼壁板成型用Invar钢(殷瓦合金，也称为殷钢)模具尺寸过大，一方面对模具装夹定位及加工设备要求过高，另一方面，运输难度及运输成本过大，因此最合适的方法是对模具进行分段加工后运输到客户现场焊接拼装，要求焊缝具有良好的气密性以及较低的焊接变形以免影响整体模具的尺寸精度。目前，常规的氩弧焊和气体保护焊接方法加工存在模具型面较厚需要填丝多层多道焊，焊接效率低，焊接需要控制层间温度等待时间长，焊接变形大需要焊后进行热处理，且手工焊接时易出现气孔缺陷等问题。另外，由于该大型模具需要在客户现场进行焊接拼装，因此对焊接装备要求具有一定的可移动性，而大功率的电子束焊接和激光焊接装备无法满足要求。为解决上述问题，必须研发新的焊接方法以及相应的焊接装备，可以实现分段模具单次单道自熔化焊接需要，在满足整体模具的气密性和尺寸精度要求前提下，提高焊接效率和降低焊接成本。
技术实现思路
本专利技术提供了一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，所述Invar钢模具的表面为弧面，所述自动焊接装备包括：移动支架，移动支架安装在Invar钢模具的上表面或者安装在Invar钢模具一侧的地面上，该移动支架与Invar钢模具中的焊缝平行设置；行走机构，所述行走机构滑动安装在所述移动支架上；焊接设备主体，所述焊接设备主体固定在所述行走机构上，该焊接设备主体设置有一万向吊臂，在所述万向吊臂的末端且位于所述焊缝的正上方设置有视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG(KeyholeTIG)焊枪，所述K-TIG焊枪安装在焊接头调节机构上；控制装置，所述控制装置与行走机构、视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG焊枪相连。进一步的，位置角度传感器设置有两个测距激光头，该两个测距激光头用于同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面；K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方。进一步的，所述控制装置搭载有修正系统，所述修正系统与视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构相连。同时本专利技术还提供了一种大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，包括如下步骤：S1、提供若干段拼接在一起的弧面大尺寸Invar钢模具，所述Invar钢模具在靠近拼接处焊缝的边缘上表面有凸台；S2、在Invar钢模具的背面的焊缝处粘贴U形陶瓷衬垫，所述焊缝位于U形陶瓷衬垫的中心；S3、采用K-TIG深熔焊工艺对焊缝进行一次性焊透；在焊接过程中，实时采集焊缝的图像并进行图像处理后生成前方未焊接焊缝的轨迹，根据轨迹对当前K-TIG焊枪的焊接轨迹进行实时修正，以及，通过位置角度传感器测算出当前K-TIG焊枪与Invar钢模具上表面之间的夹角，根据当前夹角来对K-TIG焊枪的焊接角度进行实时修正；S4、焊接完成后，揭掉U形陶瓷衬垫，并对焊缝上表面进行打磨以磨掉凸台等多余材料，使得Invar钢模具的焊接面趋于平整。进一步的，待焊接的Invar钢模具厚度为8mm-12mm。进一步的，在步骤S1中，所述凸台一体加工在所述Invar钢模具边缘。进一步的，凸台的宽度为4-6mm、高度为1mm-2mm。进一步的，步骤S3中，通过位置角度传感器测算出当前K-TIG焊枪与Invar钢模具上表面之间的夹角步骤包括：利用两个测距激光头同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面，两束激光接触工件后分别计算两个测距激光头与对应Invar钢模具上表面的激光照射点之间的距离a和b，根据夹角α以及a、b距离利用余弦定理计算第一激光束与Invar钢模具表面之间的夹角β；其中，K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方。本专利技术具有的优点和有益效果：1)模具在现场组装焊接，便于加工制造，同时降低了运输成本；2)焊接装置可拆装，便于维护及运输；3)可以实现大尺寸分段加工模具型面的一次性连续焊接成形，有效的提高了焊接效率和焊接质量；4)通过焊缝跟踪器以及焊枪位置传感器可以实现焊缝的准确定位、焊接过程钨极跟零件距离和焊接角度的精确控制；5)使用K-TIG匙孔深熔焊方法，不需要添加焊丝，焊接过程控制更为稳定；6)模具表面增加凸台，避免焊接焊缝表面塌陷需要填丝补焊增加了工序，而仅需铣切或打磨去除凸台；7)焊接热输入小，避免模具拼接变形，无需后续热处理。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术提供的一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备的部件连接图；图2为位置角度传感器的工作原理图；图3为当前采用K-TIG深熔焊工艺焊接完成后的截面图；图4-6为采用本专利技术的焊接方法流程图；图7为采用本专利技术提供的焊接方法的Invar钢焊缝金相图。