一种板材焊接用咬合结构、免拼点焊接装置及方法
阅读说明：本技术 一种板材焊接用咬合结构、免拼点焊接装置及方法 (Occlusion structure for plate welding, splicing-free welding device and method ) 是由 纪昂 王灿 张立平 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种板材焊接用咬合结构、免拼点焊接装置及方法。装置包括连接支架、焊枪、切割机构,所述焊枪固定在连接支架上,所述切割机构通过位姿调整机构与连接支架固定连接。焊接板材上设有咬合结构,两块板材组对后,可以通过咬合结构实现多种维度的约束。焊接前,根据实际约束维度需求,将板材边缘按照咬合结构形式进行切割并组对咬合,在调整焊枪位置后,切割机构和焊枪在焊接机器人或者专机的带动下沿焊缝方向运动。切割机构在前负责去除咬合结构,焊枪在后进行正常焊接。本发明直接省去了“拼点-打磨”工序,提升了焊接效率和焊缝质量,节省了人力、物力成本。(The invention provides an occlusion structure for welding plates, a splicing-free welding device and a splicing-free welding method. The device comprises a connecting support, a welding gun and a cutting mechanism, wherein the welding gun is fixed on the connecting support, and the cutting mechanism is fixedly connected with the connecting support through a pose adjusting mechanism. Be equipped with the interlock structure on the welding panel, two blocks of panel group backs, can realize the restraint of multiple dimension through the interlock structure. Before the welding, according to actual restraint dimension demand, cut and to the interlock according to the interlock structural style with the panel edge, after the adjustment welding gun position, cutting mechanism and welder move along the welding seam direction under the drive of welding robot or special plane. The cutting mechanism is in charge of removing the occlusion structure in front, and the welding gun performs normal welding in the rear. The invention directly saves the working procedures of 'point splicing and polishing', improves the welding efficiency and the quality of welding seams, and saves the cost of manpower and material resources.)
