席保龍，張峻銘，鄧小龍，徐順鑫，廖 鳳，李春燕，匡清華

東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000

0 前言

大彎扭空心靜葉片是汽輪機(jī)末級裝置的重要組成部件，直接影響著汽輪機(jī)的使用性能和壽命。因末級空心靜葉片具有質(zhì)量輕、成本低、防水蝕性能優(yōu)異的特點(diǎn)，采用焊接式空心結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于核電汽輪機(jī)的低壓模塊［1-2］。目前，空心靜葉片一般采用CO2氣體保護(hù)焊手工焊接成形，存在勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低及成本高的問題，難以滿足現(xiàn)代化企業(yè)的需求。工業(yè)焊接機(jī)器人已成為自動化焊接技術(shù)的潮流［3-4］，被廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)空心靜葉片的自動化焊接提供了可能。

雖然自動化焊接具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、效率高及低成本的優(yōu)勢，但工作模式一般為示教再現(xiàn)模式，示教對于大批量、單一焊縫的工件具有良好的焊接效果，而面對小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，示教耗時長、生產(chǎn)效率低［5-6］。此外，機(jī)器人示教的精度取決于工人的操作經(jīng)驗(yàn)，受工人示教能力以及工件復(fù)雜程度的制約，從而影響焊接質(zhì)量。為保證汽輪機(jī)空心靜葉片的焊接質(zhì)量和焊接經(jīng)濟(jì)性，要求焊接機(jī)器人具有自動識別焊縫的能力。本文采用一種基于激光視覺焊縫自主跟蹤的自動化焊接方法對空心靜葉片進(jìn)行焊接，對推進(jìn)高質(zhì)量、高效率的自動化焊接具有一定的參考作用。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該自主核電空心靜葉片為東方汽輪機(jī)有限公司目前設(shè)計(jì)的最為復(fù)雜的變截面空心葉片，空間型線復(fù)雜，彎扭度大，由內(nèi)弧、背弧兩個工件經(jīng)鋼板熱壓成型后焊接而成，葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)弧和背弧兩個工件的長度為1 680 mm，弦寬408 mm，厚度6 mm，材料牌號為X2CrNi12，整個葉片的焊縫分為進(jìn)汽邊的對接焊縫和出汽邊的堆焊焊縫，且兩條焊縫均為變截面坡口空間曲線，對接焊縫窄而細(xì)，堆焊焊縫寬而廣。因此根據(jù)空心靜葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要在焊接工裝、焊接工藝及機(jī)器人路徑設(shè)計(jì)方面進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 空心葉片結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Schematic diagram of hollow blade structure

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

選用型號為IRB4600-40/2.55的ABB焊接機(jī)器人（見圖2a），其具有應(yīng)用范圍廣、機(jī)身纖巧、防護(hù)周密、效率高的特性。焊接電源選用伊薩MIG 5000i逆變焊機(jī)（見圖2b）。焊縫跟蹤選用SERVO-ROBOT激光視覺傳感器，其具有實(shí)時焊縫跟蹤、處理復(fù)雜的焊縫軌跡及適用任何可焊接金屬的特點(diǎn)，能夠?qū)ζ驴趲缀涡蚊沧兓瘜?shí)時做出適應(yīng)性調(diào)整（見圖2c）。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Schematic diagram of the experimental equipment

2 激光跟蹤模型及程序優(yōu)化

2.1 激光跟蹤原理

激光跟蹤焊縫的步驟原理如圖3所示［7］，激光傳感器固定于機(jī)器人末端，基于三角測量原理獲得被測物的距離信息，通過掃描焊件采集焊縫坡口的輪廓特征信息［8-10］；將采集的信息輸送入工控機(jī)進(jìn)行濾波及平滑噪聲；采用2階導(dǎo)數(shù)法與線性擬合相結(jié)合的方法定位焊縫特征點(diǎn)的坐標(biāo)；經(jīng)過標(biāo)定傳感器將特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換到焊槍坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，機(jī)器人控制柜接收到位姿信號，驅(qū)動機(jī)器人移動來引導(dǎo)焊槍運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時跟蹤。

