（東方電機(jī)股份有限公司，四川德陽618000）

智能化機(jī)器人焊接技術(shù)在大型水電部件中的應(yīng)用

鄢志勇，范 瀟，馮 濤，林 松，嚴(yán) 靖，金 寶，王能慶

（東方電機(jī)股份有限公司，四川德陽618000）

介紹大型水電部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和智能機(jī)器人焊接技術(shù)的特點(diǎn)，智能機(jī)器人焊接技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備行業(yè)，在焊接效率和質(zhì)量、制造成本和周期、操作安全環(huán)境、特殊位置焊接等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，是基礎(chǔ)裝備制造業(yè)提升焊接技術(shù)水平的關(guān)鍵，推廣智能化機(jī)器人焊接技術(shù)具有重要意義。

智能化機(jī)器人焊接；多層多道；焊接結(jié)構(gòu)件

0 前言

工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一，對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。焊接機(jī)器人是應(yīng)用最為廣泛的一類工業(yè)機(jī)器人，是焊接自動(dòng)化領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性進(jìn)步，突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式，實(shí)現(xiàn)了小批量工件的柔性自動(dòng)化制造[1]。

焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有一半應(yīng)用于焊接加工領(lǐng)域，多數(shù)焊接機(jī)器人分布在日本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。特別是在批量化、大規(guī)模和有害作業(yè)環(huán)境中的使用率更高，已形成了成熟的技術(shù)、設(shè)備和與之配套并不斷升級(jí)的焊接工藝。

隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)水平的不斷提高，焊接機(jī)器人的普及應(yīng)用快速增長(zhǎng)，近幾年的增長(zhǎng)率達(dá)60%，在汽車、工程機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)已逐漸取代人工焊接。但在大型基礎(chǔ)裝備制造業(yè)領(lǐng)域，因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的巨大差異，機(jī)器人焊接的研究和應(yīng)用仍處于起步階段。未來基礎(chǔ)裝備制造業(yè)的水平主要體現(xiàn)在高精度、高效率、低成本、高柔性等方面。機(jī)器人焊接代表先進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展方向，是提升制造業(yè)焊接水平的必經(jīng)之路。在大型水電裝備制造領(lǐng)域進(jìn)行機(jī)器人焊接技術(shù)的研究具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

1 大型水電產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)及焊接特點(diǎn)

目前焊接機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)等批量結(jié)構(gòu)的制造領(lǐng)域，其應(yīng)用對(duì)象具有非常明顯的特點(diǎn)：尺寸和質(zhì)量較小、批量成形和裝配精度較高、工件易于實(shí)現(xiàn)變位、焊縫處于開放空間、焊縫坡口形式和焊道軌跡簡(jiǎn)單。上述特點(diǎn)能夠充分發(fā)揮機(jī)器人定位精確、重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度高的特點(diǎn)，通過簡(jiǎn)單的在線示教和離線編程工作即可滿足工程要求，能夠大幅提高焊接質(zhì)量和效率。因此，機(jī)器人焊接在上述行業(yè)快速普及，取代手工作業(yè)成為主要的焊接方法[2-3]。

但是，在大型發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)，特別是水電設(shè)備行業(yè)，其部件普遍為單件或小批量結(jié)構(gòu)件，尺寸大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其截然不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為機(jī)器人焊接方法的應(yīng)用帶來全新的挑戰(zhàn)。

常規(guī)機(jī)器人應(yīng)用對(duì)象和發(fā)電設(shè)備行業(yè)典型產(chǎn)品的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 機(jī)器人工作對(duì)象特點(diǎn)的對(duì)比

由于發(fā)電設(shè)備部件和機(jī)器人常規(guī)應(yīng)用對(duì)象的巨大差異，極大限制了焊接機(jī)器人在發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)的應(yīng)用。大型水電產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重、焊縫多、焊接量大、焊接質(zhì)量要求高，需在平焊、橫焊和立焊等多位置進(jìn)行多層多道焊接，焊縫厚度超過200 mm，通過技術(shù)攻關(guān)在座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、球閥、導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人焊接技術(shù)的應(yīng)用。

2 智能化機(jī)器人焊接技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

智能化機(jī)器人焊接技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、結(jié)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)和焊接技術(shù)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)的焊接機(jī)器人工作站主要由弧焊機(jī)器人本體、電源、外圍行走機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)變位機(jī)和自動(dòng)裝配送料系統(tǒng)組成，采用混合氣體保護(hù)焊，通過聯(lián)動(dòng)變位和自動(dòng)裝配送料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在平焊或船形位置的自動(dòng)化高速焊接。