技术领域
本发明涉及一种板材焊接用咬合结构、免拼点焊接装置及方法，属于规则焊缝焊接技术领域。
背景技术
直臂结构是工程机械常见规则结构件之一，其连接焊缝一般为长直对接焊缝。由于焊接过程存在较大的局部应力和应变，所以为了保证两板间隙在焊接过程中保持一致，长直焊缝在焊前需要通过大量的点固焊缝来保证焊接过程中结构的稳定性。
环形结构亦是工程机械常见规则结构件之一，其连接焊缝一般为环形对接焊缝。由于焊接过程同样存在非常大的局部应力和应变，所以为了避免焊缝在焊接过程中开裂，环形焊缝在焊前也需要通过大量的点固焊缝来保证焊接过程中结构的稳定性。另外，由于环形结构通常配合转台进行平焊，所以其焊接过程与直焊缝类似。
以上两种规则焊缝的焊接量巨大，一般采用自动化焊接方式。由于焊接速度一般提前设定，所以焊接过程中无法向焊工那样对点固焊缝进行特殊处理。为了避免焊后在拼点处形成局部凸起、影响外观，通常需要在焊前将点固焊缝人工打磨平整，即两板仅通过焊点根部进行连接固定。
以长为10m的“双C”型板对接直臂、单人操作为例，现有焊接前期工序为：（1）将折弯后的板材放入拼点工装，调整两板之间的位置，保证两端对齐、无错边，该过程预计20min；（2）在保证工装夹紧的状态下，按顺序进行点焊，点固焊缝长50mm，点焊间距为200~500mm，以400mm为例，则需要50个点固焊缝、预估25min；（3）使用角磨机将点固的焊点进行打磨处理，整个过程预估35min；（4）吊送至焊接专机进行焊接，焊接过程预估30min。
现有技术方案在实施过程中存在以下缺点：（1）从价值流的角度来看，虽然很多高效焊接方法已经应用于该类大长规则焊缝的焊接过程，但是其前期“拼点-打磨”工序耗时严重（非增值时间），既降低了整体的生产效率，也没有把应用高效焊接方法的优势完全发挥出来（增值时间）。所以“拼点-打磨”也成为了大长规则结构件焊接生产效率提升的一大痛点！（2）拼点工人的质量意识一般比较差，存在“盲焊”现象，导致点固焊缝经常出现根部未熔透以及焊接时开裂现象；（3）虽然采用大量的点固焊缝去拼接，但是起到实质作用的只有焊缝根部（上部都被打磨掉了），因此造成大量的浪费；（4）需要配置专用的拼点工装，增加了机物料消耗成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种板材焊接用咬合结构、免拼点焊接装置及方法，以采用特殊路径切割板材，使其在切割、折弯或者卷圆后可以通过边缘的咬合结构实现两板一定维度上的约束，从而省去“拼点-打磨”工序，在焊接工位上直接组对咬合后便可以开始正式的焊接工序，解决由点固焊缝导致的“质量差”、“成本高”以及“效率低”等问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种板材焊接用咬合结构，所述咬合结构位于两板材边缘处，用于在两板材组对咬合后约束板材的相互移动。
进一步地，所述咬合结构包括设置在两板材边缘的相互配合的三角形、矩形、梯形、锯齿形、倒钩形结构。
进一步地，所述咬合结构包括设置在两板材边缘的相互配合的燕尾形结构。
进一步地，所述咬合结构还包括固定在咬合结构背面的刚性衬垫。
进一步地，所述刚性衬垫通过夹具或者在其边缘与咬合结构接触位置进行少量点焊的形式固定在咬合结构背面。
进一步地，所述咬合结构上施加有小参数点焊。
进一步地，所述咬合结构的宽度范围为0.5~6mm。
另一方面，本发明提供了一种免拼点焊接装置，包括连接支架、焊枪、切割机构，所述焊枪固定在连接支架上，所述切割机构通过位姿调整机构与连接支架固定连接，所述切割机构用于去除板材焊缝处的前述的咬合结构，所述焊枪用于对去除咬合结构后的无连接区域进行施焊。
进一步地，所述切割机构包括切割机本体和切割片，所述切割片可旋转地连接于切割机本体的下端。
进一步地，所述切割机构为激光切割头。
