大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)機(jī)器人窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用研究

金寶 馮濤 鐘磊 郭中才 范瀟 付永貴 彭謝宜

摘要：隨著抽水蓄能機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，機(jī)組關(guān)鍵部件座環(huán)用鋼板厚度和焊接量越來越大。為實(shí)現(xiàn)大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)的機(jī)器人焊接，降低人工勞動強(qiáng)度，對座環(huán)固定導(dǎo)葉焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將復(fù)雜不規(guī)則的異形焊道改為簡單的直線形焊道，將常規(guī)K型坡口設(shè)計(jì)為窄間隙I型坡口，通過對適用于T型接頭窄間隙坡口焊接的L型窄間隙MAG焊槍系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與參數(shù)試驗(yàn)研究，并集成機(jī)器人窄間隙焊接系統(tǒng)，開發(fā)出了一套成熟的多機(jī)器人窄間隙MAG焊接工藝，成功應(yīng)用于大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)的焊接，提高了座環(huán)機(jī)器人焊接效率及質(zhì)量可靠性，降低了焊接勞動強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能;座環(huán);機(jī)器人焊接;窄間隙焊接

中圖分類號：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0075-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.15

0? ? 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也取得了飛速發(fā)展。機(jī)器人在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用最廣，如焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界大約有超過50%的在役工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域[1-2]。機(jī)器人焊接以其高效、精準(zhǔn)、優(yōu)質(zhì)等優(yōu)勢替代傳統(tǒng)的低效人工焊接，有效保證了焊接產(chǎn)品質(zhì)量和外觀一致性，在焊接生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。

近年來，隨著水輪發(fā)電機(jī)組不斷向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，鋼板厚度和焊接量越來越大，極大地加大了人工勞動量，而焊接質(zhì)量難以保證，且由于高強(qiáng)鋼應(yīng)用日益廣泛，對焊接過程和焊工技能要求愈發(fā)嚴(yán)格，而高技能焊工的短缺造成了嚴(yán)重的產(chǎn)品交貨壓力。因此，機(jī)器人焊接在發(fā)電設(shè)備中的應(yīng)用研究越來越迫切。文中基于大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)的焊接，開展了機(jī)器人窄間隙MAG焊接研究，并在該座環(huán)產(chǎn)品中成功應(yīng)用。

1 大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)結(jié)構(gòu)及焊接特點(diǎn)

1.1 抽水蓄能機(jī)組座環(huán)結(jié)構(gòu)

座環(huán)是水輪機(jī)中的剛強(qiáng)度部套，承受機(jī)組和混凝土質(zhì)量，以及轉(zhuǎn)輪的軸向水推力和蝸殼的內(nèi)水壓力，應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，因此對其制造過程提出極高的要求。

座環(huán)主要由上環(huán)板、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉等零件組焊而成，如圖1所示。其中上、下環(huán)板都是超厚板，固定導(dǎo)葉截面為紡錘形非規(guī)則結(jié)構(gòu)，如圖2所示，導(dǎo)葉厚度變化大，最厚達(dá)230 mm。某大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)尺寸如表1所示，分兩瓣制造，每瓣由8個固定導(dǎo)葉以及上、下環(huán)板組成的16個T型接頭焊接而成。

1.2 座環(huán)機(jī)器人焊接特點(diǎn)

目前焊接機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)等批量結(jié)構(gòu)的制造領(lǐng)域[3]，其應(yīng)用對象的特點(diǎn)為：尺寸和質(zhì)量較小、批量成形、裝配精度較高、工件易于實(shí)現(xiàn)變位、焊縫坡口形式簡單。

與上述應(yīng)用對象相比，大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)焊接主要有以下特點(diǎn)：

