一种钛合金高效精密焊接对口装置发明专利

专利名称：一种钛合金高效精密焊接对口装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410902384.X

专利申请（专利权）人：重庆科技大学
权利人地址：重庆市沙坪坝区大学城东路20号

专利发明（设计）人：尹立孟,方乃文,陈玉华,张宇鹏,王刚,王善林,张鹤鹤,冯伟,柴森森,张丽萍

专利摘要：本发明公开了一种钛合金高效精密焊接对口装置，在工件装配机构外围设置有丝杠升降机，丝杠升降机的升降部件顶部设置有锥形体，锥形体的最大外径大于弯头工件内腔直径，锥形体长度不大于弯头工件的中心至断面尺寸且不小于10cm，锥形体能够竖向自下往上插入弯头工件内腔并用于支撑弯头工件，当丝杠升降机驱动锥形体上升至目标位置后，工件装配机构上的管道工件刚好对准弯头工件。本发明不仅适用于对薄壁钛合金管段‑弯头进行对口，以及适用于厚大型的钛合金管段‑弯头对口，而且便于管工顺利、精准且快速进行对口，更重要的是显著提高了厚大型钛合金管段‑弯头的焊缝对口的一次性合格率。

主权利要求：
1.一种钛合金高效精密焊接对口装置，包括机器人及搭配在机器人上的焊接设备，在机器人附近设置有工件装配机构（1），其特征在于：在工件装配机构（1）外围设置有丝杠升降机（2），丝杠升降机（2）的升降部件顶部设置有锥形体（3），锥形体（3）的最大外径大于弯头工件（12）内腔直径，锥形体（3）长度不大于弯头工件（12）的中心至断面尺寸且不小于
10cm，锥形体（3）能够竖向插入弯头工件（12）内腔并用于支撑弯头工件（12），当丝杠升降机（2）驱动锥形体（3）上升至目标位置后，工件装配机构（1）上的管道工件（13）刚好对准弯头工件（12）；弯头工件（12）为90°弯头；
在锥形体（3）上径向设置有条形孔（10），锥形体（3）下部呈空腔结构，在锥形体（3）下部的空腔内设置有第三升降机构（15），第三升降机构（15）的升降杆顶部铰接连接活动杆（6），铰接部位中心位于锥形体（3）轴线上，活动杆（6）长度大于锥形体（3）下部直径，在位于锥形体（3）外部的活动杆（6）上竖向设置有两个相互平行的测距传感器（7），当活动杆（6）处于水平状态且贴靠在弯头工件（12）下端时，两个测距传感器（7）感应到的距离值相同。
2.根据权利要求1所述的焊接对口装置，其特征在于：在丝杠升降机（2）侧方设置有第二升降机构（9），第二升降机构（9）具有水平悬臂杆（4），在水平悬臂杆（4）上设置有坡口对准限位组件（5），坡口对准限位组件（5）用于同时卡紧管道工件（13）和弯头工件（12）。
3.根据权利要求2所述的焊接对口装置，其特征在于：坡口对准限位组件（5）采用V形定位支架，当V形定位支架贴靠在管道工件（13）和弯头工件（12）上时，管道工件（13）刚好对准弯头工件（12）且均被限位；在弯头工件（12）的水平段正下方设置有第四升降机构（8），第四升降机构（8）的升降杆顶部设置有V形支撑件（17），V形支撑件（17）用于径向限位弯头工件（12）的水平段。
4.根据权利要求3所述的焊接对口装置，其特征在于：锥形体（3）通过轴承（14）连接在丝杠升降机（2）的升降部件顶部。
5.根据权利要求4所述的焊接对口装置，其特征在于：测距传感器（7）、丝杠升降机（2）、第二升降机构（9）、第三升降机构（15）、第四升降机构（8）的驱动系统分别连接控制系统，控制系统的处理器执行程序时至少能够实现以下功能/步骤：S1，当管道工件（13）就位且弯头工件（12）插入锥形体（3）上之后，控制第三升降机构（15）运行，使活动杆（6）上升并贴靠弯头工件（12）下端，然后读取两个测距传感器（7）反馈距离值一；
S2，判别两个距离值一是否相同，若两个距离值一相同则进行S2；若两个距离值一不相同则输出“请调整弯头工件（12）姿态”的信息，并在调整弯头工件（12）姿态后按照S1再次进行检测，直到两个测距传感器（7）反馈距离值一相同后进行S2；
S3，控制第三升降机构（15）复位；
