大型管板群縫數(shù)字化焊接控制系統(tǒng)設(shè)計

尚明月,王 明,李 敏，榮佑民,黃 禹

(1.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.江漢大學(xué) 智能制造學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

壓力容器是實現(xiàn)工業(yè)換熱設(shè)備的主要產(chǎn)品。近年來，工業(yè)化的不斷發(fā)展對壓力容器提出了更高的質(zhì)量要求。其中管-管板式換熱容器作為壓力容器的代表，工作環(huán)境復(fù)雜、密封承壓要求高[1-4]，若管-管板環(huán)縫焊接質(zhì)量不滿足生產(chǎn)需求，極易引發(fā)事故。且在大型管板群縫中，管子-管板的環(huán)縫密集，單個管板上可達數(shù)千條，對管口定位精度與焊接質(zhì)量均提出了極高的要求[5-6]。

傳統(tǒng)半自動焊接方式采用手動定位：即手動移動焊槍頭，使定位軸頭插入管孔，此時認為焊機旋轉(zhuǎn)中心與管孔中心同心，便可進行焊接[7-8]，半自動焊接設(shè)備見圖1。此焊接方式存在3個缺點：(1)定位精度不高，定位塊插入的深度靠工人肉眼觀看，鎢極距管、距板距離均達不到焊接工藝要求；(2)焊接半徑、傾角固定，半自動方式的焊槍頭完全固定，由螺栓鎖緊，無法適應(yīng)焊接參數(shù)的實時變化；(3)焊接質(zhì)量差，焊槍頭所在焊接平臺完全由工人手動移動，不能保證焊接平面與管板平面平行，易出現(xiàn)焊接未熔合與管壁燒穿的情況[9]。

圖1 半自動管板焊機實物圖

基于上述背景，本文設(shè)計一套針對大型管板群縫自動化焊接的控制系統(tǒng)，旨在提高管板焊接設(shè)備的定位精度與焊接質(zhì)量。系統(tǒng)以下位機運動控制器為基礎(chǔ)，通過手眼標定、管板觸碰等焊前操作與正確的焊接流程，實現(xiàn)設(shè)備的精準定位與高質(zhì)量焊接。

1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

該管板焊接設(shè)備主要由XYZ三軸運動平臺加旋轉(zhuǎn)機頭組成，設(shè)備整體與旋轉(zhuǎn)機頭實物如圖2所示。其中X，Y軸運動行程為1 600 mm，可以滿足大型管板的焊接需求。旋轉(zhuǎn)機頭由U軸(旋轉(zhuǎn)軸)、V軸(槍擺軸)、W軸(送絲軸)、R軸(半徑軸)等4根軸以及相機與焊槍頭組成。其中U軸負責控制機頭旋轉(zhuǎn)、V軸負責轉(zhuǎn)動槍擺、R軸負責控制半徑距離、W軸負責送絲。

圖2 設(shè)備整體與旋轉(zhuǎn)機頭實物圖

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)備控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計[10-11]，可分為軟件模塊、主控模塊、相機模塊、電機驅(qū)動模塊等，各模塊間關(guān)系如圖3所示。其中軟件模塊是基于QT軟件進行頁面搭建，提供設(shè)備接收操作指令的窗口；主控模塊采用正運動控制器ECI2822，該運動控制器最多可控制10根軸，滿足設(shè)備的需求，其中X,Y,Z,U四根軸采用EtherCAT總線進行控制，驅(qū)動器采用多圈絕對值編碼器[12]，保證位置精度，其余各軸采用脈沖方向控制；相機模塊采用大恒MER2-503-23GM-P相機進行圖像的獲取與測量；電機驅(qū)動模塊由邁信EP3E系列伺服電機與銳特42/57步進電機組成。此外設(shè)備焊機采用松下YC-400TX4HGE焊機，可焊接電流范圍為4～400 A，滿足實際焊接需求。

(a)模塊說明圖

3 運動控制系統(tǒng)

