一种盲区可视焊接设备及其焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接加工的技术领域，特别涉及一种盲区可视焊接设备及其方法。
背景技术
在焊接产品制造、设备修复时，各种焊接状况都有可能发生。焊工焊接时，大多数情况下能通过面罩里的镜片观察熔池，调整手部动作，得到合格的焊缝；狭窄一些的焊缝，只要焊工头部能进去，或用反光镜的反向成像，眼睛可观察，水平高的焊工能勉强完成焊接。
但如果焊接空间特别狭窄、视线受限，焊枪可达，视线不可达，但又必须焊接时，焊接质量很难保证：
1. 不能定位在待焊处起弧，无有效焊缝，且损伤工件表面；
2. 电弧停留时间过长，焊接熔池加大，易产生烧穿、焊缝超宽，导致焊缝组织粗大，力学性能差；
3. 熔池的形状不可见，焊缝的高度、宽度、厚度不可见，成型差；
4. 不能观察焊接熔池与工件的接合情况，易未熔合、未焊透；
5. 焊枪喷嘴与工件的距离不好掌握，（1）氩弧焊时距离短易短路、夹钨，距离长电弧长度也增加，电弧摆幅大，熔深小、成型差，且空气侵入电弧，焊接气体对熔池保护差，产生气孔；（2）熔化极气体保护焊时距离短易短路、导电嘴过热；电弧过长，焊丝伸出长度增加，电流电压不稳定，成型差、飞溅多、熔合不良，空气易侵入电弧，熔池易氧化、产生气孔；
6. 传统柔性弯管经过长时间、大电流焊接，紫铜导电带过电并发热，铜材软化，焊枪过于柔性，缺乏刚性，指向性差，焊接时焊枪远端悬垂，受重力影响，不能按既定方位运动，导致焊偏；进行狭窄空间焊接时，如喷嘴与工件接触，由于焊枪弯管无刚性，喷嘴与工件角度发生变化，电弧偏离焊缝中心,易产生焊缝未熔合、咬边缺陷；
7. 传统柔性氩弧焊枪不能进行摇摆式手法焊接，摇摆焊手法是将焊枪喷嘴直接压在焊缝坡口上，利用手腕大幅度摆动，使喷嘴与坡口两侧滚动摩擦缓慢沿之字形向前移动，用电弧加热并熔化坡口钝边及填入的焊丝来形成焊缝的一种应用方法。传统柔性焊枪进行摇摆焊时，手腕通过焊枪施加压力，传递到喷嘴，随着焊接时间延长，弯管紫铜受热变软，在压力作用下发生塑性变形，使焊枪喷嘴渐与焊缝水平，喷嘴中心的钨极随之水平，电弧不能正常加热熔池，焊缝易产生未熔合缺陷，且喷嘴内的保护气体流动方向未正对熔池，易产生气孔，影响焊缝质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盲区可视焊接设备及其焊接方法，能有效克服现有技术存在的上述不足，解决焊接产品制造、设备修复时受限空间的焊接问题，保证焊接质量。
本发明的技术方案：
一种盲区可视焊接设备，包括送丝焊枪、安装平台、检测组件、监测组件、气路组件和焊接摇摆器。所述焊接摇摆器包含一向心关节轴承，向心关节轴承包含通过球面配合的关节轴承内球体和关节轴承外球体，所述关节轴承内球体的中心设有供送丝焊枪的喷嘴贯穿安装的固定通孔；所述安装平台设置于焊接摇摆器的外缘；所述监测组件铰接固定于安装平台；所述送丝焊枪包含柔性焊枪弯管，所述柔性焊枪弯管为六层结构，从内至外依次为钢弹簧管、第一硅橡胶绝缘管、紫铜铰线层、第二硅橡胶绝缘管、不锈钢波纹管和第三硅橡胶绝缘管。
