厚板V形坡口機器人填充焊接工藝研究

(1.天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室,天津 300387;2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究所,天津 300450)

厚板V形坡口機器人填充焊接工藝研究

李天旭1王天琪1楊華慶2侯仰強1

(1.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室,天津300387;2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究所,天津300450)

針對厚板V形坡口的焊縫寬、母材厚、焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題，設(shè)計了一套擺動焊接程序，在機器人離線編程軟件中進(jìn)行工作站建模、離線編程、運動軌跡仿真，仿真結(jié)果滿足試驗要求。使用六軸機器人、Fronius焊機等搭建試驗系統(tǒng)，采用經(jīng)典的單一變量控制理論，選擇最優(yōu)焊接參數(shù)。使用厚度為18 mm的低碳鋼板，對V形坡口進(jìn)行多次填充焊以及蓋面焊。試驗結(jié)果表明，焊接工藝良好，V形坡口兩側(cè)的母材熔合情況良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，焊縫兩邊無間隙，焊縫成形呈“魚鱗紋”狀。

V形坡口離線編程焊接參數(shù)焊接工藝

0 序 言

隨著國內(nèi)采礦、石油產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，在一些工業(yè)產(chǎn)品的零部件焊接加工中，存在焊接母材過厚、焊縫較寬的問題，其中厚板V形坡口的焊接較為常見[1-2]。V形坡口的焊接包括打底焊、填充焊、蓋面焊，除打底焊外，由于焊縫較寬，普通焊接的填充無法得到良好的焊接工藝[3-4]。對V形坡口進(jìn)行填充焊和蓋面焊傳統(tǒng)的解決方法是依靠焊工進(jìn)行焊接操作時，以一定的周期、一定的擺動軌跡進(jìn)行擺動焊接，這樣不但效率低，而且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。另外，近十幾年來隨著技術(shù)的成熟，弧焊機器人的應(yīng)用越來越廣泛，逐漸代替人工焊接，來滿足大批量生產(chǎn)焊接自動化的需求[5]。經(jīng)過近幾年的研發(fā)，一些著名的電焊機生產(chǎn)廠家，如福尼斯、威特力、東升焊機等，已經(jīng)開發(fā)出了多種能夠?qū)崿F(xiàn)擺焊功能的電焊機及自動焊接設(shè)備，配合弧焊機器人末端執(zhí)行器的擺動，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫擺焊的焊接要求[6-8]。但由于V形坡口待焊件較厚、焊縫較寬、焊縫實際寬度與設(shè)置寬度不符、焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題，使用機器人擺焊系統(tǒng)來填充V形坡口的中間層，很難得到理想的焊接工藝[9]。

文中針對機器人自帶擺焊系統(tǒng)中專家程序的不足，設(shè)計了一套針對厚板V形坡口的填充焊和蓋面焊的離線程序。為了減少試驗次數(shù)，保證實際焊接成功率，使用機器人離線編程軟件進(jìn)行搭建焊接工作站、運動軌跡離線編程、工作站仿真等操作。選擇厚度為18 mm的低碳鋼板，對V形坡口進(jìn)行多次填充焊以及蓋面焊，改變焊接參數(shù)進(jìn)行多組焊接試驗，研究焊接工藝。

1 仿真工作站的建立

1.1 工作站的建模

待焊工件選擇長400 mm、寬180 mm、厚18 mm的低碳鋼板，V形坡口角度為60°，如圖1所示。

圖1 待焊工件示意圖

在機器人離線編程軟件RobotStudio中進(jìn)行工作站的建模。采用ABB公司的IRB1410型機器人、Fronius_TPS4000焊機、待焊工件以及其他焊接試驗器材完成了在離線編程軟件上的建模，焊接工作站如圖2所示。

1.2 工件坐標(biāo)系的標(biāo)定與計算

由于需要用到偏移指令來實現(xiàn)擺焊功能，該指令設(shè)定：使機器人末端(即焊槍)實現(xiàn)在當(dāng)前使用坐標(biāo)系下的X、Y、Z軸方向偏移任意距離。為了使焊槍焊接軌跡與待焊工件焊縫中心線一致，同時保證試驗結(jié)果更加精確，需要對工件坐標(biāo)系進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定。工件坐標(biāo)定義工件相對于機器人基坐標(biāo)系的位置，對機器人進(jìn)行編程時就是在工件坐標(biāo)中創(chuàng)建目標(biāo)和路徑。完成工件坐標(biāo)的標(biāo)定后，在重新定位工作站中的工件時，只需要改動工件坐標(biāo)的位置，所有路徑將即刻隨之更新。標(biāo)定原理如圖3所示。

