厚板 V 形坡口焊接路徑規(guī)劃

溫永策，盧慶亮，曹永華，左增民，林 軍，孫俊生

1濟(jì)南重工股份有限公司 山東濟(jì)南 250109

2山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250061

3菏澤廣泰耐磨制品股份有限公司 山東菏澤 274600

隨 著焊接結(jié)構(gòu)件的日益大型化，厚板的應(yīng)用大幅增加。目前常用的人工焊接生產(chǎn)方式，存在焊接生產(chǎn)率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問(wèn)題[1]。智能化和自動(dòng)化是制造業(yè)的發(fā)展方向，因此采用智能機(jī)器人焊接是解決該問(wèn)題的有效方法[2-3]，而厚板機(jī)器人焊接的首要問(wèn)題是多層多道焊接工藝參數(shù)與焊接路徑的規(guī)劃。焊接路徑規(guī)劃包括確定焊槍末端位置坐標(biāo)與焊槍傾角等[4]。

目前，弧焊機(jī)器人在焊接生產(chǎn)中大多采用在線示教法。示教過(guò)程需要手工調(diào)整焊接路徑與起弧點(diǎn)、息弧點(diǎn)位置，同時(shí)，在前一道焊縫焊接完成之前無(wú)法對(duì)下一道焊縫進(jìn)行示教。中厚板多采用開(kāi)坡口多層多道焊接，對(duì)于多層多道焊接來(lái)說(shuō)，在每一條焊道焊接前進(jìn)行示教將大大降低生產(chǎn)效率。

1 路徑規(guī)劃模型

1.1 焊道擬合與層數(shù)道數(shù)確定

圖1 V 形坡口橫截面填充Fig.1 Sketch of V-shaped groove filling

中厚板 V 形坡口橫截面填充如圖 1 所示。設(shè)板厚為t，坡口角度為θ，假設(shè)兩側(cè)拘束，建立如圖 1所示的坐標(biāo)系。采用等高形填充策略建立焊道規(guī)劃模型。設(shè)打底焊道高度為hd，第 2 層及以上每層焊道高度為h。第 1 層焊道橫截面以三角形擬合 (當(dāng)有坡口間隙時(shí)為梯形)；第 2 層以上的初始焊道及中間焊道橫截面采用菱形擬合，設(shè)其面積為Sr；最末焊道橫截面采用梯形擬合，設(shè)其面積為St。不同幾何形狀擬合焊道的焊槍位置如圖 2 所示。圖 2 中星號(hào)表示起弧點(diǎn)位置。對(duì)于菱形焊道，焊槍位于菱形長(zhǎng)對(duì)角線的中垂線上，焊槍傾角為焊槍與垂直方向的夾角α，如圖2(a)所示；對(duì)于梯形焊道，焊槍位于其中心線上，如圖 2(b)所示。

圖2 焊槍位姿與起弧點(diǎn)位置示意Fig.2 Sketchof posture and arcing point of welding torch

等高型填充策略的中心思想在于每層的高度相等[5]。首先，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選擇打底焊與填充焊焊縫的高度。一般來(lái)說(shuō)，打底焊焊接工藝與填充焊的工藝要求差別較大，因此焊縫的高度選擇也不相同。然后，根據(jù)坡口的總高度，計(jì)算出完成坡口填充所需要的總層數(shù)。因?yàn)閷⒑缚p的形狀簡(jiǎn)化成菱形，確定層高后，單道菱形焊縫的截面積也隨之確定。最后，可以計(jì)算出每層的總面積，用總面積除以單道焊縫的面積便可以求出填滿坡口所需要的焊縫總層數(shù)和總道數(shù)。焊接路徑規(guī)劃流程如圖 3 所示。

圖3 焊接路徑規(guī)劃流程Fig.3 Process flow of welding path planning

設(shè)母材板厚t，打底焊道高度hd，填充焊道高度h，填滿坡口所需總層數(shù)