其中：所述钢弹簧管的线径为1.4～1.6mm，外径4.5～5.5mm，内径1.8～2.2mm,材质为65Mn碳素弹簧钢；所述第一硅胶绝缘管的厚度为0.4～0.6mm，第二硅胶绝缘管4和第三硅胶绝缘管6的厚度为0.8～1.0mm；所述紫铜铰线层通过多股紫铜铰线组成，每股紫铜铰线单股直径2mm，有14股紫铜铰线；所述钢弹簧管和第二硅胶绝缘管之间设有一保护间隙，保护间隙为2mm；所述不锈钢波纹管的厚度为0.5～0.8mm，材质为304不锈钢波纹管。
其中：所述关节轴承内球体的弧长大于所述关节轴承外球体，从而两者之间具有一个单侧摆动角度，单侧摆动角度为15～16度，以实现喷嘴30～32度的全角度转动。
其中：所述焊接摇摆器在向心关节轴承的两侧分别安装有可调整高度的弹簧伸缩杆，弹簧伸缩杆包含伸缩外杆和伸缩内杆，伸缩内杆的上端伸入伸缩外杆中且伸缩外杆内置有弹性抵靠伸缩内杆的压缩弹簧，伸缩内杆的下端均连接有行走轮，弹簧伸缩杆的内侧设有焊接飞溅档板，焊接飞溅档板为钢质，内侧涂防飞溅膏；焊接飞溅档板为大于行走轮的板状结构，以提供有效的隔热和高温熔化飞溅。
其中：所述检测组件包含超声波距离传感器、激光对中指示灯和非接触式红外测温探头。
其中：所述监测组件包含感应变光电焊打磨两用镜片，其一端铰接至安装平台；所述感应变光电焊打磨两用镜片的下方设有由外保护镜片保护的LED灯光带，上方贴合有摄像头。
其中：所述气路组件包含两种排气结构，第一种排气结构包含以单管排孔结构从监测组件下方折回排出的冷却除烟排气管，第二种排气结构为安装至安装平台的吹扫保护气路。
其中：还包含一保护罩，保护罩位于监测组件和检测组件的外侧以提供保护，位于监测组件外侧的保护罩和位于检测组件外侧的保护罩可通过柔性连接带进行连接，并通过保护罩固定螺栓进行固定。
其中：所述保护罩的外层为绝缘层，内层为钢制金属层以避免电磁干扰而影响数据稳定。
还公开了一种盲区可视焊接设备的焊接方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：安装盲区可视焊接设备；
步骤二：盲区待焊部位的焊前清理，观察待焊部位的状况，包含待焊长度、宽度、焊接空间位置、表面污染情况；
步骤三：根据待金属种类和待焊情况确定焊接方法和安装合适焊枪，工件厚度6mm及以下用自动送丝氩弧焊枪；工件厚度6mm及以上用熔化极气体保护焊枪；
步骤四：调节弹簧伸缩杆与向心关节轴承的角度和距离，调节焊枪与焊接摇摆器的上下位置，定位焊枪喷嘴与工件的距离，并进行试焊；
步骤五：进行可视化焊接，将焊枪深入待焊位置，调节柔性焊枪弯管的弯曲角度，使焊缝处于焊枪可达位置，准备焊接；起弧后，根据显示器中监测到的熔池情况及时修正焊接手法，通过焊接摇摆器，调整摆动宽度、摆动速度、停留时间、前进速度，逐步完成焊接；
步骤六：焊接完毕，停弧。
本发明的盲区可视焊接设备及其焊接方法的有益效果：
（1）结构简单，维护便捷，电弧的辐射热、飞溅被有效隔离，电器元件被有效保护和冷却，设备不易损坏；
（2）操作方便，适用更为广泛，可有效匹配焊缝的焊缝的宽度、深度；可用于对接接头、角接接头、T型接头、搭接接头的焊缝形式；可用于薄板和开坡口中厚板；可用于易氧化金属铝、钛、不锈钢的焊接；
（3）通过盲区可视焊接设备的监控及检测元件，可以快速了解焊接接头的熔池大小、温度、焊枪角度和焊枪对中情况，快速便捷的实现盲区焊接；
（4）焊接时提前输送保护气体，焊接完毕滞后停送保护气体，对易氧化的熔池金属进行延时保护，可用于易氧化金属铝、钛、不锈钢的焊接；
