CN207723674U - 一种具有纵向磁场的异种焊接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有纵向磁场的异种焊接装置，所述具有纵向磁场的异种焊接装置包括自动化机器人柔性焊接系统、纵向磁场发生装置、冷却系统，所述自动化机器人柔性焊接系统包括自动机械臂和TIG焊机，所述TIG焊机设置在所述自动机械臂上，所述纵向磁场发生装置、所述冷却系统设置在所述TIG焊机的焊枪上，所述纵向磁场发生装置包括磁头和励磁电源,所述励磁电源与所述磁头相连；所述磁头包括励磁线圈和导磁铁芯，所述导磁铁芯采用轴对称空心柱形状，所述励磁线圈绕制在所述导磁铁芯上；本实用新型所述纵向磁场可以在焊接过程中改变电弧的形态，使电弧由锥状变成旋转钟罩状增大加热区域，并且能在焊缝处产生磁搅拌加速焊接熔池流动，使晶粒细化。

Description

一种具有纵向磁场的异种焊接装置

技术领域

本实用新型涉及焊接设备领域，具体涉及一种具有纵向磁场的异种焊接装置。

背景技术

随着金属钛在地球上的储量非常丰富，具有比强度高，密度低，耐腐蚀等优点，钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好所以广泛应用于航天、船舶、石油化工、娱乐及医疗等领域。但由于钛合金昂贵的价格限制了其在很多工业领域的应用。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。由于铝合金价格便宜，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用最多的合金。

钛合金和铝合金这两种金属在比强度和耐蚀性等方面都具有各自优点，成为航空、航天领域的主要结构材料，这就使Ti/Al复合构件在航空和航天等领域有着广泛潜在的应用前景。制备钛合金与铝合金异种合金复合材料需要解决的关键问题就是钛合金与铝合金异种合金的焊接问题。因为异种合金间材料物理化学性能的差异增加了焊接的难度。特别是焊缝中容易形成脆性金属间化合物，接头强度降低。目前用于钛合金与铝合金焊接主要使用压力焊和熔化焊。钛合金与铝合金异种合金的难度远远大于同种合金焊接。想要减少金属间化合物的存在可以在借助外加磁场的条件下改变电弧形状进而改变热量的传输，而且加入磁场也会产生磁搅拌进而使金属间化合物变薄,使焊接接头强度提升。

鉴于上述缺陷，本实用新型创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本实用新型。

实用新型内容

为解决上述技术缺陷，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种具有纵向磁场的异种焊接装置，所述具有纵向磁场的异种焊接装置包括自动化机器人柔性焊接系统、纵向磁场发生装置、冷却系统，所述自动化机器人柔性焊接系统包括自动机械臂和TIG焊机，所述TIG焊机设置在所述自动机械臂上，所述纵向磁场发生装置、所述冷却系统设置在所述TIG焊机的焊枪上，所述纵向磁场发生装置包括磁头和励磁电源,所述励磁电源与所述磁头相连；所述磁头包括励磁线圈和导磁铁芯，所述导磁铁芯采用轴对称空心柱形状，所述励磁线圈绕制在所述导磁铁芯上。

较佳的，所述具有纵向磁场的异种焊接装置还包括影像数据采集分析系统，所述影像数据采集分析系统与所述自动化机器人柔性焊接系统、所述纵向磁场发生装置数据连接，所述影像数据采集分析系统用于采集焊接数据。

较佳的，所述冷却系统包括微型水泵、水箱、冷却水管和水冷组件，所述水冷组件、所述水箱、所述微型水泵通过所述冷却水管连接形成闭合的冷却循环，所述水冷组件设置在所述纵向磁场发生装置的内侧。

较佳的，所述水冷组件包括绝缘层和冷却部，所述绝缘层设置在所述纵向磁场发生装置和所述冷却部之间，所述绝缘层和所述冷却部之间设置流通通道，所述流通通道通过所述冷却水管连接至所述冷却循环内。

