熱電廠鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)

張 軍，彭海云

（1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，江蘇南京211170；2.江蘇第二師范學(xué)院信息化辦公室，江蘇南京210013）

熱電廠鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)

張 軍1，彭海云2

（1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，江蘇南京211170；2.江蘇第二師范學(xué)院信息化辦公室，江蘇南京210013）

開發(fā)了專用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和四自由度焊接機(jī)器人，并對(duì)包膜焊接軌跡進(jìn)行規(guī)劃。通過對(duì)ER309L不銹鋼材料進(jìn)行脈沖熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）獲得了包膜，驗(yàn)證了自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明，提出的焊接方法既可以提高生產(chǎn)效率，還有助于提高鍋爐管壁的質(zhì)量。通過提高焊槍振幅、固定導(dǎo)電嘴到工件的距離，減少了滲透和焊縫數(shù)量。由于電弧穩(wěn)定，飛濺較少，管壁表面較平整。

自動(dòng)化焊接；鍋爐管壁；焊接軌跡；脈沖GMAW

0 前言

鍋爐是熱電廠的重要組成部分。鍋爐運(yùn)行過程中，鍋爐管壁會(huì)受到腐蝕和磨損。因此，必須對(duì)管壁進(jìn)行定期測(cè)量，以防止管壁減薄造成管路崩潰。然而頻繁的檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致車間停工，影響電力的正常供應(yīng)。熱電廠一般采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）獲得合金包膜，以提高管壁性能[1]。管壁包膜焊接一般在鍋爐或車間完成。對(duì)于腐蝕較輕的管路，直接在鍋爐管壁上進(jìn)行焊接修復(fù)；對(duì)于腐蝕嚴(yán)重的管路，需要在車間內(nèi)制作涂層，然后將其焊接在管壁上，以提高管路的防腐蝕性能。相比手工焊接，自動(dòng)化焊接的質(zhì)量更高。然而由于目前的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)僅有一根軸線，焊槍易產(chǎn)生震蕩運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致焊接過程極不穩(wěn)定，進(jìn)而引起導(dǎo)電嘴到工件距離（CTWD）的改變。由于焊接功率是CTWD的函數(shù)，因此金屬動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變，會(huì)使焊接過程中產(chǎn)生飛濺、過度滲透等問題[2]。為了提高管壁包膜自動(dòng)化焊接的質(zhì)量和效率，本研究開發(fā)了專用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和四自由度焊接機(jī)器人，并對(duì)包膜焊接軌跡進(jìn)行規(guī)劃。通過對(duì)ER309L不銹鋼材料進(jìn)行脈沖熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）獲得了包膜，驗(yàn)證了自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)的可行性。

1 焊接熔覆策略

鍋爐壁的幾何形狀可以通過一組特征參數(shù)a、b、c、d進(jìn)行表征，如圖1所示。管壁與覆蓋膜的連接通常采用雙面焊形式，且無需完全焊透。本研究采用脈沖GMAW對(duì)管壁進(jìn)行包膜焊接，焊珠重疊沉積方向垂直向下，如圖2所示的x方向，因?yàn)樵谠摲较蛏虾附铀俣容^高，有助于獲得更高的焊接電流與沉積率，以及更少的滲透，同時(shí)還能夠保持焊槍垂直于鍋爐壁。此外，這種方法可以在保證CTWD不變的前提下，提高焊槍擺動(dòng)幅度，以減少低滲透、低強(qiáng)度的焊珠。

圖1 鍋爐管壁俯視圖

圖2 鍋爐壁上的焊炬方向

2 自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)

通過專用的自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)，可以提高鍋爐管壁包膜焊接效率和焊接質(zhì)量。從熔敷策略角度考慮，焊接系統(tǒng)應(yīng)保證焊槍具有足夠大的振幅，且焊接路徑便于修正，此外機(jī)器人焊接系統(tǒng)必須易于運(yùn)輸、安裝和調(diào)試[3]。綜合焊接機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性，建立了鍋爐管壁包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，焊接機(jī)器人重量?jī)H16 kg。

圖3 自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)及其組件

焊接系統(tǒng)定義了一個(gè)沿x軸的牽引運(yùn)動(dòng)，即沿鍋爐管壁軌道的移動(dòng)，其中，軌道安裝在磁基上，可以適應(yīng)不同尺寸的管道和包膜，如圖3所示。棱狀橡膠磁道固定在軌道上，牽引機(jī)輪組沿其運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)具有四個(gè)自由度，用以支持焊槍的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的安裝非常簡(jiǎn)單，首先在相鄰兩管之間安裝磁基，并將軌道固定在磁基上。由于管道和覆蓋層規(guī)格不同，磁基可以根據(jù)需要更換。第二步是將機(jī)器人嵌入在軌道一端。