然而智能化機(jī)器人焊接技術(shù)在大型水電部件中的應(yīng)用屬于多位置多層多道焊，水電產(chǎn)品的智能化焊接需解決大型焊接結(jié)構(gòu)件不易翻身、空間復(fù)雜焊接、狹小空間機(jī)械手運(yùn)動(dòng)干涉和碰撞以及超厚板多層多道焊接質(zhì)量等問題。隨著對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模擬仿真焊接技術(shù)、多層多道焊接技術(shù)和機(jī)器人堆焊技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了全關(guān)節(jié)型柔性弧焊機(jī)器人在水力發(fā)電設(shè)備制造中的應(yīng)用。機(jī)器人焊接應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備行業(yè)將具有以下不可替代的優(yōu)勢(shì)：

（1）焊接效率和質(zhì)量。機(jī)器人焊接不是簡(jiǎn)單替代焊工從事機(jī)械重復(fù)工作，而是提升產(chǎn)品制造的質(zhì)量和效率。發(fā)電設(shè)備部件普遍為厚壁焊接結(jié)構(gòu)件，焊接量大，質(zhì)量要求高。機(jī)器人焊接的效率為手工焊操作的3～5倍，并且運(yùn)動(dòng)精度和重復(fù)精度高，焊道規(guī)則穩(wěn)定。焊縫質(zhì)量不受焊工操作水平和工作環(huán)境限制，波動(dòng)性小，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性具有重要意義。

（2）制造成本和周期。由于發(fā)電設(shè)備尺寸較大，焊縫質(zhì)量要求高，需要大量的高技能焊工，給焊接生產(chǎn)周期的組織帶來一定困難?；『笝C(jī)器人可實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效工作，機(jī)器人焊接程序規(guī)劃能夠離線提前編制，縮短產(chǎn)品焊接周期。機(jī)器人逐步取代焊接操作者，人工成本降低。特別是人力成本不斷提高的情況下，機(jī)器人價(jià)格又穩(wěn)步降低，機(jī)器人替代人工操作將具有越來越明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

（3）操作者安全作業(yè)。隨著發(fā)電設(shè)備功率容量的不斷提升，部件材料中高強(qiáng)鋼的使用比例增加，保證焊接質(zhì)量所需的預(yù)熱溫度也逐步提高。焊接作業(yè)空間的溫度可達(dá)約150℃，影響操作者身體健康，且無法保證焊接質(zhì)量。機(jī)器人能夠在高溫環(huán)境下替代人工作業(yè)，顯著改善工作情況，降低焊接質(zhì)量的波動(dòng)性。

（4）特殊位置焊接。由于大型水電部件的不規(guī)則性，存在大量半封閉空間內(nèi)的焊縫。手工焊接操作時(shí)，部分焊接位置的可視性、可達(dá)性和可操作性無法滿足工作要求。機(jī)器人操作時(shí)，其多關(guān)節(jié)臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能夠顯著改善焊接可達(dá)性和可操作性。配合離線編程和焊接過程監(jiān)控環(huán)節(jié)，可改善焊接可視性。在特殊難焊位置、甚至人工無法施焊位置，機(jī)器人都能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的焊接。

3 智能化機(jī)器人焊接技術(shù)的研究和應(yīng)用

3.1 厚板多層多道自動(dòng)化焊接技術(shù)

3.1.1 厚板多層多道自動(dòng)化焊接技術(shù)研究對(duì)象

座環(huán)是水電機(jī)組中的重要埋設(shè)部件，將承受機(jī)組質(zhì)量、混凝土質(zhì)量及轉(zhuǎn)輪的軸向水推力和蝸殼的內(nèi)水壓力，應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，因此對(duì)制造過程提出極高的要求。座環(huán)主要由上環(huán)板、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉等零件組焊而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接難度大，焊縫質(zhì)量等級(jí)高，典型座環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)座環(huán)結(jié)構(gòu)