圖3 激光跟蹤焊縫原理Fig.3 Schematic diagram of Laser tracking weld

2.2 激光跟蹤模型改進(jìn)及精度提高

在焊接空心葉片時，對多個空心葉片的進(jìn)汽邊焊縫坡口進(jìn)行激光掃描尋位，出現(xiàn)了激光跟蹤不穩(wěn)定的現(xiàn)象，每一個葉片全程中斷多次，尋位程序不能穩(wěn)定、有效地識別被焊物體的特征點(diǎn)，視覺檢測系統(tǒng)報(bào)錯，機(jī)器人停止跟蹤作業(yè)并顯示相應(yīng)的故障代碼，導(dǎo)致自動焊接中斷，葉片轉(zhuǎn)為人工補(bǔ)焊作業(yè)，人力成本大、效率低，焊縫質(zhì)量下降。

特征點(diǎn)模型是反映焊縫坡口輪廓的關(guān)鍵信息，激光跟蹤焊縫的核心在于傳感激光器識別焊件的特征點(diǎn)模型。針對空心葉片進(jìn)汽邊激光跟蹤不穩(wěn)定、效率低的問題，對激光跟蹤模型進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)空心葉片進(jìn)汽邊對接焊縫坡口兩側(cè)的截面是曲面而非平面，故將外角接開口激光跟蹤模型（見圖4a）修正為T型內(nèi)角接地板彎曲模型（見圖4b）。在此模型下，對多個空心葉片的進(jìn)汽邊進(jìn)行激光掃描尋位，激光跟蹤相對穩(wěn)定，全程無中斷，通過尋位程序確定被焊物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)擬合出的焊槍行走運(yùn)動軌跡與實(shí)際葉片搭接的焊縫軌跡接近，左右側(cè)焊縫尋位較準(zhǔn)確。出汽邊堆焊焊接采用的特征點(diǎn)模型為斜邊搭接模型，如圖4c所示，在此模型下，對多個空心葉片的出汽邊進(jìn)行激光掃描尋位，激光跟蹤穩(wěn)定良好，全程無一中斷。

圖4 三種激光跟蹤焊縫模型Fig.4 Schematic diagram of Three laser tracking weld model

為了進(jìn)一步提高激光跟蹤識別焊縫特征點(diǎn)的精度問題，將機(jī)器人末端固定激光傳感器的支架作了大幅改進(jìn)，如圖5所示。水平支架下的激光傳感器垂直于焊縫表面，與焊縫表面的距離較大。掃描時，激光傳感器固定于機(jī)器人末端并與焊槍位于同一豎直平面，以保證線激光垂直入射被測物，最大程度地覆蓋坡口，獲得焊縫的整體形貌特征點(diǎn)。但焊縫坡口因打磨而變得光亮，致使外界光源的反射光對傳感激光器采集的光信號造成干擾，且激光器與焊縫表面距離大，覆蓋坡口有效激光像素點(diǎn)數(shù)量少，造成識別的光信號模糊，最終影響傳感精度。對此，將水平支架改成傾斜支架，激光傳感器與焊槍的夾角成15°，且激光傳感器與焊縫表面距離降低，以防止外界光源的反射光對傳感激光器采集的光信號造成干擾，增加表征焊縫坡口形貌的像素點(diǎn)數(shù)量，在很大程度上提高激光跟蹤識別焊縫特征點(diǎn)的精度。

圖5 激光器固定支架結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic diagram of laser fixing bracket

2.3 焊接程序優(yōu)化

為了大幅提高空心葉片的焊接效率，采用一個焊接機(jī)器人、兩個焊接工位的高效模式。焊接程序主要包含葉片的裝卡、進(jìn)汽邊對接準(zhǔn)備、進(jìn)汽邊掃描與對接焊接、出汽邊堆焊準(zhǔn)備、出汽邊掃描與堆焊焊接、葉片卸載的程序模塊。考慮到氣渣聯(lián)合保護(hù)的焊接方法會產(chǎn)生大量的焊渣和少量飛濺，造成清理工裝困難，并且飛濺會附著在焊槍噴嘴，影響保護(hù)氣流穩(wěn)定狀態(tài)和分布均勻性以及電弧的穩(wěn)定性。因此，在程序模塊中增添了清渣模塊和噴油模塊，方便清理工裝，焊槍噴嘴光滑，延長噴嘴壽命。