本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊接機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)是在焊槍寬振幅方面具有更高的便攜性和靈活性。焊槍可以沿一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)軸進(jìn)行擺動(dòng)，因此焊槍可以沿焊縫的橫向縱向運(yùn)動(dòng)，或同時(shí)沿橫向和縱向運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的每個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)都對(duì)覆蓋層焊接具有重要意義。x軸運(yùn)動(dòng)是沿管壁縱向移動(dòng)，速度范圍可達(dá)0～5.0 m/min，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的工作空間；y軸和z軸運(yùn)動(dòng)負(fù)責(zé)焊槍的橫向運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整焊炬高度和CTWD，兩軸最大速度均為6.0 m/min，最大位移分別為120mm和40mm；角軸的作用是保持熔敷焊接具有一定的角振幅，使焊槍垂直于鍋爐壁，角軸行程為180°，角速度為300°/s。

焊接機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)為直流伺服電機(jī)和帶有數(shù)字步進(jìn)/方向面板的伺服驅(qū)動(dòng)器，采用類似于在CNC使用的焊槍運(yùn)動(dòng)控制方法[4]，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃時(shí)最大限度地減少編程難度。

在此選用了Mach3控制器，該控制器具有靈活的圖形界面，允許創(chuàng)建專用于每個(gè)焊接任務(wù)的環(huán)境。此外，該控制器還配置了觸摸屏和示教器，比電腦鍵盤更加直觀。為了簡(jiǎn)化機(jī)器人焊接軌跡的編程，開發(fā)了一個(gè)圖形界面充當(dāng)人機(jī)界面。為了便于對(duì)軌跡進(jìn)行手工調(diào)整，特意開發(fā)了一個(gè)界面，通過該界面可以獲得焊槍的位置、方向信息，還可以對(duì)焊接速度進(jìn)行調(diào)整。

控制單元中的控制電子裝置包括：電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、邏輯保護(hù)電路和電腦主板。主板通過并行端口向機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)器和所述電源發(fā)送數(shù)字指令執(zhí)行Mach3的控制程序。機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況后，邏輯電路的保護(hù)功能可以阻止對(duì)其操作，如在Mach3控制器不存、焊接電源或伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，以及要由操作者激活緊急停止按鈕時(shí)。

3 管壁包覆方法

焊接機(jī)器人安裝完成后，就需要設(shè)置參考軸和焊槍的初始位置和方向。焊槍的坐標(biāo)系原點(diǎn)（0t-XtYtZt）固定不變，該點(diǎn)與機(jī)器人角度軸中心的距離等于名義CTWD與凸緣至接觸尖端的距離（FCTD）之和，如圖4所示。焊槍的初始方向垂直于管壁中心面（平面π）。

確定管壁包膜焊接工序的初始位置之前，首先要對(duì)管件的中心（點(diǎn)P0）進(jìn)行定義。因此，操作人員通過HMI定義焊槍的坐標(biāo)系統(tǒng)（0t-XtYtZt），以獲得點(diǎn)P1、P2和P3的初始位置。點(diǎn)P1和P2位于膜層與管壁連接焊珠的上邊緣，點(diǎn)P3位于管壁表面（見圖4），特殊點(diǎn)的標(biāo)記有助于生成管壁包膜焊接軌跡。

考慮到管壁厚度不均勻，為了使包膜焊接軌跡與管件幾何形狀保持一致，按照式（1）重新定義半徑r和中心點(diǎn)P（0x0，y0，z0）

采用求解非線性方程組的最小二乘法，進(jìn)行逐次迭代求解中心點(diǎn)坐標(biāo)值y0和z0。初始條件為三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)：P（1x0，y1，z1）、P（2x0，y2，z）2、P（3x0，y3，z）3，按照式（2）估算求值

圖4 焊槍的初始位置和方向

按照式（2）給出的初始條件，點(diǎn)P1、P2和P3的雅可比矩陣J和殘余向量K如下所示。如果給出的點(diǎn)超過三個(gè)，每增加一點(diǎn)，雅可比矩陣和殘余向量增加一行。

其中，雅可比矩陣中對(duì)應(yīng)偏導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式為

增量、和以及一次迭代方程分別為

按照上述方程進(jìn)行多次迭代，直至誤差小于允許誤差值。

鍋爐壁的表面由膜層、管膜結(jié)合區(qū)和裸管組成，每個(gè)區(qū)域幾何形狀都不相同，因此包覆焊接的軌跡也不相同[5]。據(jù)此，確定管壁包覆的焊接順序依次為膜層、管膜結(jié)合層、裸管。