（1）座環(huán)尺寸大、質(zhì)量重，很難通過專用工裝實(shí)現(xiàn)快速變位和協(xié)同工作。

（2）座環(huán)結(jié)構(gòu)用鋼板厚，焊接量大。采用常規(guī)K型坡口（見圖3）焊接時，隨著板厚的增大，焊接量急劇增加，焊接周期長。

（3）座環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊道軌跡規(guī)劃及編程復(fù)雜。座環(huán)固定導(dǎo)葉為紡錘狀，焊接軌跡呈弧形特征，常規(guī)機(jī)器人焊接時，需多點(diǎn)擬合軌跡，焊道軌跡規(guī)劃復(fù)雜。且加工、裝配精度和焊接過程中的變形造成機(jī)器人離線編程與實(shí)際工況的適應(yīng)能力差，常見的自動跟蹤方法也很難在多層多道焊接中發(fā)揮作用，人工現(xiàn)場軌跡糾偏較困難，機(jī)器人焊接效率低。

（4）座環(huán)結(jié)構(gòu)為半封閉空間，常規(guī)機(jī)器人焊接可達(dá)性差，如圖4所示。

為提高機(jī)器人焊接效率、保證焊接質(zhì)量，文中基于大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)固定導(dǎo)葉的焊接，開發(fā)了一種機(jī)器人窄間隙焊接工藝。

2 基于機(jī)器人窄間隙焊接的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人工焊接座環(huán)固定導(dǎo)葉時，采用K型坡口（見圖5a），單臺座環(huán)熔敷量約2.8 t。常規(guī)機(jī)器人焊接時由于姿態(tài)受限，其焊接坡口角度略大于人工坡口（見圖5b），熔敷量超過3.0 t，焊接工作量大。且由于座環(huán)焊道為不規(guī)則弧形，軌跡規(guī)劃復(fù)雜，機(jī)器人焊接效率無法滿足生產(chǎn)需求。

為提高機(jī)器人焊接效率，對座環(huán)固定導(dǎo)葉焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化。一方面將K型坡口設(shè)計(jì)為I型窄間隙坡口，根部14 mm，上部16 mm，坡口根部留4 mm左右鈍邊，窄間隙坡口焊接完成后，人工對鈍邊部位進(jìn)行清根再焊接（見圖5c），較K型坡口減少68%的熔敷量，并將多層多道焊接簡化為一層一道或兩道的窄間隙焊接;另一方面，通過加工方式將坡口端紡錘形截面改為矩形，從而將復(fù)雜不規(guī)則的弧形焊道改為簡單的直線形焊道，如圖6所示。機(jī)器人焊接完成后，再將坡口端的矩形部分修磨至與產(chǎn)品紡錘狀一致。通過對導(dǎo)葉焊接結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，一是通過降低焊接量，提高了機(jī)器人焊接效率;二是在簡化導(dǎo)葉焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型、焊道排布及軌跡規(guī)劃后，軌跡出現(xiàn)偏差時，校準(zhǔn)點(diǎn)及校準(zhǔn)時間大幅減少，從而大幅提高機(jī)器人的有效焊接時間和焊接效率。

3 適合于T型接頭深窄坡口焊接的焊槍設(shè)計(jì)

雖然座環(huán)焊接結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可大幅提高機(jī)器人焊接效率，但是常規(guī)焊槍無法伸入該形式的深窄坡口，需配合設(shè)計(jì)特殊焊槍以實(shí)現(xiàn)深窄坡口的窄間隙焊接[4-5]。

座環(huán)固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板組成半封閉T型結(jié)構(gòu)，常規(guī)焊槍極易與環(huán)板發(fā)生干涉。為滿足T型深窄坡口焊接要求，設(shè)計(jì)了L型窄間隙焊槍，如圖7所示。焊槍主體采用扁形結(jié)構(gòu)，厚度不大于I型窄間隙坡口寬度，焊槍與機(jī)器人連接部位及其他部分垂直于焊槍主體，保證焊槍伸入至固定導(dǎo)葉坡口而不與環(huán)板發(fā)生干涉。為保證窄間隙坡口側(cè)壁熔合良好，將導(dǎo)電嘴與焊槍主體設(shè)置一定偏心角度，焊接時電弧指向側(cè)壁。

焊槍內(nèi)部設(shè)有主導(dǎo)電桿，其一端連接偏心導(dǎo)電嘴，另一端連接齒輪，通過伺服電機(jī)控制齒輪與主導(dǎo)電桿的旋轉(zhuǎn)可控制偏心導(dǎo)電嘴末端焊絲與側(cè)壁之間的角度和距離，上、下熔合線焊接時，焊絲指向坡口上、下側(cè)壁，從而保證電弧對側(cè)壁的熔合質(zhì)量，避免側(cè)壁熔合不良問題。

