鋼管柱環(huán)形焊縫焊接機器人的設(shè)計與應(yīng)用

張文龍，左文建

（1.中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024；2.中鐵三局集團(tuán)投資有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

研究發(fā)現(xiàn)，在高層建筑施工中鋼管混凝土柱對接焊是影響其施工質(zhì)量的重要因素，人工焊接難以完全杜絕質(zhì)量缺陷。國外對于環(huán)形焊縫技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，也將最新的焊接技術(shù)和設(shè)備投入到焊接施工當(dāng)中，我國對于焊接機器人的研究起步較晚，但是需求量較大，環(huán)形焊縫焊接機器人對于我國的管道工程有著重要的戰(zhàn)略意義。目前我國的焊接機器人分為固定型和移動型，存在的問題有體型較大、自動化水平低、運動穩(wěn)定性差等，這些問題對于焊接質(zhì)量有著嚴(yán)重的影響。本文設(shè)計了體型較小、質(zhì)量較輕和運動穩(wěn)定的機器人，為自動化焊接奠定了基礎(chǔ)。

1 全自動焊接工藝

環(huán)形焊縫自動焊接的方法是基于對傳統(tǒng)手工和半自動焊焊接工藝的改良，傳統(tǒng)工藝效率低而且質(zhì)量得不到保證。環(huán)形焊縫自動焊接主要適用于直徑大于800mm 的鋼管柱焊接，根據(jù)厚度的變化可以選擇不同直徑的焊條和焊接電流，本文采用的管道厚度為10～12mm，焊接電流在160～210A，采用上向焊工藝實現(xiàn)大型管道的打底層、填充層和蓋面層的自動焊接，坡口采用V型坡口。

1.1 打底層的自動焊接

打底層焊接之前需要對管道進(jìn)行空間分段，參照鐘表的空間分段分為四段，分別為0 點～3 點區(qū)段、3 點～6 點區(qū)段、6點～9 點區(qū)段和9 點～12 點區(qū)段。在人工焊接時傳統(tǒng)的工藝是分為兩個區(qū)間，3點～9 點區(qū)間需要控制焊槍走折線，使得電弧融化的鐵水向上運動，因此自動焊接也應(yīng)當(dāng)模仿人工焊接設(shè)計出折線軌跡；9 點～3 點的區(qū)間因為鐵水容易下墜，為了減少焊槍電弧穿透管道，焊接的折線需要轉(zhuǎn)變?yōu)榛⌒?，每段弧線的完成時間控制在0.2～0.6s，研究發(fā)現(xiàn)焊槍運行軌跡近似半月形。焊縫之間如果距離較小可以增加電流以及拐點處的停留時間，保證電弧能夠融化鈍邊。

1.2 填充層的自動焊接

填充層的焊接情況比較復(fù)雜，因此需要詳細(xì)的區(qū)段劃分，主要是將11 點～1點的區(qū)域劃分出來，再細(xì)分三段。與打底層的焊接相比，焊縫的寬度有所增加，因此手工焊接的時候軌跡有所變化，坡口和前一道焊縫的夾角的焊接位置容易發(fā)生未熔合的現(xiàn)象，因此需要留有足夠的時間熔化母材，焊道兩側(cè)0.5～3.0mm的范圍需要焊槍短暫停留，能夠?qū)㈣F水外引以及增加焊層的寬度和厚度，減少焊接的層數(shù)，提高效率。與打底層相同，3 點～6 點和6 點～9 點的區(qū)段需要考慮鐵水的下墜，因此需要減小電流；9 點～11點以及1 點～3 點的區(qū)域，熔池比較容易控制，所以可以適當(dāng)加大電流和加快焊道前進(jìn)速度。11 點～1 點之間是平焊區(qū)域，鐵水有前進(jìn)的趨勢，阻擋電弧對前層焊道的穿透，容易造成未熔合，因此焊層以3mm 為限，大于3mm 改為多層焊接，小于3mm 則將焊接軌跡變?yōu)槿切?，保證根部的熔合。

1.3 蓋面層的自動焊接

蓋面層的焊接運動軌跡和填充層基本一樣，因為蓋面層厚度較小，所以比前一道焊縫增加較小的焊接寬度，但是單層焊道過寬會降低焊接的速度，增加電弧對焊縫的熱輸入，所以可以用多道焊縫合并成一道焊縫。在焊接的時候也可以與填充層進(jìn)行同步設(shè)計，通過微調(diào)整的方法實現(xiàn)焊道的轉(zhuǎn)移和銜接。