圖2 焊接工作站建模

圖3 工件標(biāo)定原理圖

為了快速簡單的進(jìn)行標(biāo)定，在工件的表面，只需要定義三個特殊點就可以建立坐標(biāo)系。定義OR為機器人基坐標(biāo)系，OU為實際工件坐標(biāo)系。找到工件的第一特征點P0，視作工件坐標(biāo)系的原點，以此特征點為基準(zhǔn)，沿設(shè)定X軸方向移動一段距離取第二點P1，確定工件坐標(biāo)的X軸正方向，沿Y軸方向移動一段距離取第三點P2，確定工件坐標(biāo)的Y軸正方向，從而完成工件的標(biāo)定。工件坐標(biāo)等符合機器人學(xué)的右手定則。

(1)

式中：

r12=2(q2q3-q1q4)

r13=2(q2q4+q1q3)

r21=2(q2q3+q1q4)

r23=2(q3q4-q1q2)

r31=2(q2q4-q1q3)

r32=2(q3q4+q1q2)

(2)

根據(jù)式(2)，由機器人控制柜讀出四元數(shù)Q，即可求出其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣。標(biāo)定試驗結(jié)果見表1。由式(1～2)對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到工件坐標(biāo)系相對于機器人末端坐標(biāo)系的變換矩陣為：

表1 工件坐標(biāo)系標(biāo)定結(jié)果

為了提高標(biāo)定精度，可以進(jìn)行多次試驗，然后通過計算平均值或使用最小二乘法確定最終標(biāo)定結(jié)果，從而完成標(biāo)定計算。

1.3 離線編程與仿真

在ABB機器人rapid編程語言中進(jìn)行離線編程。為了實現(xiàn)擺焊功能，不但需要在標(biāo)定好的工件坐標(biāo)系上給出特定的偏移方向與偏移量，還需要使偏移指令進(jìn)行循環(huán)，以達(dá)到擺焊的寬度、長度均可調(diào)節(jié)的動作，從而完成V形坡口的填充與蓋面。

部分程序如下：

ArcLP10,v100,seam1,weld1,tool1/wobj1;

ArcLP20,v100,seam1,weld1,tool1/wobj1;

P10：=offs (P10,lX,lY,lZ);

P20：=offs (P20,lX,lY,lZ);

其中：“ArcL”為指令關(guān)鍵字；“v100”定義機器人運動的速度v為100 mm/s；“seam1”定義保護(hù)氣的預(yù)充氣時間、吹氣時間，收弧時的回?zé)康群附訁?shù)；“weld1”定義焊接速度、焊接電壓、送絲速度等焊接參數(shù)；“tool1/wobj1”表示當(dāng)前程序使用的坐標(biāo)系為工件坐標(biāo)系wobj1；“：=offs”為賦值偏移指令，其中的四個可選變元，第一個變元表示變量點，另外三個變元分別為X，Y，Z軸的偏移量，該偏移量在當(dāng)前工件坐標(biāo)系wobj1下實現(xiàn)偏移。程序設(shè)計原理如圖4所示。

在FOR循環(huán)中使用offs偏移指令，示教兩個變量點P10,P20，當(dāng)焊槍由P10走到P20點時，此時“：=offs”賦值偏移指令使變量點P10沿工件坐標(biāo)系Y軸偏移了l，稱P10′，因此焊槍會從P20走到P10′點，同理P20點也被賦值更新了位置，因此下一指令是由P10′走到P20′，P20′下一指令到達(dá)P10″，P10″下一指令到達(dá)P20″…這樣循環(huán)下去。該程序的設(shè)計，焊縫的寬度、長度、焊接速度等影響焊縫成型的因素都可以進(jìn)行修改調(diào)節(jié)。焊縫寬度為P10到P20的直線距離，焊縫長度L為：

圖4 擺焊程序設(shè)計原理

L=n·l

(3)

焊接速度可以通過示教器對焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，完成參數(shù)選擇。離線編程之后，在RobotStudio中進(jìn)行仿真，得到良好的TCP運動軌跡。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 試驗系統(tǒng)

搭建試驗工作臺，電焊機與機器人型號為1.1中建模時所選型號；其中機器人與焊機的通訊是通過DeviceNet數(shù)據(jù)線進(jìn)行通訊，可以直接通過ABB機器人的示教器進(jìn)行焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)，方便快捷。試驗系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

待焊工件的焊接母材選取10 mm厚的普通低碳鋼，焊絲選用牌號為ER50-6的G3Si1型號，焊絲直徑為1.2 mm。母材和焊絲的化學(xué)成分見表2。保護(hù)氣體成分為CO2(18%)+Ar(82%)，保護(hù)氣流量Q為15 L/min。

表2 母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 參數(shù)選擇

由于焊接方式為擺動焊接，因此參數(shù)的選擇對焊縫的成型有很大的影響。因此，采用經(jīng)典的單一變量控制理論，進(jìn)行對比試驗，來選擇最優(yōu)焊接參數(shù)。試驗參數(shù)如下表3所示。

焊接模式選擇CMT一元化直流焊，弧長修正為0，熔滴動態(tài)修正為0，電弧電壓U、送絲速度隨著焊接電流變化而自動匹配。因此只需針對焊接電流I、焊接速度v、擺焊偏移量l進(jìn)行對比試驗。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖5 試驗系統(tǒng)示意圖

