一种K-TIG焊接系统及方法

摘要

本发明公开了一种K‑TIG焊接系统，区别于传统TIG的固定送丝方式，本发明能自动识别K‑TIG大电弧宽度，依据电弧宽度检测值在送丝的过程中设置高、低送丝速度区域，从而进行摆动送丝，达到一次性焊接成型的目的。K‑TIG焊接中厚板时经常出现咬边、焊缝正面凹陷等缺陷，使用本发明能有效利用K‑TIG焊接电弧的高能量熔化焊丝对焊缝填充，从而有效解决K‑TIG焊接时熔池流动性差和咬边等焊接缺陷，实现焊缝一次性成形。本发明焊接过程稳定，焊缝质量高，焊接变形和残余应力较低，焊后不用清渣，可广泛应用于低碳钢、不锈钢和镍基合金等材料的焊接，加大K‑TIG焊接生产效率。

权利要求

1.一种K‑TIG焊接系统，其特征在于，包括图像采集系统、图像处理系统、控制系统、摆动机构、送丝机构和焊接机构；

所述图像处理系统用于根据所述图像采集系统采集的电弧图像，检测在焊接电流下的电弧宽度值，并将所述电弧宽度值传送至所述控制系统；所述控制系统用于根据所述电弧宽度值将电弧分成高、低送丝区域，及生成摆动宽度，以控制所述摆动机构和送丝机构进行摆动送丝；

所述的K‑TIG焊接系统的焊接方法,包括下述步骤：

S1、在控制系统中预先设置摆动频率、摆动停留时间及高、低送丝速度；采用焊接机构起弧稳定后，图像采集系统采集电弧图像，所述图像处理系统处理所述电弧图像，检测该焊接电流下的电弧宽度值，并将所述电弧宽度值传送至控制系统；

S2、所述控制系统根据所述电弧宽度值将电弧距离其底部1.5mm处以焊缝中心为中心均分为四个区域，两端为高速送丝区域，中间为低速送丝区域，同时生成摆动宽度；

S3、所述控制系统根据生成的摆动宽度，预先设置的摆动频率和摆动停留时间控制所述摆动机构，根据生成的高、低送丝区域，预先设置的高、低送丝速度控制所述送丝机构，进行摆动送丝，直至焊接完成。

2.如权利要求1所述的K‑TIG焊接系统，其特征在于，所述图像采集系统为高动态工业相机。

3.如权利要求1所述的K‑TIG焊接系统，其特征在于，所述送丝机构包括送丝机，所述送丝机通过导丝杆与导丝嘴相连接。

4.如权利要求3所述的K‑TIG焊接系统，其特征在于，所述摆动机构包括摆动器、摆动中心传感器和导丝杆夹持机构；所述摆动器用于通过伺服驱动系统控制滚珠丝杠将旋转运动转变成直线运动，对所述导丝嘴的摆动频率、摆动宽度、摆动停留时间进行数控调节。

5.如权利要求1所述的K‑TIG焊接系统，其特征在于，S1中，所述图像处理系统处理所述电弧图像的具体方法为：对所述电弧图像进行图像滤波算法处理，采用邻域平均法对某个窗口的各点灰度值进行平均计算，用所得的平均值代替中心点的灰度值。

6.如权利要求1所述的K‑TIG焊接系统，其特征在于，S1中，检测该焊接电流下，距离电弧底部1.5mm处的电弧宽度值。

说明书

一种K‑TIG焊接系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于K‑TIG焊接技术领域，具体是一种K‑TIG焊接系统及方法。

背景技术

[0002] 低碳钢、不锈钢和镍基合金等中厚板的传统氩弧焊设备，焊接填充效率低、焊接速度不高于180mm/min。K‑TIG焊接技术是利用大的电流（＞300A）产生较大的电弧压力，对中厚板进行一次性穿透焊接，由于不添加焊材、熔池重力和电弧较大的原因，焊缝成型容易产生咬边现象。

[0003] 在石化管道、压力容器等多种产品设备中，经过K‑TIG一道焊接后还需进行一道盖面焊，这个过程不仅需要更换焊接设备，在不锈钢等特殊材质还需控制层间温度，设备和时间成本上都有一定的增加，如何实现K‑TIG焊接真正的一次性焊缝成形技术有待完善。