另一方面，本发明提供了一种直焊缝免拼点焊接方法，其利用前述的免拼点焊接装置进行，所述方法包括：
将板材边缘按照前述咬合结构的形式进行切割；
将切割后的板材进行组对咬合，在焊缝端部进行点焊固定，或者在咬合结构处随机进行小参数点焊进行固定，或者，将刚性衬垫通过夹具或者在其边缘与咬合结构接触位置进行少量点焊的形式固定在咬合结构背面；
调整焊枪位置和切割机构位置，使焊枪和切割机构与焊缝中心对齐；
使切割机构和焊枪沿焊缝方向运动，切割机构在前将咬合结构去除，焊枪跟随切割机构对去除咬合结构后的无连接区域进行焊接。
进一步地，切割机构至少将咬合结构宽度的80%去除。
进一步地，当切割机构采用切割机本体和切割片时，所述切割片的下边沿不高于焊缝的根部。
进一步地，所述切割片旋转方向为切屑飞向远离焊枪的方向。另一方面，本发明提供了一种环形焊缝免拼点焊接方法，其利用前述的免拼点焊接装置进行，所述方法包括：
将板材边缘按照前述三角形、矩形、梯形、锯齿形、倒钩形等咬合结构的形式进行切割后再进行卷圆，或者将板材先进行卷圆后对板材边缘按照咬合结构的形式进行切割；
将切割卷圆后的板材进行组对咬合，在焊缝咬合结构处随机进行少量点焊固定，或者将圆形或环形刚性衬垫通过在其外径边缘与咬合结构接触位置进行少量点焊的形式固定在咬合结构背面，得到环形结构件；
将环形结构件置于转台上，调整焊枪位置和切割机构位置，使焊枪和切割机构与焊缝中心对齐；
使切割机构和焊枪保持固定，转台带动环形结构件转动，切割机构在前将咬合结构去除，焊枪跟随切割机构对去除咬合结构后的无连接区域进行焊接。
进一步地，前述的一种环形焊缝免拼点焊接方法中，所述切割机构至少将咬合结构宽度的80%去除。
进一步地，前述的一种环形焊缝免拼点焊接方法中，当切割机构采用切割机本体和切割片时，所述切割片的下边沿不高于焊缝的根部。
进一步地，所述切割片旋转方向为切屑飞向远离焊枪的方向。本发明所达到的有益技术效果：
（1）本发明充分发挥了现有先进激光切割技术的优势，采用特殊路径去切割板材、获得咬合结构，从而进行不同维度的自我约束，焊前再通过切割去除这些约束，直接省去“拼点-打磨”等非增值工序，大大提升了大长规则结构件焊接生产中增值时间所占的比重，并获得与高效焊接方法相辅相成的效果；
（2）“拼点-打磨”等工序的省去也直接节省了人力、物力成本；
（3）由于咬合结构在焊前会被去除，所以提供一个良好的间隙，可以有效保证焊缝根部的熔透性，提升焊缝质量，避免由质量极差的点固焊缝带来的质量隐患；
（4）本发明还提供了三种维度约束的咬合结构形式，可以满足不同约束要求的直焊缝，因此具有较高的工艺完整性。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种免拼点焊接装置的结构示意图；
图2为三角形的一维约束咬合结构示意图；
图3为矩形的一维约束咬合结构示意图；
图4为倒钩形的二维约束咬合结构示意图；
图5为燕尾形的二维约束咬合结构示意图；
图6为三维约束咬合结构施焊示意图；
图7为本发明另一实施例的一种免拼点焊接装置的结构示意图。
其中，1连接支架；2-1焊枪；2-2焊丝；3位姿调整机构；4-1切割机本体；4-2切割片；5-1板材；5-2焊缝；5-3咬合结构；6刚性衬垫；7-1激光切割头；7-2激光。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如前所述，现有技术方案在实施过程中存在以下缺点：前期“拼点-打磨”工序耗时严重，且点固焊缝存在 “质量差”、“成本高”以及“效率低”等问题。
为此，在一实施例中，本发明提供了一种免拼点焊接装置，如图1所示，包括连接支架1、焊枪2-1、焊丝2-2、位姿调整机构3、切割机本体4-1、切割片4-2、焊接板材5-1、焊缝5-2、咬合结构5-3。