2 環(huán)形焊縫焊接機器人的設(shè)計

因為焊接機器人主要是針對鋼管混凝土柱，所以通過上述研究，機器人應(yīng)當(dāng)能夠滿足對打底層、填充層和蓋面層的焊接。依據(jù)實際的焊接方法，環(huán)形焊縫機器人應(yīng)當(dāng)體積小、重量輕、效率高、簡單操作和便于維修，能夠根據(jù)焊接的高度進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，因為鋼管柱一般在工程中是固定的，因此機器人還需要實現(xiàn)在鋼管柱上的繞周焊接。

對焊接機器人的機械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，保證焊接繞管的速度為300～3000mm/min，焊槍的軸向調(diào)節(jié)速度為30～500mm/min、送絲速度為8000～12000mm/min，焊接機器人模塊對送絲和其他輔助設(shè)施進(jìn)行直接選用，首先是行走系統(tǒng)，在管道外側(cè)設(shè)置軌道保證機器人在軌道上行走的效率和穩(wěn)定性；焊槍軸向運行可以采用帶傳動、齒輪傳動等，需要把旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，要求占用空間小、傳動精度高，因此采用螺旋傳動；焊槍的徑向運動出于成本考慮，采用手動調(diào)整，在機器人高度的方向能夠進(jìn)行調(diào)整，降低設(shè)計的復(fù)雜度。

焊接機器人的電控系統(tǒng)設(shè)計需要保證機器人對焊縫進(jìn)行掃描后就能夠開始焊接工作，按照設(shè)計的參數(shù)啟動機器人的行走系統(tǒng)、軸向系統(tǒng)以及送絲系統(tǒng)等，按照程序進(jìn)行工作。本次機器人采用STM32F103單片機進(jìn)行控制，能夠保證機器人的體積、成本，并降低設(shè)計的難度。

3 環(huán)形焊縫焊接機器人關(guān)鍵技術(shù)的研究

焊接機器人的機械和電控系統(tǒng)是比較容易實現(xiàn)的，但是如何能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形焊縫焊接機器人對環(huán)境的識別和智能化是當(dāng)前需要重點考慮和研究的。機器人進(jìn)行焊接主要通過視覺傳感器、電弧傳感和聲學(xué)傳感等手段讓機器人感知焊接的變化，并實現(xiàn)焊接質(zhì)量的控制，因此需要引導(dǎo)焊接的初始位置、跟蹤焊縫、監(jiān)測熔池以及對缺陷進(jìn)行識別等。電弧傳感器能夠利用電弧能量的變化感知熔池狀態(tài)和焊接質(zhì)量，也能預(yù)測焊接的熔透和分析缺陷。視覺傳感器能夠使用輔助光源利用結(jié)構(gòu)光等進(jìn)行焊縫定位和跟蹤。

3.1 焊縫初始位置引導(dǎo)

焊縫引導(dǎo)是利用傳感器空間坐標(biāo)定位初始焊接點，為機器人解決加工、裝配誤差等可能導(dǎo)致起弧點較高的問題，目前采用的視覺引導(dǎo)技術(shù)也解決了焊接復(fù)雜的問題，實現(xiàn)了一定程度的自主焊接。機器人利用視覺傳感器和空間坐標(biāo)來實現(xiàn)試件的起始點定位，然后移動到起始點開始焊件的焊接工作。

3.2 焊縫跟蹤技術(shù)

在焊接過程中可以利用焊縫跟蹤技術(shù)來實現(xiàn)機器人位置的調(diào)整，有效保證焊接的質(zhì)量，通過采用被動視覺傳感器提取焊縫的邊緣和熔池圖像，然后對焊接軌跡進(jìn)行糾正，在保證傳感器高精度的同時，能夠有效避免飛濺、煙塵等干擾。目前的焊縫跟蹤技術(shù)可以實現(xiàn)焊接的精準(zhǔn)對接，保證焊接時的電流滿足要求，不會出現(xiàn)未焊透及燒傷等問題。

3.3 熔池監(jiān)控技術(shù)