[0004] 另一方面，由于K‑TIG焊接电弧较宽，一次性焊接焊缝正面宽度能达到12mm以上，而用于自动焊接的焊丝直径普遍在2mm左右，传统的氩弧焊对中送丝方式显然无法满足K‑TIG焊接一次焊缝成形。K‑TIG焊接速度较快达300mm/min、熔池体积大且流动性低，焊丝熔化后难以平铺满整个焊缝，导致K‑TIG焊接中厚板材料时存在咬边缺陷，无法一次性焊缝成形等缺陷。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种K‑TIG焊接系统及方法，以达到K‑TIG焊接一次性焊缝成形的目的。

[0006] 本发明提供的一种K‑TIG焊接系统, 包括图像采集系统、图像处理系统、控制系统、摆动机构、送丝机构和焊接机构；

[0007] 所述图像处理系统用于根据所述图像采集系统采集的电弧图像，检测在该焊接电流下的电弧宽度值，并将所述电弧宽度值传送至所述控制系统；所述控制系统用于根据所述电弧宽度值将电弧分成高、低送丝区域，及生成摆动宽度，以控制所述摆动机构和送丝机构进行摆动送丝。

[0008] 优选地，所述图像采集系统为高动态工业相机。

[0009] 优选地，所述送丝机构包括送丝机，所述送丝机通过导丝杆与导丝嘴相连接。

[0010] 优选地，所述摆动机构包括摆动器、摆动中心传感器和导丝杆夹持机构；所述摆动器用于通过伺服驱动系统控制滚珠丝杠将旋转运动转变成直线运动，对所述导丝嘴的摆动频率、摆动宽度、摆动停留时间进行数控调节。

[0011] 本发明还公开了一种基于所述的K‑TIG焊接系统的焊接方法，包括下述步骤：

[0012] S1、在控制系统中预先设置摆动频率、摆动停留时间及高、低送丝速度；采用焊接机构起弧稳定后，图像采集系统采集电弧图像，所述图像处理系统处理所述电弧图像，检测该焊接电流下的电弧宽度值，并将所述电弧宽度值传送至控制系统；

[0013] S2、所述控制系统根据所述电弧宽度值将电弧距离其底部1.5mm处以焊缝中心为中心均分为四个区域，两端为高速送丝区域，中间为低速送丝区域，同时生成摆动宽度；

[0014] S3、所述控制系统根据生成的摆动宽度，预先设置的摆动频率和摆动停留时间控制所述摆动机构，根据生成的高、低送丝区域，预先设置的高、低送丝速度控制所述送丝机构，进行摆动送丝，直至焊接完成。

[0015] 优选地，S1中，所述图像处理系统处理所述电弧图像的具体方法为：对所述电弧图像进行图像滤波算法处理，采用邻域平均法对某个窗口的各点灰度值进行平均计算，用所得的平均值代替中心点的灰度值。

[0016] 优选地，S1中，检测该焊接电流下，距离电弧底部1.5mm处的电弧宽度值。

[0017] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：

[0018] 1、本发明基于目前K‑TIG焊接中厚板难以一次性成形的缺陷，通过高动态工业相机，采集K‑TIG焊接电弧宽度范围值，控制系统自动根据电弧宽度检测值调整摆动送丝宽度，根据K‑TIG焊缝形貌设置高、低送丝速度区域，从而达到K‑TIG焊缝一次性焊缝成形的目的，解决了K‑TIG焊后咬边缺陷问题，从而代替盖面焊工艺，节约生产时间。根据不同焊接电流的大小得到不同的摆动送丝宽度，具有智能化高、自适应能力强、焊道完美等优点。

[0019] 2、本发明节约时间、设备成本，目前K‑TIG焊接中厚板还需要进行一段盖面焊，盖面焊的工艺一般是MIG或者TIG，需要进行多一台焊接电源设备的使用，本发明节省了盖面焊所使用的时间，尤其在焊接不锈钢等对层间温度有要求，需冷却再盖面时效果更为明显。

[0020] 3、本发明焊接过程中电弧燃烧稳定，无飞溅，焊后无需清渣，节约能源。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0022] 图1为本发明实施例中焊接系统的结构示意图。

