（中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院機(jī)械系統(tǒng)與智能制造技術(shù)研究室，四川成都611731）

基于機(jī)器人的多層多道馬鞍形焊縫自動(dòng)焊接應(yīng)用研究

付 俊，盛仲曦，楊 霄，陳 弈，董 娜

（中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院機(jī)械系統(tǒng)與智能制造技術(shù)研究室，四川成都611731）

針對(duì)含盆形坡口的馬鞍形焊縫的多層多道焊，研究了一種基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化焊接方法，包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、焊道排布、焊槍姿態(tài)設(shè)定、焊接參數(shù)設(shè)定、起弧收弧優(yōu)化、自動(dòng)排道軟件設(shè)計(jì)等具體內(nèi)容，并且針對(duì)3種不同規(guī)格的工件進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能充分保證焊接質(zhì)量和成形效果，同時(shí)還具有廣泛的適用性。

機(jī)器人；馬鞍形；焊縫；多層多道

0 前言

在壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)中有大量的馬鞍形焊縫，多為多層多道焊，人工焊接勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量難保證、效率較低，目前越來(lái)越多地采用專(zhuān)機(jī)進(jìn)行焊接。但專(zhuān)機(jī)對(duì)工件尺寸和坡口適應(yīng)性差，焊槍可調(diào)自由度少，而工業(yè)機(jī)器人擁有6個(gè)自由度，可滿(mǎn)足含坡口多層多道馬鞍形焊縫的各種姿態(tài)及位置精確變化的要求。對(duì)于該類(lèi)工件的焊接涉及到軌跡規(guī)劃、焊槍姿態(tài)、焊接工藝參數(shù)、道間搭接等多種因素，只有充分量化控制這些因素，才能兼顧效率與質(zhì)量，盡顯機(jī)器人自動(dòng)化焊接的優(yōu)勢(shì)[1-2]。

其中一種典型的馬鞍形焊縫坡口結(jié)構(gòu)如圖1所示，小管和筒身上均進(jìn)行了加工，組合后共同形成坡口，坡口內(nèi)為管板角接焊縫，坡口外為馬鞍形焊縫。通過(guò)大量的理論和試驗(yàn)研究，成功實(shí)現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)多層多道馬鞍形焊縫的機(jī)器人自動(dòng)化MIG焊接，并且工藝對(duì)不同尺寸的坡口具有良好的自適應(yīng)性。

1 軌跡規(guī)劃

1．1 TCP 軌跡

所用機(jī)器人為KUKA的KR16型多關(guān)節(jié)機(jī)器人，擁有6個(gè)自由度，即x、y、z（三個(gè)方向的平移自由度）、A（繞 z軸旋轉(zhuǎn)）、B（繞 y軸旋轉(zhuǎn)）、C（繞 x軸旋轉(zhuǎn)）。機(jī)器人TCP軌跡即焊絲端部的運(yùn)動(dòng)軌跡。最內(nèi)層的平面坡口填充軌跡為圓形，簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)。中外部的馬鞍形填充層軌跡則需要建立相應(yīng)的相貫線(xiàn)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。相貫線(xiàn)數(shù)學(xué)公式如下

式中 r為管座外徑（前一層焊道沿管座軸向投影外徑）；R為筒身外徑（前一層焊道沿筒身軸向投影外徑）；θ為沿管座周向的旋轉(zhuǎn)角度。

圖1 馬鞍形焊縫坡口結(jié)構(gòu)Fig.1 Sample of saddle-shape weld

相貫線(xiàn)示意如圖2所示。

圖2 相貫線(xiàn)示意Fig.2 Sample of intersecting line

1．2 軌跡離散化

機(jī)器人程序控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是由多個(gè)點(diǎn)連接計(jì)算而成，因此需要對(duì)TCP軌跡進(jìn)行分段離散化處理。沿管座軸向方向投影下來(lái)，將整圈軌跡按每15°一段均分為24段，每一段均由圓弧命令生成，各項(xiàng)焊接參數(shù)均可單獨(dú)設(shè)置。