當(dāng)n不為整數(shù)時(shí)，為了保證填滿坡口，取大于式(1)計(jì)算結(jié)果的最小整數(shù)nz，同時(shí)因?yàn)槿≥^大的整數(shù)時(shí)，焊縫金屬的總橫截面積會(huì)大于坡口的橫截面積，導(dǎo)致焊縫填充凸起，產(chǎn)生余高。因此，需要對(duì)焊縫的層高進(jìn)行一個(gè)修正，修正后的層高

設(shè)填充焊縫層數(shù)為i，則第i層總面積

式中：i∈[2，nz]。則菱形焊道邊長(zhǎng)l與面積Sr分別為

計(jì)算 (Si/Sr)的比值Q，將Q整數(shù)部分記為N，小數(shù)部分記為C。菱形焊道數(shù)目根據(jù)小數(shù)C來(lái)確定，以保證每層最末的梯形焊道具有適當(dāng)?shù)娜蹖挕Ｔ囼?yàn)表明，臨界值取 0.4 可以保證焊縫成型良好。若C≥0.4，則第i層菱形焊道數(shù)目ri=N，可以推知最末梯形焊道面積為St=CSr；若C＜ 0.4，則第i層菱形焊道數(shù)目ri=N-1，最末梯形焊道面積St=(C+1)Sr。

1.2 焊槍位置的確定

多層多道焊接焊槍位置如圖 4 所示。焊接的起弧點(diǎn)位置為焊絲中心線與該層焊道橫截面水平線的交點(diǎn)。

圖4 多層多道焊接焊槍位置Fig.4 Location ofweldingtorchat multi-layer and multi-passwelding

設(shè)第i層第j道焊道的橫、縱坐標(biāo)分別為yij、zij，打底焊道起弧點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)y11=0，z11=0。

打底焊道以上各焊層除最末梯形焊道之外，其余菱形焊道橫坐標(biāo)

第i層最末梯形焊道起弧點(diǎn)橫坐標(biāo)

第i層焊道縱坐標(biāo)

式中：i∈[2，nz]，j＝ri+1。

1.3 焊槍傾角規(guī)劃

為保證焊縫成形，使焊縫截面實(shí)際形狀盡量接近擬合的幾何圖形，在焊接菱形焊道時(shí)需要規(guī)劃焊槍的傾斜角度α，使得焊槍處于菱形長(zhǎng)對(duì)角線中垂線上，焊絲指向起弧點(diǎn)。由圖 2(a)幾何關(guān)系可得焊槍傾角

1.4 焊槍擺幅規(guī)劃

在焊接過(guò)程中增加焊槍擺動(dòng)，可以增加焊道寬度，在一定程度上避免焊縫成型不均勻的情況。同時(shí)，焊槍擺動(dòng)可以在一定程度上減少焊縫高度，提高焊縫金屬力學(xué)性能，有利于實(shí)現(xiàn)多層多道焊接[6]。

擺幅的數(shù)值不能過(guò)大，也不能過(guò)小。擺幅過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊槍觸碰到側(cè)壁，還會(huì)導(dǎo)致熔深過(guò)小達(dá)不到技術(shù)要求；擺幅過(guò)小時(shí)，會(huì)形成側(cè)壁未熔合缺陷[7]。因此，必須選擇一個(gè)合適的擺幅。焊槍擺幅示意如圖 5 所示。對(duì)于圖 5(a)的菱形焊道，焊槍位于其長(zhǎng)對(duì)角線中垂線上。因?yàn)椴捎昧庑螖M合焊道，所以焊道高度hz一旦確定，長(zhǎng)對(duì)角線AC長(zhǎng)度也隨之確定，其擺幅