S4，先控制第二升降机构（9）运行，使锥形体（3）上升至第二目标高度后停止；然后控制第四升降机构（8）运行，使V形支撑件（17）上升至第一目标高度后停止；
S5，控制丝杠升降机（2）运行，使V形定位支架（11）同时压紧在坡口附近区域的管道工件（13）和弯头工件（12）上；
S6，控制机器人及其焊接设备工作，在坡口处实施点焊；
S7，再次控制第三升降机构（15）运行，使活动杆（6）上升并贴靠弯头工件（12）下端，然后读取两个测距传感器（7）反馈距离值二；
S8，判别两个距离值二是否相同，若两个距离值二相同则对口结束；若两个距离值二不相同则输出“请再次调整弯头工件（12）姿态或重新实施点焊”的信息，并在调整弯头工件（12）姿态或重新实施点焊后再次进行检测，直到两个测距传感器（7）反馈距离值二相同；
S9，控制丝杠升降机（2）、第二升降机构（9）、第三升降机构（15）复位。
6.根据权利要求5所述的焊接对口装置，其特征在于：V形定位支架压紧弯头工件（12）的长度为10 20mm。
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7.根据权利要求6所述的焊接对口装置，其特征在于：活动杆（6）采用方管。
8.根据权利要求7所述的焊接对口装置，其特征在于：当锥形体（3）上升至目标高度后，条形孔（10）的顶点高于弯头工件（12）下端。 说明书 : 一种钛合金高效精密焊接对口装置技术领域[0001] 本发明属于钛合金焊接设备技术领域，具体涉及一种钛合金高效精密焊接对口（或焊缝对口）装置。背景技术[0002] 钛合金具有高强度、低密度、以及极好的耐热和耐腐蚀能力，广泛应用于航空航天、汽车、医疗设备等领域。随着高端装备的发展，越来越多的装备上需要使用钛合金管，而钛合金管道焊接前，需要借助于焊缝对口装置进行精准、细致的对口，以便于能够顺利、高质量的进行焊接。[0003] 现有技术中，文献CN113927196B公开了一种基于视觉定位的管道内焊弯头对口器及对口方法，运动控制机构用以将对口器运送至管道和弯头的对口处，管道弯头对口机构用以对管道和弯头的对口间隙进行图像采集及分析，并根据分析结果对管道和弯头的对口间隙处进行涨紧及焊接，柔性偏转机构连接于运动控制机构和管道弯头对口机构之间。然而，该设备必须借助于高精密的机器视觉终端和涨紧机构才能实现对口，不仅所需设施成本高昂，相应的零部件高达约三万元，而且结构复杂。而且，如前所述装置很容易坏掉，只有采用结构简单且使用寿命长的装置才更实用。[0004] 此外，文献CN106141531B公开了弯头组对专用内对口器，包括管道组对内对口器，在该管道组对内对口器的第一支撑盘上定位连接有一后部支撑行走装置，在该管道组对内对口器的第二支撑盘上还定位连接有一前部支撑转动装置，在该管道组对内对口器处于自然状态下，该前部支撑转动装置能够带动该管道组对内对口器在待对口管件内实现轴向移动及径向转动，便于管道组对内对口器在管件内的位置调整，组对点焊完成后，通过人工手动或电动施力于该后部支撑行走装置，进而将该管道组对内对口器从弯头侧拉出。该方案本质上也属于利用张紧机构的涨紧来实现对口操作，依然存在结构复杂、对荷载要求高的问题。[0005] 前述对口装置更适合应用于薄壁管（壁厚不大于10mm）或直径不大于DN200mm钛合金管段‑管件/管段进行对口，在实际操作过程中，针对厚大型（管径不小于DN200mm、壁厚不小于12mm）的钛合金管段‑弯头对口时，因弯头和管件重量相对较大，如何顺利、精准且快速进行对口是技术人员比较棘手的问题。更关键的是，钛合金焊缝对口的一次性合格率直接关系到焊接进度，目前采用常规对口方式（抱箍式对口器或涨紧式对口器）通常只有不到百分之五十的一次性对口合格率（一次性对口合格是指点焊过程中无需进行工件姿态调整的情况），针对不合格的对口必须要切除焊点或者调整工件姿态并二次对口，非常麻烦，而如何提高厚大型钛合金管段‑弯头对口的一次性合格率是当前面临的技术难题。发明内容[0006] 至少针对背景技术中提到的问题，本发明目的在于提供一种钛合金高效精密焊接对口装置。