[0023] 图2为本发明实施例中焊接方法的流程示意图。

[0024] 图3为本发明实施例中电弧图像处理示意图。

[0025] 图4为本发明实施例中高、低速送丝区域分区示意图。

[0026] 图中，1、焊接电源，2、氩气瓶，3、中厚板，4、K‑TIG焊接熔池，5、K‑TIG焊接电弧，6、钨极，7、导丝嘴，8、高速摄影相机，9、水冷机，10、送丝摆动器，11、伺服电机，12、送丝机，13、控制系统，14、图像处理器，15、固定梁，16、导丝杆。

具体实施方式

[0027] 提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

[0028] 实施例1

[0029] 参照图1，一种K‑TIG焊接系统，包括高速摄影相机8、图像处理器14、控制系统13、送丝摆动器10、送丝机构和K‑TIG焊接设备。

[0030] 所述送丝机构包括送丝机12，送丝机12通过导丝杆16与导丝嘴7相连接。

[0031] 送丝摆动器10构包括摆动器、摆动中心传感器和导丝杆夹持机构；所述摆动器用于通过伺服电机11控制滚珠丝杠将旋转运动转变成直线运动，对导丝嘴7的摆动频率、摆动宽度、摆动停留时间进行数控调节。焊接过程中，摆动宽度数值信号由电弧宽度值决定；摆动中心传感器始终保证摆动宽度以焊缝中心为中点；导丝杆夹持机构将焊丝通过一定的送丝角度填入焊缝中。

[0032] 所述K‑TIG焊接设备包括钨极6，钨极6分别与焊接电源1、氩气瓶2和水冷机9相连接。

[0033] 控制系统13分别与送丝机12、伺服电机11和图像处理器14相连接，图像处理器14与高速摄影相机8相连接；送丝摆动器10、伺服电机11及高速摄影相机8均安装在固定梁15上，导丝杆16置于所述导丝杆夹持机构内。

[0034] 图像处理器14用于根据高速摄影相机8采集的电弧图像，检测在该焊接电流下的电弧宽度值，并将所述电弧宽度值传送至控制系统13；控制系统13用于根据所述电弧宽度值将电弧分成高、低送丝区域，及生成摆动宽度，以控制送丝摆动器10和送丝机构进行摆动送丝。

[0035] 参照图1‑4，以10mm厚的Q235钢板对接焊为例，所述K‑TIG焊接系统的焊接方法,包括下述步骤：

[0036] S1、预先在控制系统13中设置摆动频率为80T/min，摆动停留时间为0.1s，高送丝速度为1.2m/min，低送丝速度为0.5m/min；在焊接电流520A，焊接速度4.4mm/s下，采用所述K‑TIG焊接设备起弧稳定后，高速摄影相机8采集K‑TIG焊接熔池4中K‑TIG焊接电弧5的电弧图像，图像处理器14对得到的电弧图像进行快速处理，原理如图3所示，即对电弧图像进行图像滤波算法处理，由于K‑TIG焊接的电弧图像电弧区与周围空间存在较大的灰度差异，故采用邻域平均法对某个窗口的各点灰度值进行平均计算，用所得的平均值代替中心点的灰度值，进而对电弧图像的边缘、轮廓及亮度等进行增强，方便对K‑TIG焊接电弧轮廓进行拾取。对处理后的电弧图像，检测距离电弧底部1.5mm处的电弧宽度值为11.2mm，并将信号传递到控制系统13中。此过程使得控制系统13能够自主的根据焊接条件自动选择摆动送丝宽度，保证焊丝摆动宽度不超出电弧宽度范围并持续熔化填充在焊缝中，具有灵活度、智能化程度较高的优点。

[0037] S2、参照图4，控制系统13根据Q235钢的焊缝成形特性及电弧宽度值11.2mm，将电弧距离其底部1.5mm处以焊缝中心为中心均分为四个区域，两端为高速送丝区域，中间为低速送丝区域，同时控制系统13生成的摆动宽度为5.6mm。依据不同焊接电流产生的不同电弧宽度范围，对该电弧宽度进行分区域智能送丝，具有精度高、焊缝成形完美、结构简单实用性强等优点。

[0038] S3、控制系统13根据生成的摆动宽度5.6mm，预先设置的摆动频率80T/min和摆动停留时间0.1s控制送丝摆动器10，根据生成的高、低送丝区域，预先设置的高送丝速度1.2m/min，低送丝速度0.5m/min控制所述送丝机构，进行摆动送丝，直至焊接完成，得到的焊缝两侧咬边缺陷消失，实现了K‑TIG焊接一次性焊缝成形。

[0039] 以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。