座環(huán)結(jié)構(gòu)的焊接難點(diǎn)有[4-5]：（1）上、下環(huán)板與固定導(dǎo)葉裝配后形成半封閉的盒裝結(jié)構(gòu)，操作空間小，焊接難度大。（2）焊接預(yù)熱溫度高。座環(huán)焊接時(shí)至少應(yīng)保證100℃以上的預(yù)熱溫度，通常達(dá)到130℃以上。在狹小的半封閉空間內(nèi)，高溫極大影響操作者的安全和焊接水平。（3）座環(huán)零部件均為厚板，焊接填充量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

由于座環(huán)焊接操作空間小、溫度高、工作量大，采用手工焊接不僅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且不利于焊接操作者的勞動(dòng)安全保護(hù)，亦無法保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。因此以座環(huán)為對(duì)象進(jìn)行機(jī)器人焊接的研究。

某水電機(jī)組的座環(huán)尺寸如表2所示。由于座環(huán)整體尺寸較大，制造過程中分兩瓣制造，以滿足工地運(yùn)輸要求。

表2 座環(huán)組件結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1.2 厚板多層多道橫焊的焊道規(guī)劃

由表2可知，座環(huán)最大外徑約6.5 m，導(dǎo)葉厚度160 mm。座環(huán)的焊接包括20個(gè)導(dǎo)葉與上、下環(huán)板的T型接頭焊縫，在座環(huán)平放狀態(tài)下全部為橫焊位置，最大板厚約為160 mm，單個(gè)焊接接頭焊道數(shù)達(dá)到140多條，屬于典型的橫焊位置厚板多層多道焊。

在厚板橫焊過程中，熔池金屬易發(fā)生下淌，形成不規(guī)則的焊道成形，從而形成焊接缺陷[6]。橫焊位置的焊道成形主要特點(diǎn)如下：

（1）焊炬相對(duì)坡口面和焊接方向的角度，即工作角和行走角，對(duì)焊縫成形起著決定作用，特別是每層的打底道和靠上熔合線的一道，如圖2所示。

圖2 焊道規(guī)劃示意

（2）焊接參數(shù)中的電流、電壓、熱輸入、焊接速度、擺動(dòng)情況對(duì)焊縫成形有直接影響。

（3）座環(huán)是水輪機(jī)部件中含導(dǎo)葉焊接的其中一類，焊縫的型線為不規(guī)則的樣條曲線，加上大厚板的特性，其焊道組成更為特別。每一層、每一道的長(zhǎng)度、起弧收弧點(diǎn)都不一樣，起弧點(diǎn)及之前的進(jìn)槍點(diǎn)還受到相鄰導(dǎo)葉的干涉，造成焊炬角度的被動(dòng)改變。

通過大量的焊接工藝試驗(yàn)找出導(dǎo)葉坡口焊縫的成形規(guī)律和焊接參數(shù)，以焊縫的位置、道序數(shù)和層序數(shù)為劃分對(duì)象，整合、歸類對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)，制定了座環(huán)厚板多層多道橫焊的焊道規(guī)劃原則。

3.1.3 離線編程

離線編程系統(tǒng)中的路徑由一系列離散的標(biāo)簽點(diǎn)組成，路徑的屬性和功能取決于標(biāo)簽點(diǎn)。焊道路徑包括焊接路徑和收槍、進(jìn)槍路徑，其中焊接路徑中標(biāo)簽點(diǎn)不但記錄著其與基準(zhǔn)坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系，而且還包含相應(yīng)的焊接參數(shù)；收、進(jìn)槍路徑點(diǎn)主要記錄焊槍在收、進(jìn)槍時(shí)的位姿關(guān)系。座環(huán)的離線編程標(biāo)簽點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。

圖3 座環(huán)離線編程路徑規(guī)劃

路徑各標(biāo)簽點(diǎn)對(duì)于規(guī)則焊縫具有一致性，這樣的路徑規(guī)劃可通過軟件在實(shí)體模型中自動(dòng)生成。但是，座環(huán)導(dǎo)葉焊接路徑各標(biāo)簽點(diǎn)由于受導(dǎo)葉間空間限制，在靠近導(dǎo)葉出水邊時(shí)，焊接工作角有一個(gè)最大值限制，導(dǎo)致各標(biāo)簽點(diǎn)焊接位姿不同；另一方面，焊縫長(zhǎng)度隨著焊縫厚度的增加逐步變短，也會(huì)給路徑規(guī)劃帶來困難。所以在路徑規(guī)劃時(shí)只能根據(jù)焊道的不同分別進(jìn)行規(guī)劃。同時(shí)根據(jù)座環(huán)的離線編程結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，評(píng)估機(jī)器人在半開放空間的座環(huán)焊接過程中發(fā)生碰撞和運(yùn)動(dòng)限位風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。