3.1 膜層焊接方法

由于膜層平行于機(jī)器人系統(tǒng)的xy平面，膜層包覆焊接過程中，焊槍僅需沿y軸運(yùn)動(dòng)。首先，設(shè)置初始位置x0、振幅、頻率以及焊接距離L；然后進(jìn)行膜層包覆焊接，即焊槍由點(diǎn)P（4x0，y0，z0-c/2）自動(dòng)移至點(diǎn)P（5x0，y0+c/2，z0-b/2），如圖5所示；在點(diǎn)P5處，啟動(dòng)焊接電源，由于焊槍振動(dòng)，第一個(gè)焊珠落至點(diǎn)P5（'x0+L，y0+c/2，z0-b/2）；隨后，機(jī)器人控制焊槍返回至點(diǎn)P5，并經(jīng)點(diǎn)P4移至目標(biāo)點(diǎn)P6；在點(diǎn)P6處，再次啟動(dòng)焊接電源，第二個(gè)焊珠落至點(diǎn)P6（'x0+L，y0-c/2，z0-b/2）；最后，機(jī)械手控制焊槍返回至火炬點(diǎn)P6，并繼續(xù)向點(diǎn)P4移動(dòng)。

圖5 膜層焊接方法

3.2 管膜結(jié)合區(qū)焊接方法

管膜結(jié)合區(qū)的焊接是為裸管包覆焊接做準(zhǔn)備，如圖6所示。除焊槍振幅外，圖6中兩條焊縫的焊接參數(shù)與膜層焊接相同。管膜結(jié)合區(qū)焊接過程中，焊槍振幅較小，這是為了避免焊珠過度重疊。為了補(bǔ)償振幅的降低，適當(dāng)提高了焊接速度。焊槍的振動(dòng)由機(jī)器人的y和z軸控制。為了避免相鄰管件焊槍發(fā)生碰撞，兩條焊縫分別沿A軸相對(duì)平面π旋轉(zhuǎn)60°和120°。

圖6 管膜結(jié)合區(qū)焊接方法

3.3 裸管焊接方法

設(shè)鍋爐管被膜層包覆的角度為β，如圖7a所示。為此，操作員需通過機(jī)器人HMI重新定義焊槍的坐標(biāo)原點(diǎn)（0t-XtYtZt）。在新坐標(biāo)系統(tǒng)下，根據(jù)點(diǎn)P7和P8的坐標(biāo)值可以得到向量：

進(jìn)而得到包覆角β為

圖7 包覆角β示意圖和裸管焊接方法

圖7b給出了裸管焊接的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)包覆角β、焊縫數(shù)量Nc以及相鄰焊珠的重疊角φ，可以得到焊槍振幅α為

為了減小覆蓋層強(qiáng)化和過度波動(dòng)，采用焊珠最小重疊原則進(jìn)行裸管焊接，因此相鄰兩個(gè)焊珠中心距應(yīng)等于焊槍振幅。實(shí)際應(yīng)用中，鍋爐壁包膜相鄰焊珠中心距應(yīng)大于焊槍振幅（見圖7a），以避免焊珠邊界的過度重疊。

為了確定裸管的焊接軌跡，首先定義三個(gè)點(diǎn)：焊槍振動(dòng)的中點(diǎn)Mi，橫向振動(dòng)的端點(diǎn)Ei'和Ei''。焊槍相對(duì)平面π的方向角δi為

據(jù)此，得到上述三點(diǎn)的坐標(biāo)值為

式（11）得到的Ei'、Mi和Ei''三個(gè)點(diǎn)集確定了各焊縫的焊接路徑，對(duì)應(yīng)焊槍的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)由機(jī)器人的A、y和z軸控制。由此獲得的焊槍外圓軌跡與管件為同心圓，同時(shí)避免了CTWD的變化。

考慮到雙面焊獲得的焊珠幾何形狀相似，沿管件中心采取行對(duì)稱焊接。焊珠的焊接順序會(huì)影響膜層的連續(xù)性以及焊槍定位時(shí)間。因此，若焊珠數(shù)量Nc為偶數(shù)，將其沿管件中心對(duì)稱分布，如圖8a所示；若焊珠數(shù)量為奇數(shù)，最后一個(gè)焊珠位于管件頂部，如圖8b所示。