较佳的，所述冷却部外圆弧表面设置流动槽，所述绝缘层与所述冷却部外圆弧表面紧密贴紧，所述绝缘层将所述流动槽的敞开端密封，所述流动槽和所述绝缘层形成所述流通通道。

较佳的，所述冷却部和所述绝缘层设置为空心圆筒型，所述流动槽在所述冷却部外圆弧表面上的形状设置为蛇形曲线状。

较佳的，所述励磁线圈和所述导磁铁芯均采用Q235低碳钢材料，所述励磁线圈为直径1mm的铜漆包线绕制在所述导磁铁芯的外圆筒弧面上，所述励磁线圈的匝数为120匝，股数为8股，线圈内径为28mm，外径为40mm，高度为125mm。

较佳的，所述具有纵向磁场的异种焊接装置还包括拆卸装置，所述纵向磁场发生装置和所述冷却部通过所述拆卸装置与所述TIG焊机可拆卸式连接。

较佳的，所述具有纵向磁场的异种焊接装置还包括保护气系统，所述保护气系统与所述自动化机器人柔性焊接系统相连提供保护气，所述保护气系统的出气口位置设置在所述TIG焊机焊接位置处。

较佳的，所述影像数据采集分析系统包括电弧热量检测系统、电弧压力检测系统、电弧电流密度检测系统、数字控制系统，所述电弧热量检测系统、所述电弧压力检测系统、所述电弧电流密度检测系统与所述数字控制系统数据连接，所述数字控制系统与所述自动化机器人柔性焊接系统相连。

与现有技术比较本实用新型的有益效果在于：1，所述异种焊接装置在TIG焊接钛合金与铝合金异种合金的过程中施加纵向磁场；所述纵向磁场可以在焊接过程中改变电弧的形态，使电弧由锥状变成旋转钟罩状增大加热区域，并且能在焊缝处产生磁搅拌加速焊接熔池流动，使晶粒细化，减少金属间脆性化合物的形成，提高焊接关节处的强度和韧性；2，通过所述水冷组件在大电流焊接时保护所述励磁线圈和所述导磁铁芯，保证所述励磁线圈和所述导磁铁芯的正常散热和工作，为在有限的几何空间内实现有效的冷却保护作用。

附图说明

图1为本实用新型具有纵向磁场的异种焊接装置的功能结构图；

图2为本实用新型具有纵向磁场的异种焊接装置的工作示意图；

图3为所述TIG焊机的局部结构图；

图4为所述纵向磁场发生装置的结构正视图；

图5为所述纵向磁场发生装置的结构剖视图；

图6为所述冷却部的安装结构图；

图7为所述冷却部的结构图；

图8为所述流动槽的结构图。

图中数字表示：

1-自动化机器人柔性焊接系统；2-纵向磁场发生装置；3-影像数据采集分析系统；4-试板；5-焊丝；11-电脑控制系统；12-自动机械臂；13-TIG焊机；61-冷却水管；62-绝缘层；63-冷却部；64-流动槽；131-磁头；132-焊枪。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

图1是本实用新型具有纵向磁场的异种焊接装置的功能结构图；所述具有纵向磁场的异种焊接装置包括自动化机器人柔性焊接系统1、纵向磁场发生装置2、影像数据采集分析系统3。所述影像数据采集分析系统3与所述自动化机器人柔性焊接系统1、所述纵向磁场发生装置2数据连接。所述自动化机器人柔性焊接系统1包括电脑控制系统11、自动机械臂12和TIG焊机13，所述TIG焊机13设置在所述自动机械臂12上，所述电脑控制系统11与TIG焊机13和自动机械臂12数据连接；所述纵向磁场发生装置2设置在所述TIG焊机13的焊枪132上；所述影像数据采集分析系统3观察所述自动化机器人柔性焊接系统1焊接过程中的电弧形态和熔滴过渡情况，并根据设定程序控制所述自动机械臂12带动所述TIG焊机13的焊枪132融化焊丝5进行铝合金与钛合金试板4的异种TIG焊接操作。