[0007] 一种钛合金高效精密焊接对口装置，包括机器人及搭配在机器人上的焊接设备，在机器人附近设置有工件装配机构，在工件装配机构外围设置有丝杠升降机，丝杠升降机的升降部件顶部设置有锥形体，锥形体的最大外径大于弯头工件内腔直径，锥形体长度不大于弯头工件的中心至断面尺寸且不小于10cm，锥形体能够竖向自下往上插入弯头工件内腔并用于支撑弯头工件，当丝杠升降机驱动锥形体上升至目标位置后，工件装配机构上的管道工件刚好对准弯头工件。本发明中，钛合金管段简称管道工件，钛合金弯头简称弯头工件。[0008] 进一步地，在丝杠升降机侧方设置有第二升降机构，第二升降机构具有水平悬臂杆，在水平悬臂杆上设置有坡口对准限位组件，坡口对准限位组件用于同时卡紧管道工件和弯头工件。[0009] 进一步地，坡口对准限位组件采用V形定位支架，当V形定位支架贴靠在管道工件和弯头工件上时，管道工件刚好对准弯头工件且均被限位；在弯头工件的水平段正下方设置有第四升降机构，第四升降机构的升降杆顶部设置有V形支撑件，V形支撑件仅用于径向限位弯头工件的水平段。[0010] 进一步地，锥形体通过轴承连接在升降部件顶部。[0011] 为了进一步提高厚大型钛合金管段‑弯头对口的一次性合格率，在锥形体上径向设置有条形孔，锥形体下部呈空腔结构，在锥形体下部的空腔内设置有第三升降机构，第三升降机构的升降杆顶部铰接连接活动杆，铰接部位中心位于锥形体轴线上，活动杆长度大于锥形体下部直径，在位于锥形体外部的活动杆上竖向设置有两个相互平行的测距传感器，当活动杆处于水平状态且贴靠在弯头工件下端时，两个测距传感器感应到的距离值相同。[0012] 本发明中，测距传感器、丝杠升降机、第二升降机构、第三升降机构、第四升降机构的驱动系统分别连接控制系统，控制系统的处理器执行程序时至少能够实现以下功能/步骤：[0013] S1，当管道工件就位且弯头工件插入锥形体上之后，控制第三升降机构运行，使活动杆上升并贴靠弯头工件下端，然后读取两个测距传感器反馈距离值一；[0014] S2，判别两个距离值一是否相同，若两个距离值一相同则进行S2；若两个距离值一不相同则输出“请调整弯头工件姿态”的信息，并在调整弯头工件姿态后按照S1再次进行检测，直到两个测距传感器反馈距离值一相同后进行S2；[0015] S3，控制第三升降机构复位；[0016] S4，先控制第二升降机构运行，使锥形体上升至第二目标高度后停止；然后控制第四升降机构运行，使V形支撑件上升至第一目标高度后停止，此时的V形支撑件基本不受弯头工件的荷载；[0017] S5，控制丝杠升降机运行，使V形定位支架同时压靠在坡口附近区域的管道工件和弯头工件上；[0018] S6，控制机器人及其焊接设备工作，在坡口处实施点焊；[0019] S7，再次控制第三升降机构运行，使活动杆上升并贴靠弯头工件下端，然后读取两个测距传感器反馈距离值二；[0020] S8，判别两个距离值二是否相同，若两个距离值二相同则对口结束；若两个距离值二不相同则输出“请再次调整弯头工件姿态或重新实施点焊”的信息，并在调整弯头工件姿态或重新实施点焊后再次进行检测，直到两个测距传感器反馈距离值二相同；[0021] S9，控制丝杠升降机、第二升降机构、第三升降机构复位。[0022] 作为优选方案，V形定位支架压紧弯头工件的长度为10 20mm。~[0023] 作为优选方案，活动杆采用方管。[0024] 本发明中，当锥形体上升至目标高度后，条形孔顶点高于弯头工件下端。[0025] 作为优选方案，弯头工件为90°弯头。[0026] 有益效果：本发明不仅适用于对钛合金薄壁管段‑弯头进行对口，以及适用于厚大型的钛合金管段‑弯头对口，而且便于管工顺利、精准且快速进行对口，更重要的是显著提高了厚大型钛合金管段‑弯头的焊缝对口的一次性合格率，可达到百分之九十以上的一次性对口合格率；采用本发明中焊缝对口装置进行对口的过程中，焊点（点焊熔接点）和坡口对准限位组件均不承受管段和弯头的荷载（重力），巧妙的将弯头自身的重力转变成了有利于对口的作用力，能够自适应消除点焊过程中产生的应力，能够有效防止弯头扭曲，有效地保证了钛合金焊缝的精密对口，并借助于前述特定结构的活动杆及其动作方式共同实现了点焊前和点焊后的快速、准确、灵活检测，进一步提高了厚大型钛合金管段‑弯头对口的一次性合格率。