圖4 機(jī)器人焊接離線仿真過程

3.1.4 座環(huán)的機(jī)器人焊接

制造過程分為弧焊機(jī)器人的焊接過程和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的輔助調(diào)整過程。輔助調(diào)整過程包括程序試運(yùn)行、路徑糾偏、焊接參數(shù)調(diào)整、焊槍清理、焊道清理等，焊接過程如圖5所示。

圖5 座環(huán)的機(jī)器人焊接過程

通過工藝研究有效地控制了焊接變形，確保了焊接質(zhì)量，整個(gè)焊縫成形過程平穩(wěn)，相對(duì)人工操作，體現(xiàn)出很好的柔性，充分利用機(jī)器人的規(guī)則擺動(dòng)，焊縫成形美觀，熔合良好，如圖6所示。

對(duì)座環(huán)焊接結(jié)果進(jìn)行尺寸檢查和探傷檢查，座環(huán)焊接后尺寸滿足要求，UT探傷合格率為95%，焊接效率約是人工的3倍，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

圖6 座環(huán)焊縫成形

3.2 復(fù)雜曲面快速成型技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

3.2.1 復(fù)雜曲面焊接成型技術(shù)的研究對(duì)象

沖擊式轉(zhuǎn)輪具有復(fù)雜的幾何型線。目前，瑞士蘇爾壽公司的沖擊式轉(zhuǎn)輪的制造技術(shù)代表了國(guó)際上最先進(jìn)的水平，國(guó)內(nèi)大部分沖擊式轉(zhuǎn)輪水斗一直依賴進(jìn)口。以高橋電站水斗制造為契機(jī)，采用新型制造工藝（焊接機(jī)器人自動(dòng)焊接水斗和數(shù)控加工技術(shù)），以提高水斗制造質(zhì)量、降低成本。具體為：轉(zhuǎn)輪的輪盤（包括水斗根部）用整塊不銹鋼全鍛件數(shù)控加工而成，水斗的前端采用焊接機(jī)器人全自動(dòng)逐層堆焊而成，水斗最終翼型由數(shù)控加工后鏟磨拋光，轉(zhuǎn)輪水斗如圖7所示。

圖7 沖擊式轉(zhuǎn)輪水斗示意

3.2.2 復(fù)雜曲面焊接成型技術(shù)的開發(fā)

（1）結(jié)合圖樣和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪采集的數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)輪水斗流型線進(jìn)行UG建模造型。

（2）水斗焊接的離線編程。為節(jié)約成本和縮短試驗(yàn)周期，將試驗(yàn)材料和焊接材料改定為碳鋼，并將水斗尺寸縮小4倍，再利用UG造型的數(shù)據(jù)（對(duì)外部分修改）根據(jù)水斗曲面、截面變化率分成多個(gè)截面，周邊加放3～5 mm數(shù)控加工余量，結(jié)合工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如焊槍擺放角度，行走角度，行走軌跡，焊接規(guī)范等）離線編制了水斗機(jī)器人自動(dòng)焊接程序。

（3）采用冷弧焊新技術(shù)，通過精確地控制和調(diào)節(jié)焊接過程中電弧電壓和電流，使電弧在短弧焊接狀態(tài)下穩(wěn)定地焊接，實(shí)現(xiàn)焊縫的精確快速成形。

（4）試驗(yàn)后通過三維檢測(cè)，尺寸精度與修改后UG造型一致。

通過上述步驟的實(shí)施，解決了相關(guān)技術(shù)難題，圓滿完成水都模型件的機(jī)器人自動(dòng)焊接，機(jī)器人堆焊效果如圖8所示。

圖8 機(jī)器人自動(dòng)堆焊的水斗

3.3 異形曲面定量堆焊技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

3.3.1 異形曲面定量堆焊技術(shù)的研究對(duì)象

水電產(chǎn)品中的一些部件因處于特殊的服役工況，通常有表面耐磨耐蝕等性能的要求，需要在普通材料基體表面堆焊一定厚度的高性能材料，并且是在特定區(qū)域（多為異形曲面）定量堆焊，以最低的成本滿足產(chǎn)品的性能要求。