所述纵向磁场发生装置2在TIG焊接钛合金与铝合金异种合金的过程中施加纵向磁场；所述纵向磁场可以在焊接过程中改变电弧的形态，使电弧由锥状变成旋转钟罩状增大加热区域，并且能在焊缝处产生磁搅拌加速焊接熔池流动，使晶粒细化，减少金属间脆性化合物的形成，提高焊接关节处的强度和韧性；同时所述励磁线圈产生的纵向磁场可控制焊接电弧的周期性的旋转运动、焊丝熔化、焊丝末端熔滴的形成与脱离、液流束的运动状态等，形成熔滴周期性、稳定的旋转射流过渡状态。

实施例二

所述纵向磁场发生装置2包括磁头131和励磁电源。所述励磁电源与所述磁头131相连，所述励磁电源为所述磁头131提供励磁电流。所述励磁电源采用两套数字电源，可以产生无级连续可调的恒定励磁电流和时变励磁电流(如间歇交变双向脉冲电流，其断通比和幅值均可调节)。所述磁头131包括励磁线圈和导磁铁芯，所述导磁铁芯采用轴对称空心柱形状，所述励磁线圈绕制在所述导磁铁芯上；较佳的，所述励磁线圈和所述导磁铁芯均采用Q235低碳钢材料，所述励磁线圈为直径1mm的铜漆包线绕制在所述导磁铁芯的外圆筒弧面上，所述励磁线圈的匝数为120匝，股数为8股，线圈内径为28mm，外径为40mm，高度为125mm。绕制所述励磁线圈时要保证一匝一匝紧密挨连，线匝在径向和轴向均匀缠绕，呈同轴形回路。

所述磁头131通过拆卸装置固定于所述焊枪132上，且与所述焊枪132同轴。在所述磁头131的端部设有与所述焊枪132相连的拆卸装置，所述拆卸装置将所述磁头131固定在所述焊枪132喷嘴上，所述拆卸装置具有调节功能，使所述磁头131与所述焊枪132喷嘴的相对位置可调节，所述磁头131端口和待焊接件之间具有一定距离的自由调节度。

实施例三

实施例三在实施例二的基础上进行进一步改进，改进之处在于所述异种焊接装置还包括冷却系统，所述冷却系统包括微型水泵、水箱、冷却水管61和水冷组件。所述水冷组件、所述水箱、所述微型水泵通过所述冷却水管61连接形成闭合的冷却循环。所述水冷组件设置在所述导磁铁芯的内侧。所述微型水泵提供动力保证所述水箱中的水通过所述冷却水管61进入所述水冷组件中并在所述水冷组件换热后流回所述水箱内。

所述水冷组件包括绝缘层62和冷却部63，所述绝缘层62设置在所述导磁铁芯和所述冷却部63之间，所述冷却部63优选设置为空心圆筒型，所述焊枪132设置在所述冷却部63空心部内，所述冷却部63可通过所述拆卸装置与所述焊枪132直接连接。所述冷却部63外圆弧表面设置流动槽64，所述流动槽64的两端通过所述冷却水管61连接至所述冷却循环内，所述流动槽64在所述冷却部63外圆弧表面上的形状优选设置为蛇形曲线状，在保证所述流动槽64在所述冷却部63外圆弧表面较大的覆盖面的同时可实现所述流通槽两端同时设置在所述冷却部63的同一端口处，避免所述冷却水管61的设置影响所述磁头131和所述焊枪132的使用。所述绝缘层62可设置为片状或圆筒型，并将所述绝缘层62与所述冷却部63外圆弧表面紧密贴紧，保证所述流动槽6敞开端的密封性，使所述流动槽64在所述绝缘层62和所述冷却部63之间形成一流通通道，保证所述冷却循环的闭合密封。