（5）设备小巧，焊枪运动轨迹受控且灵活，有效解决焊接产品制造、设备修复时受限空间的焊接问题；可进行平焊、立焊、横焊、仰焊位置的焊接；并且保证焊接质量，提高使用寿命。
附图说明
图1为本发明中盲区可视焊接设备一实施例的结构示意图。
图2为本发明中盲区可视焊接设备另一实施例的结构示意图。
图3A为本发明中柔性焊枪弯管的结构示意图。
图3B为本发明中柔性弯管的剖视图。
图4为本发明中焊枪和摇摆器的组装示意图。
图5A、图5B和图5C为本发明中摇摆器的三维示意图。
图6为本发明中向心关节轴承的结构示意图。
图7为本发明中焊枪的俯视图。
图8为本发明中的布局图。
图9A和图9B为本发明中变光电弧监测组件的结构示意图。
图10为本发明中显示器的结构示意图。
图中：1.钢弹簧管；2.第一硅橡胶绝缘管；3.紫铜铰线层；4.第二硅橡胶绝缘管；5.不锈钢波纹管；6.第三硅橡胶绝缘管；7.紫铜套管压头；8.黄铜接头；9.关节轴承内球体；10.关节轴承外球体；11.单侧摆动角度；12.焊枪固定螺栓；13.弹簧伸缩杆固定螺栓；14.行走轮角度调节螺栓；15.焊接飞溅档板；16.弹簧伸缩杆；17.行走轮；18.向心关节轴承；19.吹扫保护气路；20.超声波距离传感器；21.激光对中指示灯；22.非接触式红外测温探头；23.安装平台；24.喷嘴；25.柔性焊枪弯管；26.焊枪手柄；27.总线；28.摄像头；29.感应变光电焊打磨两用镜片；30.LED灯带；31.外保护镜片；32.冷却除烟排气管；33.氩弧焊送丝管；34.焊接开关；35.保护罩；36.可调铰链；37.柔性连接带；38.保护罩固定螺栓；39.显示器。
具体实施方式
下面结合附图的实施例进一步说明。
如图1和图2所示，一种盲区可视焊接设备的两种实施例的结构示意图。其中，图1显示了本发明的盲区可视焊接设备采用自动送丝氩弧焊焊枪的结构示意图，图2显示了本发明的盲区可视焊接设备采用熔化极气体保护焊焊枪的结构示意图。由于气体保护焊分为非熔化极（氩弧焊）和熔化极两种方式，根据焊接方式的不同，送丝焊枪有两种。第一种是自动送丝氩弧焊焊枪，这种焊枪通过绝缘的氩弧焊送丝管（33）在焊接时加送焊丝；第二种是熔化极气体保护焊焊枪，这种焊枪可根据现场需要和金属性质，配送实芯和药芯两种焊丝，药芯可分为气渣保护和自保护两种。
参见图1和图2，本发明的盲区可视焊接设备包括送丝焊枪、安装平台（23）、检测组件、监测组件、气路组件和焊接摇摆器，所述送丝焊枪包含特别设计的柔性焊枪弯管（25）。如图3A和图3B所示，所述柔性焊枪弯管（25）为六层结构，所述六层结构从内之外依次为钢弹簧管（1）、第一硅橡胶绝缘管（2）、紫铜铰线层（3）、第二硅橡胶绝缘管（4）、不锈钢波纹管（5）和第三硅橡胶绝缘管（6），所述第一硅橡胶绝缘管（2）套于最内层的钢弹簧管（1）外，所述紫铜铰线层（3）的两端分别通过紫铜套管压头（7）压接在黄铜接头（8）上，所述紫铜铰线层（3）外套有第二硅橡胶绝缘管（4），所述第二硅橡胶绝缘管（4）外套有优选为0.5mm厚的不锈钢波纹管(5)，最外侧为第三硅橡胶绝缘管(6)，通过六层结构的设置，可保证可变形、有刚性、大电流不易热软化、绝缘性能好。