1．3 焊道排布

確定好焊絲端部的行走軌跡后，根據(jù)既定焊接參數(shù)（焊接送絲速度vf、焊接行走速度v以及試驗(yàn)所得的焊道高度h）計(jì)算確定各焊道的形狀[3-4]。為了便于計(jì)算，將焊道形狀根據(jù)坡口形狀簡(jiǎn)化為三角形、梯形和平行四邊形[5]，同時(shí)為保證相鄰焊道搭接平滑，焊絲端部距上一層焊道對(duì)應(yīng)焊趾的距離a應(yīng)為2～3 mm。一種典型的焊道排布如圖4所示。

圖3 整圈分段Fig.3 Sections of bead

圖4 焊道排布搭接Fig.4 Bead arrangement

1．4 打底焊接定位

為保證通流質(zhì)量，打底焊接要求坡口背面不能熔穿。管座根部趾口厚度僅約2 mm，為避免電弧熱量將趾口焊穿，焊絲端部偏向筒身一側(cè)，并距坡口根部2 mm，同時(shí)焊絲與筒身的夾角盡可能大，以確保大部分電弧作用于筒身。

2 焊槍姿態(tài)調(diào)整

焊槍姿態(tài)對(duì)焊縫成形有非常重要的影響，包括焊槍角度、前后傾角和兩面角補(bǔ)償3個(gè)主要參數(shù)。

（1）肩部焊槍角度。

在垂直于焊接方向的平面上焊槍與集箱筒身之間的夾角為α，如圖5所示，在管座的焊接過(guò)程中，夾角越大熔池鋪展得越開(kāi)，焊道越寬。該參數(shù)由機(jī)器人坐標(biāo)中的B值（焊槍繞工件坐標(biāo)系y軸旋轉(zhuǎn)角度）決定。

圖5 焊槍角度Fig.5 Angle of the torch

（2）前后傾角。

焊槍與焊接方向法線(xiàn)形成的夾角β（見(jiàn)圖6），焊槍傾向焊接方向?yàn)楹髢A，反之為前傾。后傾時(shí)焊道變窄、變高，前傾時(shí)焊道變寬、變矮。馬鞍形焊縫下坡焊接時(shí)由于重力作用，焊道比上坡焊時(shí)寬，在下坡時(shí)引入后傾角、上坡時(shí)引入前傾角可彌補(bǔ)焊道的寬度差，確保焊道寬度的一致性。該參數(shù)由機(jī)器人坐標(biāo)中的A（工具繞工件坐標(biāo)系z(mì)軸旋轉(zhuǎn)角度）和B共同決定。

圖6 前后傾角示意Fig.6 Angle of torch inclination

（3）兩面角補(bǔ)償。

相貫線(xiàn)上任意一點(diǎn)的兩面角指分別過(guò)該點(diǎn)管座與筒身的切平面的夾角[6]。由于集箱筒身的形狀變化，從馬鞍形焊縫的肩部向腹部過(guò)渡時(shí)，兩面角逐漸增大。需要引入補(bǔ)償參數(shù)以使焊槍與筒身的夾角從肩部至腹部始終一致。兩面角ψ的計(jì)算公式如下

式中 r為當(dāng)前焊道在水平面上的投影圓的半徑；R為筒身半徑；θ為從肩部開(kāi)始的旋轉(zhuǎn)角度。

兩面角示意如圖7所示。

圖7 兩面角示意Fig.7 Sample of dihedral angle

焊槍在不同焊接位置時(shí)與水平面的夾角α′=α-（ψ-90）。

3 焊接參數(shù)設(shè)置

所用焊機(jī)為Fronius的TPS5000，最大額定電流500 A，支持電流、電壓一元自動(dòng)匹配，帶有脈沖模式。

3．1 電流模式

為了提高焊接效率，同時(shí)兼顧較小的熱輸入，決定采用脈沖焊接。

3．2 電流、電壓

為盡量固化參數(shù)，減少需要調(diào)節(jié)的參數(shù)數(shù)量，擬定了幾種焊接電流。較小規(guī)范——打底層150 A，填充時(shí)170 A，蓋面時(shí)150 A；較大規(guī)范——打底層170 A，填充時(shí)200 A，蓋面時(shí)170 A。焊機(jī)設(shè)置為一元化模式，電壓由焊機(jī)根據(jù)電流大小自動(dòng)設(shè)定。

3．3 起、收弧參數(shù)