設(shè)備的完整運動主要由運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)[13]?？煞譃椋捍终{(diào)設(shè)備與管板間距、手眼標定、管板調(diào)平、管板觸碰等焊前準備工作；全自動焊接、補焊等焊接操作；以及焊接完成的回到工作位置操作。

3.1 焊前操作

焊接前準備工作主要是對管-管板進行精確定位，以便焊接時更好控制焊接距離。焊前準備工作可分為：手眼標定、管板調(diào)平、圖紙標定、管板觸碰四部分，焊前操作順序如圖4所示。

圖4 焊前操作順序示意

手眼標定的目的是使相機找到拍照位置，此時相機配合十字激光剛好定位管口中心；管板調(diào)平的目的是使焊槍頭回轉(zhuǎn)所在平面與管板平面平行，保證在焊接過程中焊槍頭距管距離、距板距離保持不變，從而避免出現(xiàn)焊接未熔合與管壁燒穿的情況；圖紙標定的目的是使設(shè)備坐標與圖紙坐標重合，標定成功后可以任意選取管口，設(shè)備可準確移動到所選擇位置；管板觸碰的目的是補償回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)中心與相機焦點的偏差(精定位偏差)，該偏差是系統(tǒng)固有偏差，每次全自動焊接都需要添加該補償。

3.2 主要焊接流程

管板焊接設(shè)備最重要的流程是全自動焊接：單擊軟件主頁面“全自動焊接”功能按鈕，運動控制程序執(zhí)行完整焊接流程，并實時上傳焊接信息，焊接結(jié)束回到工作位置。全自動焊接功能主要由控制器程序進行驅(qū)動，主要步驟如圖5所示。

圖5 全自動焊接流程

流程中起弧→焊接→熄弧直接決定焊接質(zhì)量的好與壞，其運動時序十分關(guān)鍵。如先預(yù)通氬氣，清除焊縫表面空氣，防止出現(xiàn)氣孔；經(jīng)過預(yù)熱時間達到焊接電流峰值或接收到焊機起弧成功信號，方可旋轉(zhuǎn)機頭與送絲；熄弧過程要先停止送絲，再停止旋轉(zhuǎn)機頭，熄弧電流呈波峰波谷式下降，此時焊縫熄弧處會呈現(xiàn)近同心圓的魚鱗狀焊縫，最終收縮到圓心呈點狀，工藝效果較好。

圖6 焊接起弧-熄弧時序圖

設(shè)備焊接時序圖如圖6所示，各部分焊接時間可根據(jù)實際焊接材料設(shè)置不同比例，但各部分的時序不可發(fā)生改變，否則將影響焊接測試效果。

3.3 程序架構(gòu)

該設(shè)備運動控制程序是基于正運動控制器采用Basic語言進行編寫，整體架構(gòu)分為：系統(tǒng)設(shè)置模塊、總線初始化模塊、參數(shù)讀取模塊、全自動焊接模塊、回零模塊與報警監(jiān)視模塊等6個模塊，分塊編寫程序[14]。程序執(zhí)行采用三線程同時運行：參數(shù)讀取線程、工作模式線程、報警監(jiān)視線程，參數(shù)讀取線程負責讀取上位機軟件操作指令與焊接參數(shù)；工作模式線程在全自動焊接、回零、補焊等不同工作模式下切換；報警監(jiān)視線程全程監(jiān)視各個軸、氬氣、水路、焊機、驅(qū)動器等報警信息，出現(xiàn)報警及時反饋信號并急停設(shè)備。

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗測試

控制系統(tǒng)設(shè)計完成，首先對焊接管口的重復(fù)定位精度進行了測試。選擇管板第一排6根管口，焊接模式選擇不起弧、不送絲。將XYZ三軸伺服驅(qū)動器多圈值在設(shè)備零點處清零，通過實時監(jiān)測XYZ三軸驅(qū)動器參數(shù)，便可監(jiān)測X，Y，Z三軸運動到焊接位置時坐標，將數(shù)據(jù)記錄成表格，并繪制成散點連線圖，如圖7所示(由于不同管口位置坐標不同，且根據(jù)實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)各軸坐標重復(fù)精度都在1 mm之內(nèi)，故本試驗均對試驗數(shù)據(jù)去除整數(shù)，保留小數(shù)部分作圖，便于體現(xiàn)偏差大小)。