目前，已在貫流式機(jī)組導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)輪體的制造中開發(fā)并應(yīng)用機(jī)器人異型曲面定量堆焊技術(shù)。根據(jù)不同類型的曲面、機(jī)器人工作站的適應(yīng)性、焊接要求和加工要求將機(jī)器人示教編程、離線編程以及不銹鋼堆焊工藝、快速成型技術(shù)相結(jié)合，即為機(jī)器人異型曲面定量堆焊技術(shù)。

轉(zhuǎn)輪體主要由球面與法蘭組成，其表面堆焊是為滿足其過流面的耐磨要求。全表面堆焊不銹鋼15 mm厚，其中球面部分因5個(gè)開孔而成為異性曲面，占50%以上的堆焊量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（三維圖）及堆焊部位如圖9所示。

3.3.2 異形曲面定量堆焊技術(shù)的開發(fā)

機(jī)器人堆焊作業(yè)的特點(diǎn)為空間開放、可重復(fù)性強(qiáng)，對(duì)焊道規(guī)劃及焊接試驗(yàn)的要求不迫切，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況隨時(shí)調(diào)整熔敷方案，焊炬姿態(tài)、焊接參數(shù)相對(duì)固化，可實(shí)現(xiàn)程序的模板化和重復(fù)利用。以堆焊快速成形工藝為基礎(chǔ)，將焊縫熔寬作為堆焊厚度，利用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，精準(zhǔn)路徑規(guī)劃配合焊炬的定長(zhǎng)擺動(dòng)，在機(jī)器人強(qiáng)大柔性的保證下實(shí)現(xiàn)焊縫的定量成形。

圖9 轉(zhuǎn)輪體表面堆焊

通過分析工件結(jié)構(gòu)，確立了兩種機(jī)器人工作方案。一是六軸站立式機(jī)器人協(xié)同外部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作站模式，二是弧形導(dǎo)軌十軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人工作站。前者適用于工件尺寸相對(duì)較小，焊接路徑為規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng)，如導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)的堆焊；后者適用對(duì)象為工件尺寸相對(duì)較大、曲面不連續(xù)、焊接路徑變化頻繁，如轉(zhuǎn)輪體的堆焊。轉(zhuǎn)輪體堆焊如圖10所示，導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)堆焊如圖11所示。

圖10 轉(zhuǎn)輪體機(jī)器人自動(dòng)堆焊

異性曲面定量技術(shù)充分利用弧焊機(jī)器人自動(dòng)焊接代替人力、高質(zhì)量焊縫成形的優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品制造創(chuàng)造很高的附加值，將在更多的產(chǎn)品中得到應(yīng)用并不斷優(yōu)化。

3.4 半封閉空間厚板多層多道異形曲線機(jī)器人焊接

3.4.1 半封閉空間厚板多層多道異形曲線機(jī)器人焊接的研究對(duì)象

圖11 導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)機(jī)器人自動(dòng)堆焊

水電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，極易形成半封閉甚至封閉的非開放空間，采用焊條電弧焊和半自動(dòng)焊時(shí)無法同時(shí)滿足焊接的可達(dá)性、可視性及可操作性；由于水電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)突出材料焊接性差、焊接質(zhì)量要求高、板厚等特點(diǎn)，工件多需預(yù)熱，對(duì)焊工要求高；非開放空間內(nèi)煙塵等有毒有害物質(zhì)不能有效排出，威脅焊工身體健康，故開發(fā)針對(duì)非開放空間結(jié)構(gòu)工件的機(jī)器人焊接具有重大意義。

半封閉結(jié)構(gòu)空間轉(zhuǎn)輪如圖12所示。

圖12 半封閉空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪

3.4.2 半封閉空間厚板多層多道異形曲線機(jī)器人焊接技術(shù)的開發(fā)

（1）狹小空間內(nèi)防碰撞與防限位。雖然使用重新設(shè)計(jì)過的焊炬，機(jī)器人能夠無障礙地抵達(dá)焊接位置，但機(jī)器人本體有4個(gè)軸進(jìn)入流道，若有意外，極易發(fā)生碰撞或限位。因此，須仿真模擬焊接程序，并依據(jù)仿真結(jié)果判斷在狹小空間內(nèi)機(jī)器人在不碰撞不限位的情況下所能運(yùn)動(dòng)的空間，為后續(xù)程序修正提供依據(jù)，運(yùn)動(dòng)仿真如圖13所示。