熔池既能夠反映焊接過程，也能夠反映焊接工藝參數(shù)是否符合實際情況，與焊縫成型的質(zhì)量以及熔池的寬和深都直接關(guān)聯(lián)，通過監(jiān)控熔池的變化也可以實時調(diào)整焊接工藝保證焊接的質(zhì)量。視覺傳感器也能夠用來監(jiān)測焊接的缺陷，提高焊縫的質(zhì)量可靠性。機器人可以采用傳感器對熔池的溫度以及熱影響區(qū)的范圍進(jìn)行主動判定，然后對存在缺陷的部位進(jìn)行實時調(diào)整與修復(fù)，保證焊接的外觀以及質(zhì)量。

4 環(huán)形焊縫焊接機器人的應(yīng)用實況

依據(jù)上述的機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的設(shè)計以及焊接工藝中關(guān)鍵技術(shù)的研究，對環(huán)形焊縫焊接機器人的樣機進(jìn)行了生產(chǎn)，樣機的主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金，焊槍的軸向運動范圍為0～220mm，滿足設(shè)計中要求焊槍軸向運動距離不少于150mm 的條件，焊槍的徑向運動調(diào)節(jié)范圍在0～120mm，也能夠滿足設(shè)計要求不小于150mm 的要求。焊接之前為了滿足條件，采用Q235 的鋼材，制作160×100 的試件，送絲的速度設(shè)定為6000mm/min，焊絲的直徑為1.2mm，工件厚度為12.0mm，焊接方式采用上向焊的方式。由于V 型坡口適用于機器人自動焊接，也能夠保證焊接的質(zhì)量，因此本次采用V 型坡口并用角磨機打磨光滑。

在實驗中防止冷卻設(shè)施、換氣和保護(hù)氣配比以及送絲的設(shè)備，將控制系統(tǒng)和電機的驅(qū)動器安裝在控制柜里面，把環(huán)形焊縫焊接機器人安裝在軌道上，手動控制機器人的行走，相關(guān)的運行裝置能夠保證機器人穩(wěn)定、順滑地移動；然后對機器人控制焊槍的軸向和徑向運動進(jìn)行觀察，保證范圍和穩(wěn)定性，看傳動機構(gòu)是否能夠滿足焊接要求。最后將機器人的位置調(diào)整到焊接起始位置，查看機器人是否能夠自動辨認(rèn)起點并開始焊接。機器人能夠識別起始點并開始工作，按照打底層的順序啟動，開啟保護(hù)氣體，然后查看是否能夠捕捉熔池的邊緣以及熔池的狀態(tài)，對相關(guān)的參數(shù)和位置進(jìn)行自動調(diào)整。本文中的焊接機器人均能夠滿足相關(guān)的設(shè)定和要求進(jìn)行焊接，填充層和蓋面層也通過了相關(guān)的檢測，能夠達(dá)到設(shè)計的要求。經(jīng)過反復(fù)試驗，試件的打底層、填充層和蓋面層的焊接均已經(jīng)達(dá)到了相關(guān)設(shè)計的要求，焊接效果能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求，見圖1。

焊接的外觀比較平整，也沒有氣孔和裂縫，但是還需要采用無損探傷的方法對焊縫的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，保證焊接質(zhì)量。本文通過超聲波以及X 射線拍照的方法結(jié)合起來進(jìn)行缺陷檢測，焊縫波形未發(fā)現(xiàn)不符合要求的缺陷，而且從圖片上可以看出焊縫的內(nèi)部不存在氣泡、未熔合、未焊透和裂紋的情況，說明環(huán)形焊縫焊接機器人能夠高效、保質(zhì)保量地完成焊接工作，保證焊接質(zhì)量達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本文對環(huán)形焊縫焊接機器人進(jìn)行了設(shè)計，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究與探討。由于打底層、填充層和蓋面層的不同特點，設(shè)計了焊槍的移動曲線，并對機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，采用傳感器實現(xiàn)機器人的智能化。通過對樣機進(jìn)行試驗與檢測，發(fā)現(xiàn)焊接機器人能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的初衷，保證焊縫的質(zhì)量，也實現(xiàn)了焊接的高效化，有一定的現(xiàn)實意義。由于我國的機器人產(chǎn)量低，核心技術(shù)仍存在缺陷，因此在后期還需要提升傳感技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)機器人的核心部件并積極應(yīng)用人工技術(shù)。隨著機器人的普及，還需要開設(shè)焊接智能工廠來實現(xiàn)焊接的流水作業(yè)，保證焊接質(zhì)量。