圖8 管件表面焊珠分別為偶數(shù)和奇數(shù)時(shí)的焊接順序

4 焊接實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了評(píng)估建立的管件包膜自動(dòng)化焊接機(jī)器人的可行性，對(duì)鍋爐管壁進(jìn)行包膜焊接實(shí)驗(yàn)，如圖9所示，4根管件的長(zhǎng)度不同，直徑均為38 mm。首先進(jìn)行安裝、定位、設(shè)置機(jī)器人和控制系統(tǒng)的參數(shù)，然后根據(jù)圖10a所示三個(gè)測(cè)試點(diǎn)定義零點(diǎn)。在第一根管上測(cè)得三點(diǎn)坐標(biāo)分別為P（10，0，0）、P（20，-33，0.5）和P（30，-14.7，9.4）。根據(jù)式（2）確定的初始估計(jì)值，結(jié)合上述數(shù)學(xué)方法得到管件半徑r為18.9 mm，坐標(biāo)系零點(diǎn)為P（00，-16.7，-9.9）。據(jù)此，參考式（1）可以得到管件的幾何輪廓，如圖10b所示，圖中標(biāo)注出了3個(gè)初始測(cè)試點(diǎn)的位置。

焊槍垂直于管件，距離管壁15 mm。焊絲材料為ER309L不銹鋼，直徑1.2mm，送絲速度6.1m/min。保護(hù)氣體由φ（Ar）95%+φ（CO2）3%+φ（N2）2%組成。相比傳統(tǒng)GMAW焊接，在此采用的脈沖GMAW焊接過程中電弧更加穩(wěn)定。脈沖持續(xù)時(shí)間為4.5 ms，頻率73 Hz，電流300 A。

圖9 管壁包膜自動(dòng)化焊接實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

包膜焊接順序依次為膜層、管膜結(jié)合區(qū)和裸管?？偤缚p長(zhǎng)度為1.3 m。膜層焊接過程中，焊槍振幅為11 mm，焊接速度是0.30 m/min。管膜結(jié)合區(qū)焊接過程中，焊槍振幅為30 mm，焊接速度是0.35 m/min。裸管焊接時(shí)，焊珠數(shù)量Nc=3，重疊角φ=12.5°，根據(jù)點(diǎn)P7和P8的值，由式（8）得到角β=124.6°；然后由式（9）計(jì)算得到對(duì)應(yīng)焊槍振幅的角α=33.2°；由式（10）得到對(duì)應(yīng)三個(gè)焊珠，焊槍振動(dòng)中點(diǎn)的定位角分別為δ1=48.5°、δ=131.5°和δ3=90°。裸管包膜的焊接速度為0.42 m/min。

圖10 確定零點(diǎn)用的管壁測(cè)試點(diǎn)和管件輪廓及零點(diǎn)

管壁包膜焊接結(jié)果以及單根管的俯視圖如圖11所示。通過由金相學(xué)分析，確定參數(shù)強(qiáng)化R、滲透P以及稀釋等值，可以對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行量化分析。經(jīng)檢測(cè)，強(qiáng)化0.72 mm

圖11 管壁包膜焊接結(jié)果和單根管的俯視圖

5 結(jié)論

本研究采用了數(shù)控機(jī)器人的多軸同步振蕩運(yùn)動(dòng)，提出了鍋爐管壁包膜自動(dòng)焊接技術(shù)。通過焊接軌跡設(shè)置，獲得與管件表面幾何形狀一致的軌跡。采用自制的焊接機(jī)器人系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)包含4根管件的管壁進(jìn)行了連續(xù)包膜焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，提出的焊接方法既可以提高生產(chǎn)效率，還有助于提高鍋爐管壁質(zhì)量。通過提高焊槍振幅、固定CTWD，減少了滲透和焊縫數(shù)量。由于電弧穩(wěn)定、飛濺較少，管壁表面較平整。

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Thermal power plant boiler tube wall coated automatic welding robot system

ZHANG Jun1，PENG Haiyun2
（1.Jiangsu Maritime Institute，Nanjing 211170，China；2.Jiangsu Second Normal College，Nanjing 210013，China）

This paper developed a dedicated automation control system and four degrees of freedom robot welding，and the coated welding trajectory planning.Through the study of the pulse of ER309L stainless steel melting polar gas shielded arc welding（GMAW）received envelope，verify the feasibility of automatic welding robot system.Results show that the proposed welding method can not onl y improve the production efficiency，also help to improve the quality of boiler tube wall.By improving the welding torch，fixed amplitude CTWD，has realized the reduce the amount of penetration and weld.Due to the stable arc，less spatter，wall surface is flat and level.

automatic welding；boiler tube wall；the welding trajectory；pulse GMAW

TG409

：A

：1001-2303（2015）10-0098-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.21

2015-04-07

2015年江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)重點(diǎn)研究課題（2015-R-42639）

張 軍（1973—），男，江蘇海安人，碩士，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的研究。