在多層多道的堆焊程序模塊中，考慮到多層多道的復(fù)雜性、干伸長度的多變性、焊槍傾角的多變性及邊緣處與工裝的干涉性，對堆焊程序模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化：（1）定義臨時變量來承載底層的偏移參數(shù)設(shè)置，避免直接運(yùn)算底層參數(shù)，防止參數(shù)發(fā)生混亂；（2）增加干伸長補(bǔ)償設(shè)置，以消除不同堆焊層的不同焊段出現(xiàn)的干伸長偏差較大的情況；（3）增加焊槍姿態(tài)繞焊道左右傾角補(bǔ)償，保證焊槍姿態(tài)合適，激光條紋最大程度上覆蓋焊縫坡口；（4）增加第4層中間段偏移及排動寬度的單獨(dú)計(jì)算，以保證中間段不會發(fā)生焊接過寬和工裝干涉狀況。

3 自動化焊接工藝

3.1 焊接工藝參數(shù)

空心葉片作為復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)件，焊接時極易產(chǎn)生整體彎曲和扭曲變形，因此工藝參數(shù)的合理選擇直接決定葉片的成形質(zhì)量。

基于手工焊接工藝評定試驗(yàn)和最優(yōu)20段模擬分析，采用的自動化焊接工藝參數(shù)如表1所示，可在保證焊接質(zhì)量的同時大幅提高焊接效率［11］。進(jìn)汽邊分成2段進(jìn)行對接焊接，焊接方向從小端截面指向大端截面；出汽邊分成3段進(jìn)行堆焊焊接，堆焊層數(shù)為5層，先焊接葉片兩端，后焊接葉片中段，焊接方向依然從小端截面指向大端截面，以降低葉片的熱積累?？紤]到進(jìn)汽邊焊縫坡口間隙不均勻，相同的焊接速度導(dǎo)致焊縫余高高低不平，采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%的混合保護(hù)氣體，將焊接速度控制在3～5 mm/s為宜。施焊過程中采用擺動焊接，擺動至坡口兩邊停頓0.5 s使之熔合良好。

表1 自動焊與手工焊工藝參數(shù)對比Table 1 Automatic welding，manual welding process parameters

3.2 工裝優(yōu)化

工裝是控制焊接變形的有效方式之一，對葉片的成形精度起著關(guān)鍵性作用?？紤]到出汽邊多層多道焊接過程中存在熱積累嚴(yán)重的問題，靠近出汽邊側(cè)的工裝設(shè)計(jì)得粗大、厚重，以控制葉片焊接變形；而進(jìn)汽邊為對接焊縫，考慮到單道焊接變形較小，工裝設(shè)計(jì)則相對略輕薄一些。采用自動化焊接方法，因空心葉片的空間型線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、彎扭度大的特點(diǎn)，激光跟蹤焊縫的示教角度須實(shí)時調(diào)整，以保證線激光垂直入射被測焊縫，最大程度地覆蓋坡口，傳感器可獲得焊縫的整體形貌特征點(diǎn)，這造成了焊槍、傳感器與工裝的干涉問題。為了保證工裝能正常使用，防止焊槍、傳感器與工裝的干涉現(xiàn)象，對工裝進(jìn)行優(yōu)化，將多余部分切割，工裝優(yōu)化前后對比如圖6所示。為了進(jìn)一步降低出汽邊應(yīng)力集中，在工裝焊縫背側(cè)的出汽邊整體型面上設(shè)計(jì)了循環(huán)水冷通道，對葉片焊縫背側(cè)區(qū)域進(jìn)行噴水冷卻，最終控制葉片焊接變形。

圖6 工裝優(yōu)化前后對比Fig.6 Comparison before and after tooling optimization

3.3 空心葉片自動焊

采用上述的自動焊工藝參數(shù)及焊接分段順序，填充材料選用與母材成分匹配的直徑1.2 mm的E309LT0-4藥芯焊絲，自動焊空心葉片與手工焊葉片出汽邊焊縫對比如圖7所示，虛線表示分段焊接，數(shù)字1、數(shù)字2、數(shù)字3表示焊接順序。空心葉片自動焊相比于手工焊，焊接效率高，焊接接頭少，焊縫熔寬均勻一致，無咬邊和夾渣現(xiàn)象，焊縫成形美觀，焊接變形量和質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)及檢測要求。