冷凝水经过所述流通通道对所述导磁铁芯实现降温效果，通过所述绝缘层62和所述冷却部63结合形成所述流通通道的结构，避免直接在所述冷却部63内设置流通通道所带来的加工难问题，同时可将所述冷却部63厚度设置的较薄，提高冷凝水在所述流通通道内和外界的热交换效率，降低所述水冷组件的制作成本，同时避免外加设置的所述水冷组件占用过多的所述导磁铁芯内部空间，使所述焊枪132位置的设置空间结构紧凑、设计简单、同时所述水冷组件的冷却作用强烈；所述水冷组件可保证大焊接电流条件下，所述焊枪132不变形，完全能够适应高熔覆率、大电流焊接的需要。

所述水冷组件的主要作用是在大电流焊接时保护所述励磁线圈和所述导磁铁芯，保证所述励磁线圈和所述导磁铁芯的正常散热和工作，为在有限的几何空间内实现有效的冷却保护作用。

实施例四

所述异种焊接装置还包括保护气系统，所述保护气系统与所述自动化机器人柔性焊接系统1相连提供保护气，所述保护气系统的出气口位置设置在所述冷却部63内侧，保证所述焊枪132端口位置充满保护气体。

所述影像数据采集分析系统3包括电弧热量检测系统、电弧压力检测系统、电弧电流密度检测系统、数字控制系统。所述电弧热量检测系统与所述自动化机器人柔性焊接系统1相连测量经磁场作用后焊接电弧热量分布，所述电弧压力检测系统检测与所述自动化机器人柔性焊接系统1相连经磁场作用后的电弧压力情况，所述电弧电流密度检测系统与所述自动化机器人柔性焊接系统1相连检测经磁场作用后的电弧电流密度情况，所述数字控制系统与所述自动化机器人柔性焊接系统1相连，根据上述检测系统检测到的数据及所述保护系统反馈的实际保护气送气流量从而实时控制焊接参数，使铝合金与钛合金异种TIG焊接顺利进行。

实施例五

使用所述异种焊接装置对Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金进行焊接，具体包括步骤如下：

S1，将所述纵向磁场发生装置2安装在所述机器人柔性焊接系统上将所述影像数据采集分析系统3与所述自动化机器人柔性焊接系统1相连，针对需要焊接的Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金试件，编程制定所述自动化机器人柔性焊接系统1的运行路线，同时设置所述自动化机器人柔性焊接系统1移动到起弧点，将视频控制系统与所述数字控制系统相连；

S2，根据需要焊接Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金材料的金属特性，将所述自动化机器人柔性焊接系统1焊枪132的角度调节为15度，所述保护气系统与自动化机器人柔性焊接系统1相连；

S3，确定TIG焊的工艺参数；焊接电流为为140A，电压为18V；

S4，对厚度为8mm的Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金母材分别进行开坡口处理；

S5，对厚度为8mm的Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金材料认真清理，打磨坡口，去除两种母材表面的油污和杂质；

S6，对所述纵向磁场发生装置2的工艺参数进行调节，励磁电流设置为1.0A，励磁电源频率设置为10Hz，平均磁感应强度为24mT，使在焊接过程中会产生垂直于焊件的纵向磁场，并将母材板子用工装固定；

S7，打开所述保护气系统，对厚度为8mm的Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金母材焊接前提前通入3-5秒的Ar气，对母材进行提前保护；

S8，对厚度为8mm的Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金母材在磁场下实施TIG焊接，并且实时通过所述影像数据采集分析系统3采集电弧的形态数据和熔池的过渡情况；