其中，连接支架1固定在焊接机器人或者焊接专机的工具端，焊枪2-1固定在连接支架上，切割机本体4-1通过位姿调整机构3与连接支架1固定连接。切割片4-2位于切割机本体4-1的下端，位姿调整机构3可以实现切割片4-2位置、姿态的调整。焊接板材5-1上设有咬合结构5-3，两块板材5-1组对后，可以通过咬合结构5-3实现多维自由度的约束。
咬合结构5-3可以采用一维约束形式，例如三角形、矩形，如图2、3所示，它可以使焊缝两侧的板材5-1在焊接过程中无法沿焊缝的平行方向产生位移。除三角形、矩形外，还可以采用梯形、锯齿形等其它结构。
在上述一维约束形式的基础上，可以通过在焊缝端部进行少量点焊，由此将两块板材5-1简单固定，实现二维约束力，使得板材在焊接过程中不易脱开。
咬合结构5-3还可以采用其它二维约束形式，如图4、5所示的倒钩形、燕尾形结构，使得焊缝两侧的板材5-1在焊接过程中无法沿焊缝的垂直和平行两个方向产生位移。
在上述一维约束和二维约束的基础之上，可以通过施加刚性衬垫6并将其与两板材固定连接来实现咬合结构5-3的三维约束形式，如图6所示。
在一具体实施方式中，在上述一维约束的基础上，可以通过夹具将刚性衬垫6固定在两板材焊缝的背面，实现三维约束。
在另一实施方式中，在上述一维约束的基础上，可以将刚性衬垫6通过在其边缘与咬合结构5-3接触位置随机进行少量点固焊的形式固定在咬合结构5-3背面，从而实现三维约束。
在另一实施方式中，在如图4、5所示的二维约束的基础上，可以通过夹具将刚性衬垫6固定在两板材焊缝的背面，实现三维约束。
在另一实施方式中，在如图4、5所示的二维约束的基础上，可以将刚性衬垫6在其边缘与咬合结构5-3接触位置随机进行少量点固焊的形式固定在咬合结构5-3背面，从而实现三维约束。
其中，刚性衬垫6上可设置凹槽，以方便熔池流下去。
在另一实施方式中，还可以通过在上述一维约束的咬合结构5-3处随机进行小参数少量点焊，实现三维约束。
在另一实施方式中，还可以通过在上述如图4、5所示的二维约束的咬合结构5-3处随机进行小参数少量点焊，实现三维约束。
当焊缝为环形焊缝时，咬合结构5-3可以采用如图2-4所示的一维、二维约束形式。在此基础上，可以通过在所述一维或二维约束的咬合结构5-3处随机进行小参数少量点焊，实现三维约束，或者，可以采用刚性衬垫进行固定。当使用刚性衬垫时，刚性衬垫采用环形或圆形衬垫，通过在其外径边缘与咬合结构5-3接触位置进行少量点焊的形式将刚性衬垫固定在咬合结构5-3背面，从而实现三维约束。
需要说明的是，在咬合结构处采用小参数点焊，在后续去除咬合结构时，焊点会随咬合结构一同被去除。
咬合结构5-3在焊缝长度方向上的分布可以根据板材5-1结构的刚度以及工艺进行调整。
咬合结构5-3的宽度（即单侧板材边缘凸起高度或者凹下深度）可以根据工艺进行调整，宽度范围为0.5~6mm。
由于熔焊的热源会熔化一部分的母材，所以切割片4-2应至少能够去除咬合结构5-3宽度的80%。
在另一实施例中，本发明提供了一种直焊缝免拼点焊接方法，其利用图1所示装置进行。该方法包括：
a. 根据实际约束维度需要，将板材5-1的边缘按照图2~5的方式进行切割；
b. 将板材5-1按照咬合结构的形式进行组对锁死，在焊缝端部进行点焊固定，或者在咬合结构处随机进行小参数点焊进行固定，或者，使用刚性衬垫6固定；如果使用刚性衬垫6，则可以通过夹具或者将刚性衬垫通过夹具或者在其边缘与咬合结构接触位置进行少量点焊的形式固定在焊缝的背面；
c. 操作焊接机器人或者焊接专机的工具端，调整焊枪2-1的位置，然后再调整切割片4-2的位置，使二者与焊缝中心对齐，同时切割片4-2的下边沿不高于焊缝的根部；
d. 启动切割机本体4-1，如图1所示，切割片4-2旋转方向需要与焊接方向配合使得切屑飞向远离焊枪的方向。切割片4-2和焊枪2-1在焊接机器人或者焊接专机的带动下沿焊缝方向运动。切割片4-2进入板材后将咬合结构5-3逐一去除，焊枪2-1在到达焊缝起始处时开始起弧，之后切割片4-2在前去除咬合结构5-3，焊枪2-1在后进行正常焊接；