保護(hù)氣體是影響窄間隙MAG焊接質(zhì)量的重要因素，與常規(guī)焊槍的保護(hù)氣體位于焊槍中心不同，該窄間隙焊槍的保護(hù)氣體位于焊槍導(dǎo)電嘴兩側(cè)。一方面，設(shè)計(jì)噴嘴的尺寸和結(jié)構(gòu)避免保護(hù)氣體形成紊流;另一方面，設(shè)計(jì)窄間隙坡口時充分考慮氣體保護(hù)，在保證焊槍伸入和焊接操作的前提下，盡量采用小坡口，使保護(hù)氣體與窄間隙坡口形成聯(lián)合保護(hù)，保證氣體保護(hù)效果。

4 多位置機(jī)器人窄間隙MAG焊接工藝

機(jī)器人窄間隙MAG焊接是一種高效節(jié)能的焊接方法，尤其適合厚板焊接，但同時存在側(cè)壁熔合不良、焊接飛濺等問題。因此需要選擇合適的焊接設(shè)備及工藝參數(shù)來保證被焊工件底部和側(cè)壁焊接良好，以及焊接過程中電弧穩(wěn)定，避免產(chǎn)生大顆粒飛濺，從而保證每道焊縫質(zhì)量和成形良好，故采用熔化極氣體保護(hù)焊，并用熔滴噴射過渡獲得穩(wěn)定焊接過程。焊接電流是影響焊縫成形的關(guān)鍵因素，尤其是橫焊位置焊接，電流過大極易引起熔池流淌造成咬邊或假焊，因此電流選擇180～230 A，平焊位置焊接電流可根據(jù)焊接速度匹配選擇240～280 A。電壓是影響側(cè)壁熔合的重要參數(shù)，過大易造成側(cè)壁咬邊，過小易引起未熔合。保護(hù)氣體是焊縫成形的關(guān)鍵，選用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，流量20～25 L/min。本研究針對橫焊與平焊位置的機(jī)器人窄間隙MAG焊焊縫成形，通過對焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，找出匹配的工藝規(guī)范，對試件解剖后進(jìn)行宏觀金相檢測，未發(fā)現(xiàn)未熔合等缺陷，如圖9所示，焊接質(zhì)量完全滿足要求。

5 適合于抽水蓄能機(jī)組座環(huán)焊接的機(jī)器人窄間隙焊接系統(tǒng)集成

根據(jù)抽水蓄能機(jī)組座環(huán)尺寸大、質(zhì)量大、變位困難的特點(diǎn)，集成多自由度、重型機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人的工作半徑和高度均能保證大型座環(huán)在無需變位的情況下完成焊接，如圖10所示。其中十軸機(jī)器人帶有弧形固定導(dǎo)軌以增加機(jī)器人的可達(dá)范圍，特別適用于大尺寸環(huán)形結(jié)構(gòu)（如座環(huán)）的焊接，九軸機(jī)器人為移動式機(jī)器人，可根據(jù)活動范圍需要移動至所需位置。

座環(huán)單瓣裝配后，兩瓣再疊裝至一起，并用拉筋搭焊牢。采用雙機(jī)器人焊接，每臺機(jī)器人各焊8個固定導(dǎo)葉和16條T型接頭焊縫，通過焊接順序規(guī)劃，保證機(jī)器人互不干涉，焊接電源選用SAF脈沖電源，每臺機(jī)器人末端夾持一套L型窄間隙焊槍。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢為：（1）多自由度機(jī)器人工作范圍滿足大型座環(huán)的各位置焊接。（2）通過焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接工藝研究，在焊接固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板的T型接頭間切換時，座環(huán)無需變位即可完成固定導(dǎo)葉上下側(cè)坡口的焊接。避免了翻轉(zhuǎn)后座環(huán)定位及軌跡糾偏帶來的問題，提高了焊接效率。（3）機(jī)器人焊接軌跡為直線，軌跡規(guī)劃簡單，焊接過程出現(xiàn)偏差時，軌跡糾偏容易。（4）機(jī)器人窄間隙焊接時，是一層兩道焊接，即上、下熔合線各一道，焊道規(guī)劃簡單，避免了多層多道焊帶來的焊道規(guī)劃難題。