S9，对厚度为8mm的Ti-6Al-4V钛合金和Al-Mg铝合金母材焊接后继续通入3-5秒的Ar气；

S10，结合零件的具体尺寸要求，进行适当后续处理以达到使用要求。

通过使用所述异种焊接装置以搭接形式焊接5125铝合金和G2钛合金，在所述纵向磁场发生装置2产生的纵向磁场控制大量Ti-Al系脆性化合物的形成。结果发现5125铝合金和G2钛合金的焊接接头抗拉强度主要受到焊接工艺参数的影响，将5125铝合金和G2钛合金的焊接接头抗拉强度从60～90MPa提高到100～140MPa。

通过使用所述异种焊接装置以搭接形式焊接TA2钛合金与5A06铝合金，在所述纵向磁场发生装置2产生的纵向磁场控制大量Ti-Al系脆性化合物的形成。结果发现TA2钛合金与5A06铝合金的焊接接头抗拉强度主要受到焊接工艺参数的影响，发现TA2钛合金与5A06铝合金的焊接接头抗拉强度可从40～65MPa提高70～105MPa。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，对本实用新型而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本实用新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，包括自动化机器人柔性焊接系统、纵向磁场发生装置、冷却系统，所述自动化机器人柔性焊接系统包括自动机械臂和TIG焊机，所述TIG焊机设置在所述自动机械臂上，所述纵向磁场发生装置、所述冷却系统设置在所述TIG焊机的焊枪上，所述纵向磁场发生装置包括磁头和励磁电源,所述励磁电源与所述磁头相连；所述磁头包括励磁线圈和导磁铁芯，所述导磁铁芯采用轴对称空心柱形状，所述励磁线圈绕制在所述导磁铁芯上。

2.如权利要求1所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，还包括影像数据采集分析系统，所述影像数据采集分析系统与所述自动化机器人柔性焊接系统、所述纵向磁场发生装置数据连接，所述影像数据采集分析系统用于采集焊接数据。

3.如权利要求1所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，所述冷却系统包括微型水泵、水箱、冷却水管和水冷组件，所述水冷组件、所述水箱、所述微型水泵通过所述冷却水管连接形成闭合的冷却循环，所述水冷组件设置在所述纵向磁场发生装置的内侧。

4.如权利要求3所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，所述水冷组件包括绝缘层和冷却部，所述绝缘层设置在所述纵向磁场发生装置和所述冷却部之间，所述绝缘层和所述冷却部之间设置流通通道，所述流通通道通过所述冷却水管连接至所述冷却循环内。

5.如权利要求4所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，所述冷却部外圆弧表面设置流动槽，所述绝缘层与所述冷却部外圆弧表面紧密贴紧，所述绝缘层将所述流动槽的敞开端密封，所述流动槽和所述绝缘层形成所述流通通道。

6.如权利要求5所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，所述冷却部和所述绝缘层设置为空心圆筒型，所述流动槽在所述冷却部外圆弧表面上的形状设置为蛇形曲线状。

7.如权利要求2所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，所述励磁线圈和所述导磁铁芯均采用Q235低碳钢材料，所述励磁线圈为直径1mm的铜漆包线绕制在所述导磁铁芯的外圆筒弧面上，所述励磁线圈的匝数为120匝，股数为8股，线圈内径为28mm，外径为40mm，高度为125mm。

8.如权利要求4所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，还包括拆卸装置，所述纵向磁场发生装置和所述冷却部通过所述拆卸装置与所述TIG焊机可拆卸式连接。

9.如权利要求1所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，还包括保护气系统，所述保护气系统与所述自动化机器人柔性焊接系统相连提供保护气，所述保护气系统的出气口位置设置在所述TIG焊机焊接位置处。

10.如权利要求2所述的具有纵向磁场的异种焊接装置，其特征在于，所述影像数据采集分析系统包括电弧热量检测系统、电弧压力检测系统、电弧电流密度检测系统、数字控制系统，所述电弧热量检测系统、所述电弧压力检测系统、所述电弧电流密度检测系统与所述数字控制系统数据连接，所述数字控制系统与所述自动化机器人柔性焊接系统相连。