為確保起弧成形良好，將起弧位置設(shè)定為馬鞍形焊縫的肩部。單條焊縫為一個(gè)完整的圓，為確保填充量一致，焊縫的收弧位置搭接在起弧位置上，需要準(zhǔn)確控制焊接的起弧和收弧電流參數(shù)，以確保接頭處不會(huì)出現(xiàn)肥大或弧坑。由于脈沖模式的電弧力較強(qiáng)，收弧時(shí)容易將熔池排開(kāi)而形成較大的凹坑，對(duì)成形及弧坑裂紋有不良影響。因此，收弧位置相對(duì)于起弧位置向前搭接5 mm，在收弧時(shí)將電流模式轉(zhuǎn)換為直流短路并持續(xù)一段時(shí)間，將收弧處填充飽滿(mǎn)。

根據(jù)試驗(yàn)可知，直流短路模式的送絲速度為正常脈沖焊接的40%時(shí)能將收弧處填充較好而不會(huì)擴(kuò)展凹坑。為避免收弧-起弧處搭接焊縫過(guò)高，將起弧的送絲速度設(shè)定為正常焊接的80%。

焊接速度為v（單位：mm/s），正常焊接的送絲速度為vf（單位：mm/min），收弧搭接距離為5 mm，為使收弧處的填充量與正常焊接時(shí)一致，搭接的填充量為 0.2×（5/v）×vf，直流收弧搭接的時(shí)間為 t，則 0.2×（5/v）×vf=0.4×vf×t，得出 t=2.5/v。優(yōu)化后的焊縫收弧效果如圖8所示。

圖8 收弧優(yōu)化效果對(duì)比Fig.8 Comparison of retreating the arc

3．4 擺動(dòng)

脈沖時(shí)的電流、電壓均較大，熔池較大，其流動(dòng)受重力影響明顯，而焊接位置多數(shù)情況下為橫焊位，擺動(dòng)極易形成上邊緣咬邊，因此全過(guò)程中禁用擺動(dòng)。

4 排道軟件

將焊道軌跡規(guī)劃、焊道排布、焊槍姿態(tài)調(diào)整、焊接工藝參數(shù)整合到軟件中，根據(jù)工件和坡口尺寸進(jìn)行參數(shù)化三維建模。首先輸入焊接工藝參數(shù)，然后計(jì)算一次性生成所有焊道的軌跡和截面形狀，焊槍的姿態(tài)隨著沿焊接方向移動(dòng)而不斷變化。軟件可一次性將所有焊道的機(jī)器人焊接程序輸出到機(jī)器人，焊機(jī)的焊接參數(shù)由機(jī)器人程序直接控制設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)含坡口的馬鞍形焊縫焊接過(guò)程的全自動(dòng)化。自動(dòng)排道軟件界面如圖9所示。

圖9 自動(dòng)排道軟件Fig.9 Software of bead auto arragement

5 焊接試驗(yàn)

5.1 焊接樣件

4種規(guī)格的馬鞍形焊接試樣如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 焊接試驗(yàn)樣件規(guī)格Table 1 Specification of welded specimens

5．2 焊接結(jié)果

φ70×22小管的外徑、壁厚較大，而所配對(duì)的集箱筒身外徑相對(duì)較小，因此其坡口較深、焊縫填充量大、馬鞍形相貫線(xiàn)的高低落差大。焊縫成形如圖10所示，焊道搭接量合適，焊縫成形均勻平滑，整體尺寸滿(mǎn)足圖紙要求，無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷。焊接過(guò)程熔合良好，飛濺很小。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

圖10 φ76.2×22小管焊縫成形Fig.10 Appearance of the φ76.2×22 tubes after welding

φ31.8×8小管外徑很小，壁厚適中，大部分焊縫為平面坡口，只有蓋面層焊縫為馬鞍形，且落差很小，可按照平面坡口處理，不用考慮兩面角補(bǔ)償和前后傾角。管座間間距很小，僅能選用窄間隙焊槍?zhuān)笜尳嵌仁芟?，幾乎不可調(diào)。焊縫成形如圖11所示，焊道搭接量合適，焊縫成形均勻平滑，整體尺寸滿(mǎn)足圖紙要求，無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷。焊接過(guò)程熔合良好，飛濺很小。