（2）焊接姿態(tài)的變換。程序仿真除規(guī)避碰撞與限位，還為支持程序修正，程序修正在此主要為焊接姿態(tài)的變換。由于坡口隨流道扭曲，為隨時(shí)保證在狹小空間內(nèi)的最佳焊接姿態(tài)，焊槍必須不停地進(jìn)行焊接姿態(tài)（主要為工作角與行進(jìn)角）的變換，因此某一焊道各個(gè)節(jié)點(diǎn)的焊接姿態(tài)定義并不一致，但由于對(duì)焊接姿態(tài)影響焊道成形的定量化不精確，并不希望各個(gè)節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)急劇變換。同時(shí)，由于焊接姿態(tài)直接影響焊縫成形，亦影響下一焊道的排布，為避免焊接姿態(tài)的不斷變換帶來焊道排布困難，盡可能地使多個(gè)焊道的焊接姿態(tài)具有一致性。

圖13 運(yùn)動(dòng)仿真

（3）焊道排布。焊道排布須在保證焊接質(zhì)量的前提下易于實(shí)現(xiàn)。焊縫靠葉片一側(cè)熔合的保證難度大，因此，每層焊道皆從葉片一側(cè)開始排布，如圖14所示，在葉片一側(cè)的焊道只需保證該側(cè)的熔合而無需顧忌另一側(cè)。同時(shí)將焊道規(guī)劃為薄而寬的焊道也有利于焊道排布，能很好地避免最后在上冠一側(cè)形成深而窄的焊接填充區(qū)域。

圖14 焊道排布

（4）焊接參數(shù)的選擇。焊接參數(shù)中的焊接位置和姿態(tài)受狹小空間的限制，基本沒有選擇余地，本研究中焊接參數(shù)的選擇特指焊接電流、電壓等電源參數(shù)及焊接速度、擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。依據(jù)已有的焊道排布，調(diào)整焊接參數(shù)以實(shí)現(xiàn)焊道排布需要經(jīng)驗(yàn)豐富的焊工指導(dǎo)，機(jī)器人轉(zhuǎn)輪焊接如圖15所示。

圖15 機(jī)器人轉(zhuǎn)輪焊接

4 結(jié)論

（1）機(jī)器人焊接應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備行業(yè)，在焊接效率和質(zhì)量、制造成本和周期、操作安全環(huán)境、特殊位置焊接等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，是基礎(chǔ)裝備制造業(yè)提升焊接技術(shù)水平的關(guān)鍵。

（2）以座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪體等的智能化焊接技術(shù)為研究對(duì)象，進(jìn)行機(jī)器人焊接的模擬仿真、焊道規(guī)劃和試驗(yàn)研究。通過大量的焊接工藝試驗(yàn)，獲得焊縫的成形規(guī)律和焊接參數(shù)，以焊縫的位置、道序數(shù)和層序數(shù)為劃分對(duì)象，整合、歸類對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)，制定多層多道橫焊的焊道規(guī)劃原則，完成焊接過程的離線編程和運(yùn)動(dòng)仿真。

（3）機(jī)器人焊接過程平穩(wěn)，相對(duì)人工操作體現(xiàn)出很好的柔性，充分利用機(jī)器人的規(guī)則擺動(dòng)，焊縫成形美觀，熔合良好，達(dá)到預(yù)期研究結(jié)果。

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Application of the robot welding technology for the parts of large hydropower

YAN Zhiyong，F(xiàn)AN Xiao，F(xiàn)ENG Tao，LIN Song，YAN Jing，JIN Bao，WANG Nengqing
（Dong Fang Electrical Machinery Co.，Ltd，Deyang 618000，China）

The robot welding has irreplaceable advantages in efficiency，quality，cost and cycle time ways，safe operating environment and special position welding.The multi-pass welding is researched about the parts of large hydropower，offline programming and movement simulation are successfully applied to the welding of the parts of large hydropower，it is a very important significance to the application and research of the robot welding technology.

robot welding；multi-pass welding；welding structure

TG409

C

1001－2303（2017）11－0045-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.09

本文參考文獻(xiàn)引用格式：鄢志勇，范瀟，馮濤，等.智能化機(jī)器人焊接技術(shù)在大型水電部件中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：45-51.

2017-09-07

鄢志勇（1970—），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水電、火電、核電的焊接工藝和試驗(yàn)開發(fā)。E-mail：976021752@qq.com。