在优选的实施例中，所述钢弹簧管1的具体参数为线径1.4～1.6mm，外径4.5～5.5mm，内径1.8～2.2mm,材质为65Mn碳素弹簧钢，通过该些参数设置，其能为焊丝输送提供顺畅的通道，同时为焊枪提供稳定的弯曲刚性，避免焊枪弯曲操作时过甚导致焊丝输送时受挤压，而且，钢弹簧管可为为紫铜铰线层3增加支撑，防止紫铜铰线层多次弯曲后松散，挤压内层空间。
在优选的实施例中，所述第一硅胶绝缘管的厚度优选为0.4～0.6mm，第二硅胶绝缘管4和第三硅胶绝缘管6的厚度优选为0.8～1.0mm,可绝缘、防腐蚀，可柔性变形。
在优选的实施例中，所述紫铜铰线层3通过多股紫铜铰线组成，每股紫铜铰线单股直径2mm，优选有14股紫铜铰线，导电性能好，可柔性变形。
其中，由于第一硅胶绝缘管(2)比较薄，与紫铜铰线层(3)紧密贴合，所述钢弹簧管(1)的外径比第二硅胶绝缘管(2)的内径小2mm，两者之间设有一保护间隙，所述保护间隙的存在能作为气体输送区以导送焊接气体，同时保护间隙的存在能在大电流焊接时提供紫铜铰线层产生的电阻热，可得到流动焊接气体的有效冷却，而且，熔化极气体保护焊时，焊丝持续送进，与送丝管摩擦发热，间隙中的流动焊接气体有利于气冷效果。
在优选的实施例中，不锈钢波纹管5的厚度为0.5～0.8mm，材质为304不锈钢波纹管，其能提供柔性变形的弹性特质，有效避免了普通柔性焊枪长时间焊接后，紫铜绞线大电流导电并多次折弯，软化后定型能力差，焊接时焊枪末端与工件稍有接触就易焊偏的技术问题。这里的不锈钢波纹管能提供稳定可靠的强度，塑性、韧性好，耐热性能好，不处于受电状态，可提供比常规焊枪更好的定型，保证焊接质量，且不锈钢波纹管为可更换元件，焊枪寿命长。图1和图2中熔化极气体保护焊枪与氩弧焊枪的柔性焊枪弯管25的部分相同。
参见图4、图5A、图5B、图5C及图6，焊接摇摆器包含一向心关节轴承(18)，所述向心关节轴承(18)包含关节轴承内球体(9)和关节轴承外球体(10)，所述关节轴承外球体(10)为内设通孔的圆柱结构且内缘为一内球面，所述关节轴承内球体(9)的外缘为一与内球面配合的外球面，所述关节轴承内球体(9)的中心设有供喷嘴(24)贯穿安装的固定通孔，可根据焊枪喷嘴直径选择相应内径的向心关节轴承(18)，所述关节轴承内球体(9)的弧长大于所述关节轴承外球体(10)从而两者之间具有一个单侧摆动角度(11)，所述单侧摆动角度(11)优选为15～16度，由此，喷嘴(24)安装在向心关节轴承内(18)，并优选的通过一焊枪固定螺栓(12)进行螺纹紧固件的固定，由于该向心关节轴承(18)是球面滑动轴承，从而实现了喷嘴30～32全角度的转动，焊接时可根据焊缝宽度和焊缝厚度，可左右、前后、在30～32度摆角内任意圆周摆动。
其中，所述焊接摇摆器在向心关节轴承(18)的两侧分别安装有可调整高度的弹簧伸缩杆(16)，所述弹簧伸缩杆(16)包含伸缩外杆和伸缩内杆，所述伸缩外杆的上端通过弹簧伸缩杆固定螺栓(13)固定至向心关节轴承(18)，即固定至关节轴承外球体(10)的两侧，所述伸缩内杆的上端伸入伸缩外杆中，且伸缩外杆内置有弹性抵靠伸缩内杆的压缩弹簧，所述伸缩外杆上贯穿设有定位伸缩内杆的行走轮角度调节螺栓(14)。优选的是，所述伸缩内杆上间隔设有多个供行走轮角度调节螺栓进行定位的定位凹槽，所述伸缩内杆的下端均连接有行走轮（17），从而对外角、内角的焊缝，可随机进行单独调节。