附图说明[0027] 图1为实施例1中焊接装备总体结构示意图；[0028] 图2为实施例1中焊接装备的焊接对口装置示意图；[0029] 图3为实施例1中焊接对口装置的锥形体所在部位示意图；[0030] 图4为实施例1中焊接对口装置在初始状态下的剖面示意图；[0031] 图5为实施例1中焊接对口装置在使用状态下的剖面示意图。具体实施方式[0032] 下面通过具体实施方式对本发明的技术方案进一步详细说明。实施例1[0033] 本实施例中，焊接装备具体结构沿用前期开发的管道机器人自动焊接装置（CN118023834A），不再赘述，本例中的焊缝对口装置属于该装置的配套装置和新应用场景，使用时安装在机器人附近且位于环形轨道之外。[0034] 本实施例中钛合金高效精密焊接对口装置如图1至图5所示，包括机器人及搭配在机器人上的焊接设备，在机器人附近设置有工件装配机构1，在工件装配机构1外围设置有丝杠升降机2，丝杠升降机2的升降部件顶部设置有锥形体3，锥形体3的最大外径大于弯头工件12（本发明中的弯头工件12是指90°弯头）内腔直径，锥形体3长度不大于弯头工件12的中心至断面尺寸且不小于10cm，锥形体3能够竖向插入弯头工件12内腔并用于支撑弯头工件12，当丝杠升降机2驱动锥形体3上升至目标位置后，工件装配机构1上的管道工件13刚好对准弯头工件12。其中，锥形体3通过轴承14连接在丝杠升降机2的升降部件顶部，锥形体3采用壁厚为25mm的管段和同心异径管焊接而成或者采用铸造的管件。[0035] 本实施例中，在丝杠升降机2侧方设置有第二升降机构9，第二升降机构9具有水平悬臂杆4，在水平悬臂杆4上设置有坡口对准限位组件5，坡口对准限位组件5用于同时卡紧管道工件13和弯头工件12。坡口对准限位组件5采用两个间隔布置的V形定位支架，当V形定位支架贴靠在管道工件13和弯头工件12上时，管道工件13刚好对准弯头工件12且均被限位；在弯头工件12的水平段正下方设置有第四升降机构8，第四升降机构8的升降杆顶部设置有V形支撑件17，V形支撑件17仅用于支撑弯头工件12的水平段，两个V形定位支架之间的间距为20cm，以便于焊枪能够灵活进出，且V形定位支架11压紧弯头工件12的长度为10~20mm该长度不能超过20mm，V形支撑件17的壁厚为15mm，最优为15mm，否则会导致V形定位支架11悬空。[0036] 本实施例中，在锥形体3上径向设置有条形孔10，锥形体3下部呈空腔结构，在锥形体3下部的空腔内设置有第三升降机构15，第三升降机构15的升降杆顶部铰接连接活动杆6，活动杆6采用方管,铰接部位中心位于锥形体3轴线上，活动杆6长度大于锥形体3下部直径，在位于锥形体3外部的活动杆6上竖向设置有两个相互平行的测距传感器7，当活动杆6处于水平状态且贴靠在弯头工件12下端时，两个测距传感器7感应到的距离值（H）相同。[0037] 本实施例中，前述特定结构的锥形体3、第三升降机构15、活动杆6、测距传感器7的相互配合非常关键，使用时，由于活动杆6铰接连接在第三升降机构15的升降杆顶部，使得活动杆6能够在水平状态和倾斜状态下自适应变化（类似于跷跷板的原理），从而能够确保活动杆6顺利灵活地贴靠弯头工件12下端，那么：将弯头工件12套在锥形体3后，如果弯头工件12下端面是水平的，活动杆6贴靠在弯头工件12下端时，活动杆6也会是水平的，两个测距传感器7感应到的距离值就相同；将弯头工件12套在锥形体3后，如果弯头工件12下端面是倾斜的（相对于水平面），活动杆6贴靠在弯头工件12下端时，活动杆6也会是倾斜的，两个测距传感器7感应到的距离值就不相同。同理，在实施单个或多个点焊完成后，依然可以通过这一原理来判别弯头工件12下端面是否水平，如果为非水平状态，表示弯头工件12与管道工件13的对口不合格，需要及时调整。