圖7 各軸重復(fù)測試下偏差值

根據(jù)實際焊接經(jīng)驗，針對同一管口，鎢極與管壁/管板的距離波動越小越好，即不同測試下的重復(fù)精度越高越好。從圖中截取每個管口不同測試數(shù)據(jù)，分別計算其極差大小(即同一管口測試一到測試五的縱坐標最大偏差值)，可得各個軸的極限偏差：X為0.06 mm；Y為0.05 mm；Z為0.167 mm，完全滿足設(shè)備預(yù)定精度要求，也達到焊接使用標準，為接下來焊接測試做好基礎(chǔ)。

重復(fù)定位精度測試完成后，對設(shè)備的焊接效果進行了測試。實際焊接應(yīng)用過程中，焊接模式可分為[15]：(1)焊1層，不填絲；(2)焊1層，填絲；(3)焊2層，第1層填絲，第2層不填絲；(4)焊2層，均填絲。故本文針對焊接過程中是否送絲都進行了焊接參數(shù)的探索與焊接效果驗證。

針對不填絲自熔焊接與填絲焊接兩種不同焊接方式，每種情況對焊接參數(shù)、焊槍擺角等都有不同要求。本文采用的管板規(guī)格參數(shù)如表1所示，管板直徑 600 mm、厚度47 mm、管孔數(shù)144個，屬于大規(guī)模管板群縫焊接。按照管子端面與管板焊接平面之間的距離，管板接頭有3種形式[16]：伸出式、平齊式、縮進式。本文的管子均采用管子軸線與地面平行固定，管板接頭為伸出式，伸出管板平面距離3～4 mm。

表1 管板規(guī)格參數(shù)

4.1 不填絲自熔焊接測試

4.1.1 不填絲自熔焊接參數(shù)設(shè)定

根據(jù)實際焊接經(jīng)驗：在管子較厚、無間隙、平焊、焊縫無過高要求的狀態(tài)下可以不填絲。但是此時焊縫容易產(chǎn)生下凹，焊縫下凹會導(dǎo)致焊接區(qū)抗拉性差，因為此時焊接母材已經(jīng)熔化變薄。

根據(jù)不填絲自熔焊接的特點，設(shè)定對應(yīng)焊接參數(shù)。根據(jù)圖4中管板調(diào)平與管板觸碰所示，將管口左側(cè)定為基準0°，沿順時針方向依次為90°，180°，270°。其中焊接初始角度設(shè)定在95°，目的是讓焊槍在管口上方起弧，此時熔化鐵水在鎢極前方，焊接質(zhì)量好；焊接過程中基值電流、峰值電流、時間參數(shù)參照文獻[17-18]中參數(shù)進行初設(shè)定范圍，并針對實際焊接情況與樣件材料，各項指標均作出相應(yīng)調(diào)整，經(jīng)過多次測試，最終選定焊接參數(shù)[19]，如表2所示。

表2 不填絲自熔焊接參數(shù)

4.1.2 不填絲自熔焊接效果

使用設(shè)備對管-管板進行不填絲自熔焊接測試，焊接效果如圖8所示(取其中一個作為代表)?？梢钥闯觯缚p成形美觀且焊縫均勻一致、過渡平滑、無焊接氣孔[20]，滿足外觀檢測需求。

圖8 不填絲自熔焊接效果圖

對焊縫進行滲透檢測：通過噴涂清洗劑，去除表面鐵屑、氧化皮；再噴涂滲透劑，置于空氣中15 min；最后噴涂顯像劑，觀察焊縫缺陷如圖9所示，未見明顯焊接缺陷。采用焊縫檢測尺對角焊縫焊縫層厚度進行測量，在45°時的焊點為角焊縫厚度，當焊接電流基值與峰值為85 A和185 A時，角焊縫厚度測量值在1.0～1.2 mm之間，滿足角焊縫厚度要求。