圖11 φ31.8×8小管焊縫成形Fig.11 Appearance of the φ31.8×8 tubes after welding

φ50.8×4.5小管外徑和壁厚均較小，而相對(duì)應(yīng)的筒身外徑較大，因此馬鞍形焊縫高低落差非常小，所有焊道均可按平面坡口處理，無(wú)需考慮兩面角補(bǔ)償和前后傾角。焊縫成形如圖12所示，焊道搭接量合適，焊縫成形均勻平滑，整體尺寸滿(mǎn)足圖紙要求，無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷。焊接過(guò)程熔合良好，飛濺很小。

圖12 φ50.8×4.5小管焊縫成形Fig.12 Appearance of the φ50.8×4.5 tubes after welding

5．3 金相檢驗(yàn)

分別對(duì)各焊接樣件在肩部和腹部進(jìn)行解剖金相檢驗(yàn)。金相如圖13～圖15所示，焊縫整體成形和熔合良好，未見(jiàn)缺陷。

圖13 φ76.2×20小管金相解剖照Fig.13 Metallographic view of φ76.2×20

圖14 φ31.8×8小管金相解剖照Fig.14 Metallographic view of φ31.8×8

6 結(jié)論

基于理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用自動(dòng)排道和軌跡生成方法使工業(yè)機(jī)器人成功應(yīng)用在含坡口的多層多道馬鞍形焊縫的自動(dòng)化焊接上。焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)于不同規(guī)格工件具有工藝自適應(yīng)性。按照該方法進(jìn)行的機(jī)器人自動(dòng)化焊接優(yōu)勢(shì)如下：

（1）一次性生成所有焊道軌跡和相應(yīng)的焊道截面形狀及排布圖。

（2）預(yù)設(shè)好參數(shù)后，焊槍的姿態(tài)在焊接過(guò)程中可根據(jù)成形需要自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（3）焊接參數(shù)的設(shè)定盡量簡(jiǎn)化，僅需設(shè)定焊接電流和焊接速度，其余參數(shù)根據(jù)已有參數(shù)自動(dòng)計(jì)算，最大程度減小參數(shù)過(guò)多帶來(lái)的不確定因素。

（4）收弧時(shí)的模式轉(zhuǎn)換和收弧時(shí)間補(bǔ)償對(duì)于改善收弧點(diǎn)焊縫成形具有非常好的效果。

（5）設(shè)計(jì)的三維自動(dòng)排道軟件可對(duì)不同規(guī)格工件自動(dòng)參數(shù)化建模，自動(dòng)計(jì)算機(jī)器人軌跡和焊槍姿態(tài)等，排道結(jié)果直觀(guān)，并且直接生成機(jī)器人可執(zhí)行的最終焊接程序，極大提升了焊接的自動(dòng)化程度。

圖15 φ50.8×4.5小管金相解剖照Fig.15 Metallographic view of φ50.8×4.5

（6）對(duì)3種不同規(guī)格工件的焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法焊接質(zhì)量高，焊縫成形好，工藝自適應(yīng)性廣，可充分保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（7）工業(yè)機(jī)器人為通用型設(shè)備，同時(shí)該方法對(duì)于含坡口的馬鞍形焊縫的多層多道自動(dòng)焊接具有普遍適用性，易于推廣。

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Research on saddle-shaped seam multi-pass welding technology based on robot

FU Jun，SHENG Zhongxi，YANG Xiao，CHEN Yi，DONG Na
（Intelligent Equipments&Control Technology Institute，Dongfang Electric Corporation R&D Center，Chengdu 611731，China）

For multi-pass welding of saddle-shape with pot-shape groove，an automatic welding method based on industrial robot was studied，which includes robot motion trajectory planning，bead arrangement，torch attitude setting，welding parameters setting，the arc striking and ending optimization，the bead arrangement software design，etc.And welding experiments were carried out for three specifications workpiece.Theresultsshowthat，themethodcanobtaingoodqualityofweldingandweldingmolding，soithastheextensiveapplicability.

robot；saddle-shape；welding seam；multi-pass welding

TG409

A

1001－2303（2017）11－0015-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.03

本文參考文獻(xiàn)引用格式：付俊，盛仲曦，楊霄，等.基于機(jī)器人的多層多道馬鞍形焊縫自動(dòng)焊接應(yīng)用研究[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：15-20.

2017-07-05

付 ?。?983—），男，工程師，碩士，主要從事焊接自動(dòng)化、智能制造技術(shù)及焊接工藝的研究。E-mail：fujun@dongfang.com。