[0038] 本实施例中，进行对口的过程中，焊点（点焊熔接点）和坡口对准限位组件5均不承受管段和弯头的荷载（重力），巧妙的将弯头自身的重力转变成了有利于对口的作用力，弯头工件12的重力主要由丝杠升降机和锥形体承载，坡口对准限位组件5和V形支撑件17主要作用是限制点焊过程中的变形，坡口对准限位组件5只需要在竖直方向给工件施加压力，并利用锥形体3、V形支撑件17和坡口对准限位组件5共同实现对工件的全方位限位。而在传统的对口方式中，弯头工件12通常是卧式布置（弯头工件12的两个端面均竖直）或者仰式布置（弯头工件12的其中一个端面竖直，另一个端面水平，且端面水平的部位朝上，这两种情况下通常需要利用焊点和坡口对准限位组件共同承受荷载。[0039] 本实施例中，测距传感器7、丝杠升降机2、第二升降机构9、第三升降机构15、第四升降机构8的驱动系统分别连接控制系统，控制系统的处理器执行程序时至少能够实现以下功能/步骤：[0040] S1，当管道工件13就位（管道工件13就位为现有技术，利用机器人自动焊接装备的夹持部和V形支撑部对管道进行支撑定位）且弯头工件12插入锥形体3上之后，控制第三升降机构15运行，使活动杆6上升并贴靠弯头工件12下端，然后读取两个测距传感器7反馈距离值一；[0041] S2，判别两个距离值一是否相同，若两个距离值一相同则进行S2；若两个距离值一不相同则输出“请调整弯头工件12姿态”的信息，并在调整弯头工件12姿态后按照S1再次进行检测，直到两个测距传感器7反馈距离值一相同后进行S2；[0042] S3，控制第三升降机构15复位；[0043] S4，先控制第二升降机构9运行，使锥形体3上升至第二目标高度后停止，当锥形体3上升至目标高度后，条形孔10的顶点高于弯头工件12下端；然后控制第四升降机构8运行，使V形支撑件17上升至第一目标高度后停止，此时的V形支撑件17与V形支撑部齐平；[0044] S5，控制丝杠升降机2运行，使V形定位支架11同时压紧在坡口附近区域的管道工件13和弯头工件12上；[0045] S6，控制机器人及其焊接设备工作，在坡口处实施点焊；[0046] S7，再次控制第三升降机构15运行，使活动杆6上升并贴靠弯头工件12下端，然后读取两个测距传感器7反馈距离值二；[0047] S8，判别两个距离值二是否相同，若两个距离值二相同则对口结束；若两个距离值二不相同则输出“请再次调整弯头工件12姿态或重新实施点焊”的信息，并在调整弯头工件12姿态或重新实施点焊后再次进行检测，直到两个测距传感器7反馈距离值二相同；[0048] S9，控制丝杠升降机2、第二升降机构9、第三升降机构15、第四升降机构8复位。[0049] 本方案中，还能够自适应消除点焊过程中产生的应力，因为锥形体3是可转动的，当V形定位支架11压紧弯头工件12后，弯头工件12能够在很小的范围内顺时针偏转，也能够在很小的范围内逆时针偏转，对坡口侧方且相互对称的部位进行点焊时，即可利用这种可偏转的幅度自行消除点焊过程中产生的应力，能够有效防止弯头扭曲，有效地保证了钛合金焊缝的精密对口，并借助于前述特定结构的活动杆及其动作方式共同实现了点焊前和点焊后的快速、准确、灵活检测，进一步提高了厚大型钛合金管段‑弯头对口的一次性合格率。以DN250mm*12mm（壁厚）*6m（长）的钛合金管段+弯头进行对口为例，管段的坡口均为出厂时已加工好的标准坡口，采用本实施例中的方案，所对口的11道焊缝中，对口一次性合格的有10道焊缝，且一道焊缝对口平均只需要耗时约五分钟，而采用常用的抱箍式管夹对口器进行对口的10道焊缝中，对口一次性合格的仅有3道焊缝，大多数焊缝对口过程中均需要在点焊一个部位后先修正（调整弯头姿态）然后继续点焊，一道焊缝对口平均需要耗时约十七分钟。此外，本发明方案也可用于碳钢管和其它合金管的焊缝对口。

专利地区：重庆

专利申请日期：2024-07-06

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118720488B