圖7 手工焊與自動焊焊后葉片焊縫對比Fig.7 Comparison of blade welds after manual welding and auto‐matic welding

4 焊接變形及生產(chǎn)效率分析

4.1 焊接變形分析

焊后的空心葉片尺寸通過檢測樣板工裝B-B、D-D、F-F、H-H、J-J的五個截面測量，考慮到葉片的變形主要集中在D-D、F-F及H-H截面，自動焊和手工焊在三個截面的變形數(shù)據(jù)如表2所示。這些變形數(shù)據(jù)主要反饋葉片整體變化趨勢，明顯看出，自動焊葉片在D-D截面、H-H截面4個點(diǎn)位置的尺寸均在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（分別為2.5～12.5 mm，2.3～10.2 mm）范圍內(nèi)，自動焊葉片在F-F截面3點(diǎn)位置尺寸值為13.8 mm，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（2.5～10.5 mm）最大值超差值為3.3 mm，在4點(diǎn)位置尺寸值為1.3 mm，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)最小值超差值為1.2 mm；手工焊葉片在F-F截面3點(diǎn)尺寸值為11 mm，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大值超差值為0.5 mm，在4點(diǎn)位置變尺寸為5.3 mm，在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)；整個自動焊葉片分別在三個截面的6個位置點(diǎn)的尺寸變形量遠(yuǎn)大于手工焊葉片的變形量。也明顯看出，出汽邊的參考點(diǎn)（1、3、5）數(shù)據(jù)變化量遠(yuǎn)大于進(jìn)汽邊的參考點(diǎn)（2、4、6）數(shù)據(jù)變化量，表明空心葉片焊接變形與進(jìn)氣邊對接焊、出汽邊堆焊都相關(guān)，主要變形取決于出汽邊堆焊。

表2 自動焊、手工焊焊接變形尺寸參數(shù)（mm）Table 2 Welding deformation dimension parameters for automatic and manual welding（mm）

自動焊與手工焊的葉片在F-F截面3點(diǎn)位置的型線尺寸都超出標(biāo)準(zhǔn)要求，表明在該位置發(fā)生了焊接彎曲變形，自動焊葉片在F-F截面3點(diǎn)位置的變形與4點(diǎn)位置的變形重疊造成了扭曲變形。但兩者焊接變形超差尺寸都可通過校形解決，這是工藝生產(chǎn)中不可或缺的流程。

變形原因分析：雖然兩種焊接方式都在焊接前進(jìn)行了一道加固焊，保證了葉片的整體剛性，但手工焊選用20段焊接方式散熱較快，自動焊選用3段焊接方式熱積累嚴(yán)重，因而手工焊的焊接變形遠(yuǎn)小于自動焊變形，充分表明焊接變形與焊縫分段和分段順序息息相關(guān)。

4.2 生產(chǎn)效率分析

自動焊和手工焊的2工位進(jìn)行對比分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)8 h/d的工作量，得到生產(chǎn)效率參數(shù)見表3。由表可知，自動焊（2工位）與手工焊（2工位）相對比，人均生產(chǎn)效率提高了44.5%，保證了穩(wěn)定的焊接質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率。

表3 自動焊、手工焊生產(chǎn)效率參數(shù)Table 3 Automatic welding，manual welding production efficiency parameters

5 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化激光跟蹤模型和焊接程序，深化激光傳感器的固定支架及夾具工裝的結(jié)構(gòu)，保證了激光掃描跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定與葉片焊接變形良好。

（2）優(yōu)化自動焊焊接工藝參數(shù)，采用“一機(jī)兩位”工作模式，生產(chǎn)效率相比手工焊提升44.5%，焊縫成形美觀，均勻一致，無夾渣、裂紋及氣孔。

（3）下一步繼續(xù)優(yōu)化激光跟蹤模型和焊接工藝參數(shù)，提高激光跟蹤識別焊縫特征點(diǎn)的精度，減小自動焊的焊后變形量，降低校形勞動強(qiáng)度。