該系統(tǒng)的建立可大幅提高焊接效率，保證大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)的高效、高質(zhì)生產(chǎn)。

6 機(jī)器人窄間隙焊接技術(shù)在大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)焊接中的應(yīng)用及效果

6.1 座環(huán)機(jī)器人窄間隙焊接難點(diǎn)分析

座環(huán)機(jī)器人窄間隙焊接主要難點(diǎn)有：（1）座環(huán)固定導(dǎo)葉為超厚板，開單面窄間隙坡口后，坡口深度大，其可視性和可操作性差，若焊接過程中出現(xiàn)缺陷，修復(fù)困難，須保證每一道焊縫的質(zhì)量;（2）上、下環(huán)板與固定導(dǎo)葉裝配后形成半封閉的盒裝結(jié)構(gòu)，操作空間小，焊接難度大;（3）座環(huán)焊接時，需嚴(yán)格控制焊接變形，一方面保證開檔等尺寸公差;另一方面控制坡口收縮，以避免坡口過小造成夾槍。

6.2 座環(huán)固定導(dǎo)葉的機(jī)器人窄間隙焊接應(yīng)用

通過焊接工藝研究，焊前進(jìn)行預(yù)反變形，焊接座環(huán)固定導(dǎo)葉時，監(jiān)測坡口及座環(huán)開檔尺寸變化，通過對稱焊接固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板之間T型接頭焊縫，有效地控制座環(huán)開檔尺寸與坡口尺寸收縮，保證焊接過程的順利進(jìn)行。焊接時嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，確保焊縫性能及質(zhì)量，結(jié)果表明，焊縫成形良好，過程穩(wěn)定。兩臺機(jī)器人同時焊接，保證了焊接效率，滿足產(chǎn)品生產(chǎn)周期，座環(huán)現(xiàn)場焊接如圖11所示。

6.3 實(shí)施效果

目前，機(jī)器人窄間隙焊接技術(shù)已在多臺套抽水蓄能機(jī)組中成功應(yīng)用，座環(huán)一次UT探傷合格率超過95%，焊后尺寸檢查滿足公差要求。通過大量的焊接應(yīng)用，達(dá)到以下效果：

（1）通過坡口設(shè)計(jì)，坡口焊接量減少了68%，機(jī)器人焊接效率為人工的3～5倍，焊接成本降低了50%，大幅降低勞動強(qiáng)度，改善焊接操作環(huán)境。

（2）通過對導(dǎo)葉焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、窄間隙焊槍設(shè)計(jì)及多機(jī)器人窄間隙焊接系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能機(jī)組座環(huán)機(jī)器人焊接的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，解決了高強(qiáng)鋼焊接對高技能焊工的依賴。

（3）該技術(shù)的成功實(shí)施為厚板、超厚板的機(jī)器人焊接提供了方向，解決了多層多道焊接時的焊道排布、軌跡規(guī)劃及軌跡糾偏難題。

7 結(jié)論

（1）通過簡化抽水蓄能機(jī)組座環(huán)固定導(dǎo)葉焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，將固定導(dǎo)葉常規(guī)K型坡口設(shè)計(jì)為窄間隙I型坡口，弧形焊道設(shè)計(jì)為直線形，大幅減少焊接量，同時簡化了座環(huán)機(jī)器人焊接軌跡規(guī)劃與過程控制。

（2）通過對適用于T型接頭窄間隙坡口焊接的L型窄間隙MAG焊槍進(jìn)行設(shè)計(jì)及工藝研究，并集成機(jī)器人窄間隙焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了座環(huán)T型接頭深窄坡口的高效、高質(zhì)量焊接。

（3）機(jī)器人窄間隙MAG焊接技術(shù)在大型抽水蓄能機(jī)組座環(huán)中的成功應(yīng)用，大幅減少了座環(huán)焊接量，提高了焊接效率及探傷合格率，降低了焊接作業(yè)強(qiáng)度，改善了焊接作業(yè)環(huán)境。

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