其中，所述弹簧伸缩杆（16）的内侧设有焊接飞溅档板（15），所述焊接飞溅档板为钢质，内侧涂防飞溅膏，所述焊接飞溅档板为大于行走轮（17）的板状结构以提供有效的隔热来防止行走轮和弹簧支撑杆过热，从而有效避免行走轮和支撑杆动作卡滞，还能防止高温熔化飞溅粘连在行走轮与弹簧支撑杆之间，形成牢固焊接，导致不动作。
所述安装平台（23）设置于焊接摇摆器外缘以安装固定检测组件、监测组件以及气路组件，轻巧且牢固，参见图7和图8，所述气路组件中的吹扫保护气路（19）设置于安装平台（23）的一侧，述安装平台（23）的另一侧设有检测组件中的超声波距离传感器（20）、激光对中指示灯（21）和非接触式红外测温探头(22)，所述激光对中指示灯(21)用于焊缝对中指示，超声波距离传感器(20)检测焊枪喷嘴至工件的距离，非接触式红外测温探头(22)检测焊缝及近缝区的温度。
同时参见图1、图2、图9A和图9B，所述监测组件通过可调铰链(36)铰接固定于安装平台(23)的一侧，并通过螺纹紧固，便于调节并定位，所述监测组件包含感应变光电焊打磨两用镜片(29)，其一端铰接至安装平台(23)，所述感应变光电焊打磨两用镜片(29)的下方设有由外保护镜片(31)（优选为白玻璃）保护的LED灯光带(30)，上方紧密贴合有摄像头(28)，以远程观察焊接前焊缝的表面状况、激光对中情况，焊缝及近缝区的温度，喷嘴24至工件的距离，起弧后变光镜片感光元件启动变光，监控屏显示电弧、熔池的现状。
参见图1和图2，所述气路组件包含两种排气结构，第一种排气结构包含以单管排孔结构从监测组件的感应变光电焊打磨两用镜片(29)下方折回排出的冷却除烟排气管(32)，作用一为冷却变光镜片、检测元件、监测组件，作用二为吹散焊接烟尘，防止影响监控，第二种排气结构即为安装至安装平台(23)的吹扫保护气路(19)，其沿焊枪垂直方向排出，作用一为焊前对焊接区域进行吹扫，去除表面杂物；作用二为对易氧化的熔池金属进行延时保护；
其中，还包含一保护罩(35)，所述保护罩(35)位于监测组件和检测组件的外侧以提供保护，位于监测组件外侧的保护罩和位于检测组件外侧的保护罩可通过柔性连接带(37)进行连接，并通过保护罩固定螺栓(38)进行固定，所述保护罩的外层为绝缘层，内层为钢制金属层，以避免电磁干扰而影响数据稳定。
其中，参见图1、图2和图10，本发明还设有供操作人员进行握持的焊枪手柄(26)以及贯穿柔性焊枪弯管(25)的总线(27)，该总线(27)可包含数据线、电源线、焊丝、气路等，所述焊枪手柄(26)上设有焊接开关(34)，数据线可连接至外接的显示器(39)，以实现远程观察。
一种通过上述盲区可视焊接设备进行焊接的盲区可视焊接方法，其能提供焊接空间特别狭窄、视线受限时的可靠焊接，该方法包含如下步骤：
步骤一：安装盲区可视焊接设备；
步骤二：盲区待焊部位的焊前清理，将感应变光电焊打磨两用镜片（29）调为打磨的平光镜状态，打开LED灯带（30），配合摄像头（28），用显示器观察待焊部位的状况，待焊长度、宽度、焊接空间位置、表面污染情况，如焊接部位有水、锈、油、氧化物污物，需清理干净，可将摄像头组件用管箍固定在内磨机、角向磨光机上，精准打磨；待焊部位的表面的灰尘，可用焊接摇摆器上的吹扫保护气路（19）进行吹扫；