試驗序號擺焊偏移量l/mm焊接電流I/A電弧電壓U/V送絲速度v/(m·min-1)焊接速度v/(mm·s-1)1-1510015.92.3101-2515017.53.7101-3520019.25.3102-1520019.25.3152-2520019.25.353-1310015.92.3103-2315017.53.7103-3317518.34.5104-1317518.34.5154-2317518.34.520

由試驗結(jié)果得知，在試驗1-1,1-2,1-3中擺焊偏移量l取5 mm，保證其他參數(shù)不變，針對電流變化進(jìn)行對比試驗，隨著焊接電流增大，熔深和余高增加；試驗2-1,2-2相對于試驗1-3改變焊接速度，可見焊接速度越大，由于焊接能量減小，單位長度焊縫上的焊絲金屬的熔敷量與焊接速度成反比，因此熔深和焊寬相應(yīng)減小，余高減小。以上五組試驗顯示，當(dāng)偏移量l取5 mm時，焊縫兩邊會出現(xiàn)焊縫形狀在水平方向上的間隙，而且存在“虛焊”現(xiàn)象，焊縫成形不理想。因此取擺焊偏移量l為3 mm，進(jìn)行試驗3-1觀察擺動偏移量對焊縫成形的影響。得到的焊縫兩側(cè)仍然出現(xiàn)間隙，增大焊接電流進(jìn)行試驗3-2,3-3，得到良好的焊縫，但由于電流增大，導(dǎo)致余高過高；在此基礎(chǔ)上，增大焊接速度，進(jìn)行試驗4-1,4-2。試驗4-1的焊縫成形明顯變好，焊縫寬度、余高等特性滿足要求，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，母材融合良好，焊縫兩邊無間隙，符合焊縫焊接的要求；相比之下試驗4-2由于焊接速度過大，焊縫兩側(cè)出現(xiàn)間隙，焊縫成型不理想。

圖6 試驗結(jié)果

2.3 綜合應(yīng)用

利用優(yōu)化后的焊接參數(shù)，對V形坡口進(jìn)行了打底焊、填充焊五層、蓋面焊。焊接模式選擇CMT一元化直流焊，弧長修正為0，熔滴動態(tài)修正為0其余參數(shù)如表4所示。

打底焊由于不需要擺動，因此選擇常規(guī)焊接參數(shù)。填充焊過程中，前兩層焊縫較窄，為避免余高過高，焊縫中間出現(xiàn)堆焊的現(xiàn)象，選用的電流不宜過大，焊接速度不宜過低，因此選用試驗3-2的焊接參數(shù)。填充后三層時，由于坡口間隙變大，焊縫寬度增加，為了使焊接充分，避免焊縫兩側(cè)出現(xiàn)“虛焊”現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)增大焊接電流，選用試驗3-3焊接參數(shù)。蓋面焊由于焊縫寬度過大，對工藝要求高，同時保證焊縫表面美觀，焊縫余高不宜過高，因此應(yīng)該減小焊接電流，同時適當(dāng)提高焊接速度，選取試驗4-1焊接參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。焊接結(jié)果如圖7所示。

試驗結(jié)果顯示，設(shè)計的程序可以很好的滿足對V形坡口的擺焊試驗要求。兩側(cè)的母材融合情況良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，焊縫表面成形呈“魚鱗紋”狀。焊接軌跡曲線與焊縫中心線保持一致，焊縫較寬、母材較厚等因素對焊接的影響可以有效解決，焊縫寬度、焊縫余高等特征滿足焊接工藝要求。

表4 試驗參數(shù)

圖7 V形坡口焊接試驗結(jié)果

[][]

3 結(jié) 論

(1)針對厚板V形坡口的焊縫寬、母材厚、焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題，設(shè)計了一套擺動焊接程序，使用特征點三點標(biāo)定法進(jìn)行了工件標(biāo)定，并且在機器人離線編程軟件中實現(xiàn)了工作站建模、離線編程、運動軌跡仿真，仿真結(jié)果顯示可以滿足實際焊接要求。

(2)使用ABB公司的IRB1410型機器人、Fronius_TPS4000焊機等搭建了試驗系統(tǒng)，通過多次擺焊試驗確定了最優(yōu)焊接參數(shù)。使用板厚18 mm的低碳鋼板，對坡度為60°的V形坡口進(jìn)行了焊接試驗。試驗結(jié)果表明，使用擺動焊接程序?qū)形坡口進(jìn)行打底焊、填充焊、蓋面焊，焊縫長度與寬度均可以自主設(shè)置任意尺度，兩側(cè)母材融合情況良好，焊縫成形呈“魚鱗紋”狀，焊縫較寬、母材較厚等因素對焊接的影響可以有效解決，焊接軌跡曲線與待焊工件焊縫中心線不一致等問題也可以避免。

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TG444

2017-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1333128)；天津市科技支撐計劃項目(15ZCZDGX00300)。

李天旭,1994年出生,碩士研究生。主要從事焊接機器人方面研究。