e. 焊枪2-1在完成焊接后熄弧，关闭切割机本体4-1。
在另一实施例中，本发明提供了一种环形焊缝免拼点焊接方法，其利用图1所示装置进行。该方法包括：
a. 根据实际约束维度需要，可以先将板材5-1的边缘按照图2~4的方式进行切割后再进行卷圆，也可以卷圆后配合转台对板材5-1边缘进行切割；
b. 将板材5-1按照咬合结构的形式进行组对锁死，在焊缝咬合结构5-3处随机进行少量点焊固定，或者使用刚性衬垫6固定，得到环形结构件；
如果使用刚性衬垫固定，则需使用圆形或环形衬垫，并将圆形或环形衬垫通过在其外径边缘与咬合结构5-3接触位置进行少量点焊的形式固定在咬合结构背面；
c. 将环形结构件置于转台上，调整焊枪2-1的位置，然后再调整切割片4-2的位置，使二者与焊缝中心对齐，同时切割片4-2的下边沿不高于焊缝的根部；
d. 启动切割机本体4-1，如图1所示，切割片4-2旋转方向需要与焊接方向配合使得切屑飞向远离焊枪2-1的方向。切割片4-2和焊枪2-1保持固定，转台带动环形结构件转动。切割片4-2进入板材5-1后将咬合结构5-3逐一去除，焊枪2-1在后进行正常焊接；
e. 在所有咬合结构5-3均被去除后，切割机本体4-1抬起，焊枪2-1在完成剩余的焊接后熄弧，关闭切割机本体4-1。
在另一实施例中，作为切割片4-2的替代方式，也可以用激光切割头7-1替代切割机本体4-1，激光切割头7-1可实现直线或者摆动切割，如图7所示，采用激光7-2切割来去除咬合结构5-3。当咬合结构较宽时，可以采用扫描激光进行切割。
在另一实施例中，本发明提供了一种直焊缝免拼点焊接方法，其利用如图7所示装置进行。所述方法包括：
a. 根据实际约束维度需要，将板材5-1的边缘按照图2~5的方式进行切割；
b. 将板材5-1按照咬合结构的形式进行组对锁死，在焊缝端部进行点焊固定，或者在咬合结构处随机进行小参数点焊进行固定，或者，使用刚性衬垫6固定；
c. 操作焊接机器人或者焊接专机的工具端，调整焊枪2-1的位置，然后再调整用激光切割头7-1的位置，使二者与焊缝中心对齐；
d. 启动激光切割头7-1，如图7所示。激光切割头7-1和焊枪2-1在焊接机器人或者焊接专机的带动下沿焊缝方向运动。激光切割头7-1进入板材后将咬合结构5-3逐一去除，焊枪2-1在到达焊缝起始处时开始起弧，之后激光切割头7-1在前去除咬合结构5-3，焊枪2-1在后进行正常焊接；
e. 焊枪2-1在完成焊接后熄弧，关闭激光切割头7-1。
在另一实施例中，本发明提供了一种环形焊缝免拼点焊接方法，其利用如图7所示装置进行，该方法包括：
a. 根据实际约束维度需要，可以先将板材5-1的边缘按照图2~4的方式进行切割后再进行卷圆，也可以卷圆后配合转台对板材5-1边缘进行切割；
b. 将板材5-1按照咬合结构的形式进行组对锁死，在焊缝咬合结构5-3处随机进行少量点焊固定或者使用圆形或环形衬垫固定，得到环形结构件；
c. 将环形结构件置于转台上，调整焊枪2-1的位置，然后再调整激光切割头7-1的位置，使二者与焊缝中心对齐；
d. 启动激光切割头7-1，如图1所示。激光切割头7-1和焊枪2-1保持固定，转台带动环形结构件转动。激光切割头7-1进入板材5-1后将咬合结构5-3逐一去除，焊枪2-1在后进行正常焊接；
e. 在所有咬合结构5-3均被去除后，激光切割头7-1抬起，焊枪2-1在完成剩余的焊接后熄弧，关闭激光切割头7-1。
需要特别说明的是，本申请的重点在于通过板材的“自我咬合固定”以及焊前的“去除”来实现免拼点焊接，因此本说明书中展示的几种咬合结构只是示例，其它咬合结构、咬合点去除方式或者本示例中的变形都在本发明保护范围之内。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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