式中：θ為坡口角度；m為考慮熔池形狀的修正因子，一般為 2～ 3 mm[7]。

圖5 焊槍擺幅示意Fig.5 Sketch of swing rangeof welding torch

對(duì)于圖 5(b)的梯形焊道，首先用焊層的總面積除以單道菱形焊縫面積，再根據(jù)剩下的小數(shù)部分來(lái)計(jì)算梯形焊道橫截面積。當(dāng)小數(shù)部分C＜ 0.4 時(shí)，梯形部分的面積St=(C+1)Sr，這時(shí)焊道的熔寬較大，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮笜寯[動(dòng)焊接才能獲得良好的焊縫成型，其焊槍擺幅

由于坡口底部空間較小，因此在焊接打底焊道時(shí)，一般不采取擺動(dòng)焊接。

1.5 焊槍碰壁檢測(cè)模型

厚板坡口內(nèi)焊接時(shí)，焊槍容易與坡口側(cè)壁碰撞，可達(dá)性較差。為避免出現(xiàn)這種情況，焊接規(guī)劃中一般取焊道起弧點(diǎn)與坡口上表面 2 頂點(diǎn)連線的角平分線作為焊槍位置，確定焊槍傾角。該方法雖然避免了焊槍與坡口側(cè)壁的碰撞，但在厚板或特厚板焊接時(shí)，需要頻繁改變焊槍傾角。因此，筆者建立了一個(gè)模型用于檢測(cè)焊槍與坡口側(cè)壁是否發(fā)生碰觸。正常情況下將菱形長(zhǎng)對(duì)角線中垂線作為焊槍傾斜位置，一旦發(fā)生碰觸，則改變焊槍傾角，不碰撞則無(wú)需改變焊槍傾角。這樣焊槍的傾角就不需要頻繁改變，有利于自動(dòng)化焊接，同時(shí)也有利于焊道實(shí)際截面形狀與菱形擬合。

V 形坡口檢測(cè)焊槍碰壁模型如圖 6 所示。焊槍被簡(jiǎn)化為圓柱體，其中黑色點(diǎn)劃線ls是焊絲的中心線，即圓柱體中心線；線lb位于焊槍噴嘴外輪廓邊緣；線lr則為坡口側(cè)壁邊緣。若要焊槍不觸碰側(cè)壁，只需要保證在焊接每層最靠近梯形焊道的菱形焊道時(shí)，焊槍與側(cè)壁不接觸即可，即中線lb與線lr在坡口內(nèi)不相交。設(shè)直線lb與ls斜率為kb，直線lr斜率為kr，焊槍噴嘴半徑為rq。

圖6 V 形坡口焊槍碰壁模型示意Fig.6 Sketch of collision model of V-shaped groovewelding torch andwall

由于焊槍位于菱形焊道角平分線上，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系可知，lb與y軸夾角為 45°+，而lr與y軸夾角為90°-，可以得到

焊絲所在直線ls方程

根據(jù)函數(shù)關(guān)系，可以求出直線lb的方程

聯(lián)立式 (15)、(16)，可求出縱坐標(biāo)z值。只要滿足板厚t＜z，即可避免焊槍與坡口側(cè)壁發(fā)生碰觸。

菱形焊道起弧點(diǎn)如圖 7 所示。在焊件較厚、V 形坡口角度較小時(shí)，焊件底部空間較小，第 2 層甚至第3 層只需 1 道梯形焊道即可填滿。所以，只需用第 1條菱形焊道的起弧點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。將第 1 條菱形焊道起弧點(diǎn)坐標(biāo) (yi1，zi1)帶入式 (15)，可以得到截距

圖7 菱形焊道起弧點(diǎn)Fig.7 Arcing point of rhombic weld seam

聯(lián)立式 (15)、(16)，帶入b值，可以得到線lb與線lr交點(diǎn)縱坐標(biāo)

只需使式 (18)中z＞t，便可以保證焊槍與坡口側(cè)壁不發(fā)生碰觸。由式 (18)可知，交點(diǎn)縱坐標(biāo)z值由坡口角度θ、第 1 條菱形焊道坐標(biāo) (yi1，zi1)以及焊槍噴嘴半徑rq決定。對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊，常用焊槍噴嘴半徑為 8 mm[8]，為了避免碰壁，這里假設(shè)焊槍噴嘴半徑為 10 mm。V 形坡口角度隨板厚的變化曲線如圖8 所示。

