薄壁鈦管管頭機(jī)器人焊接技術(shù)探究

李權(quán) 朱強(qiáng)

摘要：傳統(tǒng)手工氬弧焊速度慢，質(zhì)量不穩(wěn)定，現(xiàn)有的機(jī)器人焊接技術(shù)不能滿足薄壁鈦管管頭焊接要求。本文提出一種利用三維模型信息技術(shù)，根據(jù)管頭形狀和高度模型信息動(dòng)態(tài)控制焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)薄壁鈦管管頭機(jī)器人自動(dòng)焊接。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;薄壁鈦管;焊接;動(dòng)態(tài)控制

一、引言

機(jī)器人焊接是一種高度自動(dòng)化的焊接技術(shù)，目前，采用機(jī)器人代替手工焊接作業(yè)是焊接技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。機(jī)器人焊接作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志己被國內(nèi)外許多工廠所接受。機(jī)器人焊接，焊接速度快，焊槍過程不會(huì)振動(dòng)，焊接過程中速度不會(huì)忽快忽慢，能得到均勻、漂亮的焊縫，所以能提高焊接效率和質(zhì)量。

二、背景技術(shù)

鈦是一種對(duì)海水、酸、堿等有極強(qiáng)的防腐能力的材料，工業(yè)純鈦強(qiáng)度與鋼差不多，密度約為鋼的一半，用于制造換熱器，具有重量輕、防腐能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，薄壁鈦管管頭焊接是一項(xiàng)難度極高的工作，因?yàn)殁伿且环N活躍金屬，換熱器用鈦管（TA2）在350℃以上會(huì)強(qiáng)烈吸氣、脆化、產(chǎn)生氣孔及開裂，性能嚴(yán)重下降，TA2鈦管熔點(diǎn)較高，比熱小，焊接線能量大時(shí)，冷卻慢，易使晶體粗大，塑性降低，線能量小時(shí)，冷卻快，又會(huì)出現(xiàn)a相 （鈦馬氏體），塑性下降。

近年來，由于世界上鈦管產(chǎn)能提高，價(jià)格下降，越來越多地被用來生產(chǎn)電力、化工、海水淡化等裝備中的耐腐蝕換熱器。鈦管換熱器的管頭與管板需要密封，使兩邊流體不串通，密封方法通常為貼脹加密封焊。由于鈦管很簿，采用加絲焊極易熔穿，以目前僅使用鎢極氬氣保護(hù)自熔焊（圖1）。焊接時(shí)，管頭先用脹管機(jī)貼脹，切除多余鈦管管頭同時(shí)時(shí)預(yù)留1-2mm高度，清洗后全位置熔焊接一圈，使管頭融化與管板熔合成光滑的環(huán)形焊縫。

薄壁鈦管焊接現(xiàn)在的技術(shù)分別是手工氬弧焊（包括手工操作的半自動(dòng)機(jī)械焊接）和機(jī)器人焊接。薄壁鈦管焊接前需要切除多余的鈦管管頭，切除后的管頭受到刀具刃口變化和機(jī)械振動(dòng)的影響，其切口的形狀、留下管頭的高度是不規(guī)則的。手工氬弧焊焊接時(shí)，工人可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整焊接參數(shù)和焊槍方位，保證焊接質(zhì)量。手工氬弧焊的缺點(diǎn)是對(duì)工人技術(shù)要求較高，焊槍會(huì)振動(dòng)，焊接速度會(huì)改變，造成焊縫不光滑均勻，焊接速度慢，質(zhì)量不穩(wěn)定。機(jī)器人焊接的核心技術(shù)是示教-再現(xiàn)模式：首先操作機(jī)器人動(dòng)作，并讓機(jī)器人記住這個(gè)過程，然后讓機(jī)器人根據(jù)需要重復(fù)上述動(dòng)作過程。示教再現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作準(zhǔn)確，沒有偏差，并可以自動(dòng)反復(fù)不斷地工作，適合大批量的生產(chǎn)。但是，示教再現(xiàn)對(duì)于一些需要根據(jù)外部信息進(jìn)行實(shí)時(shí)決策的應(yīng)用無能為力。目前很多的機(jī)器人焊接采用焊縫視覺跟蹤，也只能自動(dòng)保持焊絲與焊縫的相對(duì)位置不變，但不能識(shí)別切口的形狀和管頭的高度，不能在焊接中途調(diào)整電流參數(shù)和焊槍距離，指所以不能滿足薄壁鈦管管頭焊接的要求。

三、技術(shù)方案

針對(duì)鈦管管頭形狀和高度不規(guī)則的特性，我們通過研究發(fā)現(xiàn)，可以利用三維信息控制技術(shù)來動(dòng)態(tài)控制焊接，使問題得以解決。信息控制邏輯見圖2。

本技術(shù)的關(guān)鍵是利用三D攝像頭對(duì)換熱管的管頭進(jìn)行三維分析，得到管頭模型信息參數(shù)，動(dòng)態(tài)控制機(jī)器人的位置和姿態(tài)，并根據(jù)三維信息調(diào)用焊接數(shù)據(jù)包，動(dòng)態(tài)設(shè)定氬弧焊機(jī)的焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)薄壁鈦管管頭機(jī)器人自動(dòng)焊接。技術(shù)方案如圖3所示。

焊接操作過程：

1）用六軸機(jī)器人的腕部法蘭安裝好氬弧焊機(jī)，把三D攝像機(jī)固定在支架上，連接好數(shù)據(jù)線，把六軸機(jī)器人與三D攝像機(jī)的信號(hào)同時(shí)連接到計(jì)算機(jī)。

2）編寫六軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)程序，使氬弧焊機(jī)的焊槍鎢極移動(dòng)到換熱管的正前方。

3）啟動(dòng)三D攝像機(jī)，對(duì)換熱管的管頭進(jìn)行三維分析。

4）計(jì)算機(jī)根據(jù)換熱管的管頭形狀和高度模型信息，動(dòng)態(tài)控制六軸機(jī)器人的位置和姿態(tài)，并根據(jù)焊接數(shù)據(jù)包，動(dòng)態(tài)設(shè)定氬弧焊機(jī)的焊接參數(shù)。

5）用計(jì)算機(jī)調(diào)用六軸機(jī)器人的焊接程序，使氬弧焊機(jī)對(duì)管板上的換熱管管頭進(jìn)行自動(dòng)焊接。焊接全過程設(shè)置氬氣氣壓報(bào)警裝置，在氣壓不足時(shí)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警訊號(hào)。

四、應(yīng)用前景

鈦管換熱器在中國沿海的使用量非常大，海邊的石油化工廠、火力發(fā)電廠和核電站常用的海水換熱器，如凝汽器、閉式水換熱器、油冷卻器，以及海水制鹽多效蒸發(fā)器、海水淡化裝置、船用換熱器等，大都使用鈦管。例如利用我國自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)“華龍一號(hào)”建設(shè)的的福清核電站、巴基斯坦卡拉奇核電站，就使用了大量的鈦管換熱器。本技術(shù)可以解決鈦管換熱器工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)瓶頸，使該行業(yè)擺脫對(duì)高水平焊工的依賴，提高作業(yè)自動(dòng)化水平、提升產(chǎn)品的焊接效率和成形質(zhì)量，將大大促進(jìn)鈦管換熱器行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介：李權(quán)（1972.5- ），男，漢族，廣東茂名市人，本科/學(xué)士（東南大學(xué)），教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣?jié)能環(huán)保技術(shù)、壓力容器和熱交換器研發(fā)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等。工作單位為廣東理工職業(yè)學(xué)院

廣東理工職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510000