步骤三：根据待金属种类和待焊情况确定焊接方法和安装合适焊枪：工件厚度6mm及以下，焊缝内部质量要求高的精细焊接，宜用自动送丝氩弧焊枪（图1）；工件厚度6mm及以上，表面铁锈不能彻底清理宜时，宜采用熔化极气体保护焊枪（图2），并匹配氧化性气体，以防止焊缝产生气孔；焊接飞溅档板（15）的内表面涂擦防飞溅膏；
步骤四：根据焊缝形式、坡口宽度和焊接工艺参数，调节弹簧伸缩杆与向心关节轴承的角度和距离，如平板无坡口对接的大热输入焊接，由于单位长度上的热量多，熔敷金属宽且厚，喷嘴与工件的距离可随着热输入加大而加大，两侧行走轮张角也随之加大，避免行走轮过热；对于内角焊接头和开坡口的对接接头，两侧支撑杆向上缩，使喷嘴外突，电极能深入焊缝根部；外角焊接头，两侧支撑杆外伸，焊枪喷嘴内缩，以免喷嘴与工件碰撞或电极杆伸长过短；调节焊枪与焊接摇摆器的上下位置，定位焊枪喷嘴与工件的距离；调节超声波距离传感器（20），使之匹配焊枪喷嘴与工件的距离，设定中间值，正负报警值，正负偏值不超过10mm为宜；调节激光对中指示灯（21），与喷嘴（24）中心、摄像头（28）为同一轴线；调节非接触式测温探头（22）测量点，使之处于前侧焊缝位置，必要时，后侧也可加测温仪，记录焊缝冷却情况；根据待焊情况，如焊缝拐角处、形状突变处（高低不平、宽窄不匀、焊缝直线度差），测试向心关节轴承的摆角和弹簧压缩杆的压缩行程，并调节电流、电压、送丝速度，匹配待焊部位，并进行试焊；
步骤五：进行可视化焊接，将焊枪深入待焊位置，调节柔性焊枪弯管的弯曲角度，使焊缝处于焊枪可达位置；用测温仪测量待焊表面是否为所需温度；观察焊枪、红外线灯、是否对中；焊接摇摆器两侧行走高度是否需调节；打开冷却除烟排气管（32）（压力0.3～0.4Mpa，流量2～3m³/h）；根据需要打开吹扫保护气路（19）进行焊缝焊后延时保护（如不锈钢、钛合金的氩弧焊时，用氩气作为延时保护气，气体流量10～25L/min）；如待焊工件为碳钢，将背面的磁性吸盘直接吸附在工件上固定；如待焊工件为有色金属，将监控屏背面的粘贴纳米贴吸附在工件上固定；调节感应变光电焊打磨两用镜片调为变光焊接状态，准备焊接，起弧后，根据显示器中监测到的熔池情况，超声波距离传感器的回传信息，及时修正焊接手法，通过焊接摇摆器，调整摆动宽度、摆动速度、停留时间、前进速度，如焊缝宽度15～20mm时，可采用单道焊，加大摆幅和焊缝两侧停留时间；大于20mm，坡口深度大于4～5mm时，为避免热输入过大，导致焊接变形加大和焊接接头冲击韧性变差，应采用多层多道焊，每道焊缝宽度小于20mm，焊缝厚度小于4～5mm,以得到理想的焊接熔池，从而完成焊接；焊接时如保护片上有飞溅等污物，影响焊缝观察，应及时更换保护片；
步骤六：焊接完毕，停弧，此时焊缝处于滞后停气的延时保护，根据测温仪回传焊缝温度信息，确定焊枪撤离时间。如铝、不锈钢、钛合金、镍合金的氩弧焊时，根据焊缝宽度和熔池大小，保护气体滞后停气20～30s,焊缝温度低于200摄氏度可以将焊枪撤离，避免氢、氧、氮有害气体进入熔池金属，避免合金元素氧化，脆化，降低焊接接头的性能。
由此，本发明可进行平焊、立焊、横焊、仰焊位置的焊接；接时可根据焊缝宽度和焊缝厚度，在30度摆角内任意圆周摆动，极大的提高了适用的范围，且通过监测组件进行实时的信息反馈，进一步解决焊枪可达，但视线不可达的盲区焊接产生焊接缺陷问题。