圖8 V 形坡口角度隨板厚的變化曲線Fig.8 Variation curve of V-shaped groove angle withplate thickness

由圖 8 可知，如果zi1值為 15 mm，坡口角度為50°，那么焊接時(shí)允許的最大板厚≤ 30 mm。當(dāng)坡口角度 ＞ 40°時(shí)，允許板厚的上限值將急劇增大。因此，厚板焊接時(shí)，為保證較低層焊道的焊槍可達(dá)性，可以適當(dāng)增大坡口角度。針對(duì)打底焊道和底層梯形焊道，在保證焊縫不燒穿的前提下，可以適當(dāng)增大焊接熱輸入。因?yàn)槠驴诘讓涌臻g較小，增大焊接金屬熔敷量可以實(shí)現(xiàn)焊縫高度快速增加；其次，對(duì)于厚板而言，較大的焊接熱輸入可以保證打底焊道焊透，避免出現(xiàn)未焊透缺陷。

2 模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

采用焊接路徑規(guī)劃模型，對(duì)厚板多層多道焊接工藝參數(shù)與路徑進(jìn)行規(guī)劃，并進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過(guò)比較試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)劃結(jié)果，驗(yàn)證該模型的可靠性。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

焊接試驗(yàn)采用 R6-1400 時(shí)代工業(yè)機(jī)器人、MIG/MAG 焊電源 TDN 5001MB。焊接試驗(yàn)平臺(tái)如圖 9 所示。焊絲為φ1.2 mm ER50-6，保護(hù)氣體為 80% Ar +20% CO2，氣體流量為 15 L/min。試板材質(zhì)為 Q345，尺寸為 200 mm×60 mm×70 mm。開(kāi) V 形坡口，坡口角度為 60°，對(duì)焊焊接前兩側(cè)拘束，以盡量控制焊接變形。

圖9 焊接試驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Welding test platform

2.2 焊接試驗(yàn)結(jié)果

焊接過(guò)程中，通過(guò)程序采集焊道坐標(biāo)、焊槍位姿數(shù)據(jù)，將實(shí)際值與規(guī)劃值進(jìn)行對(duì)比分析。焊接路徑規(guī)劃如表 1 所列。焊道實(shí)際位置與規(guī)劃位置對(duì)比如圖 10所示。

表1 焊接路徑規(guī)劃Tab.1 Welding path planning

圖10 焊接路徑規(guī)劃位置與實(shí)際位置對(duì)比Fig.10 Comparison of planned welding path position and actual one

由圖 10 可知，實(shí)際焊道數(shù)目與規(guī)劃焊道數(shù)目吻合，y、z坐標(biāo)稍有誤差，基本不影響焊接成形效果，焊接 15 層后的焊道形貌如圖 11 所示。

圖11 焊接 15 層后的焊道形貌Fig.11 Appearance of weld seam after 15-layer welding

3 結(jié)語(yǔ)

基于等高型焊縫填充策略建立的厚板 V 形坡口機(jī)器人多層多道焊接路徑規(guī)劃模型，在盾構(gòu)機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、球磨機(jī)、海洋裝備等行業(yè)的中厚板機(jī)器人焊接中具有應(yīng)用前景，有望實(shí)現(xiàn)中厚板多層多道自動(dòng)焊接，可以克服中厚板機(jī)器人焊接每道焊縫時(shí)，需要焊前示教、焊接效率低的弊端。該模型沒(méi)有考慮焊接變形和坡口一致性差對(duì)焊接路徑規(guī)劃的影響，有待于進(jìn)一步研究基于視覺(jué)實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)修正模型計(jì)算結(jié)果，使其適應(yīng)性更強(qiáng)。