图8为采用本专利技术提供的焊接方法的焊缝断口扫描图。具体实施方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本专利技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本专利技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本专利技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了彻底理解本专利技术，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本专利技术的技术方案。本专利技术的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本专利技术还可以具有其他实施方式。如图1所示，本专利技术提供了一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，所述Invar钢模具的表面为弧面，所述自动焊接装备包括：移动支架，移动支架安装在Invar钢模具的上表面或者安装在Invar钢模具一侧的地面上，该移动支架与Invar钢模具中的焊缝平行设置；行走机构20，所述行走机构20滑动安装在所述移动支架上；焊接设备主体，所述焊接设备主体固定在所述行走机构20上，该焊接设备主体设置有一万向吊臂，在所述万向吊臂的末端且位于所述焊缝的正上方设置有视觉检测装置30、位置角度传感器40、焊接头调节机构50、K-TIG焊枪60，所述K-TIG焊枪60安装在焊接头调节机构50上；控制装置10，所述控制装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，所述Invar钢模具的表面为弧面，其特征在于，所述自动焊接装备包括：移动支架，移动支架安装在Invar钢模具的上表面或者安装在Invar钢模具一侧的地面上，该移动支架与Invar钢模具中的焊缝平行设置；行走机构，所述行走机构滑动安装在所述移动支架上；焊接设备主体，所述焊接设备主体固定在所述行走机构上，该焊接设备主体设置有一万向吊臂，在所述万向吊臂的末端且位于所述焊缝的正上方，设置有视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K‑TIG焊枪，所述K‑TIG焊枪安装在焊接头调节机构上；控制装置，所述控制装置与行走机构、视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K‑TIG焊枪相连。

【技术特征摘要】
1.一种应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，所述Invar钢模具的表面为弧面，其特征在于，所述自动焊接装备包括：移动支架，移动支架安装在Invar钢模具的上表面或者安装在Invar钢模具一侧的地面上，该移动支架与Invar钢模具中的焊缝平行设置；行走机构，所述行走机构滑动安装在所述移动支架上；焊接设备主体，所述焊接设备主体固定在所述行走机构上，该焊接设备主体设置有一万向吊臂，在所述万向吊臂的末端且位于所述焊缝的正上方，设置有视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG焊枪，所述K-TIG焊枪安装在焊接头调节机构上；控制装置，所述控制装置与行走机构、视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构、K-TIG焊枪相连。2.如权利要求1所述的应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，其特征在于，位置角度传感器设置有两个测距激光头，该两个测距激光头用于同时发射两束呈α夹角的激光至Invar钢模具的表面；K-TIG焊枪的焊接角度与第一激光束的发射角度一致，第二激光束在Invar钢模具的照射点在K-TIG焊枪行进方向上位于当前K-TIG焊枪焊接点的前方。3.如权利要求1所述的应用于大尺寸Invar钢模具的自动焊接装备，其特征在于，所述控制装置搭载有修正系统，所述修正系统与视觉检测装置、位置角度传感器、焊接头调节机构相连。4.一种大尺寸Invar钢模具的自动焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、提供若干段拼接在一起的弧面大尺寸Invar钢模具，所述Invar钢模具在靠近拼接处焊缝的边缘上表面有凸台；S2、在Invar钢模具的背面的焊缝处粘贴U形陶瓷衬垫，所述焊缝位于U形陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红兵，于治水，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31