圖9 不填絲自熔焊接滲透檢測與角焊縫厚度檢測圖

4.2 填絲焊接測試

4.2.1 填絲焊接參數(shù)設(shè)定

填絲焊接是鎢極氬弧焊最常用的焊接方式。對于不同焊接材料與焊接要求，填絲工藝也會有很大差別。本文針對Q345R管板進行焊接，由于填絲焊接工藝要求較高：焊槍頭距管距離、距板距離、送絲速度、送絲角度都會對焊接熔池產(chǎn)生影響，進而影響焊接質(zhì)量。

經(jīng)過多次實際焊接測試，選定焊接參數(shù)見表3。對比不填絲自熔焊接，增大了基值電流、峰值電流、距管距離、距板距離。增大距管距離、距板距離是因為填絲焊接工藝主要將焊絲熔化填入焊縫，輕微熔解管板與管子，故焊接時距板、距管距離變大，保證完整送絲；增大焊接電流是因為填絲焊接工藝距管距離、距板距離的增大，導(dǎo)致焊縫處溫度降低，為了更好地熔化焊絲填補焊縫，需要增大焊接電流，可根據(jù)實際焊接距離進行調(diào)整。

表3 填絲焊接參數(shù)

4.2.2 填絲角度測試

管板焊接設(shè)備主要用填絲焊接模式，故對填絲焊接進行了大量的測試。首先對焊槍頭的送絲角度進行測試，主要測試目的：防止焊絲撞擊管口、送絲位置距離鎢極尖端2 mm左右、沿U軸旋轉(zhuǎn)方向在鎢極前送絲等[21]。試驗測定送絲嘴所在平面與鎢極軸線所在垂直平面呈18°～30°、送絲嘴軸線與鎢極軸線呈60°～70°、焊槍頭偏轉(zhuǎn)角在15°～25°，送絲焊接效果最好，如圖10所示(根據(jù)實際焊接材料與焊接方式不同會有差別)。

圖10 焊槍位置示意

4.2.3 填絲焊接效果

調(diào)整好送絲角度，對填絲焊接效果進行測試，如圖11所示?？梢钥闯觯缚p填絲均勻、焊接電流平穩(wěn)、未出現(xiàn)燒穿管頭以及管頭未熔合現(xiàn)象，滿足填絲焊接外觀檢測要求。

圖11 填絲焊接效果

對焊縫進行滲透檢測，通過噴涂清洗劑、滲透劑、顯像劑，觀察焊縫缺陷如圖12所示，未見明顯焊接缺陷。采用焊縫檢測尺對角焊縫焊縫層厚度進行測量，在45°時的焊點為角焊縫厚度，當焊接電流基值與峰值為95 A和195 A時、送絲速度為9 mm/s時，角焊縫厚度測量值在1.8～2.0 mm，滿足角焊縫厚度要求[22]。

圖12 填絲焊接滲透檢測與角焊縫厚度檢測圖

5 結(jié)論

大型管板類換熱容器具有焊縫密集、管口數(shù)量龐大的特點，對管板焊接設(shè)備的定位精度與焊接質(zhì)量均提出了較高的要求。傳統(tǒng)半自動焊接方式呈現(xiàn)定位精度不準、焊接半徑固定、焊接質(zhì)量差的缺點?；谏鲜霰尘埃疚脑O(shè)計開發(fā)了一套以下位機運動控制為基礎(chǔ)、針對大型管板群縫數(shù)字化焊接的控制系統(tǒng)。設(shè)備測試結(jié)果表明：運動平臺X,Y,Z方向極差分別為0.06,0.05,0.167 mm，均滿足焊接使用要求；不填絲自熔焊接與填絲焊接均無氣孔、焊接未熔合與管壁燒穿等現(xiàn)象，且滿足外觀檢測、滲透檢測與角焊縫厚度檢測要求。試驗測試結(jié)果表明該系統(tǒng)是可行的，為全自動化管板焊接設(shè)備提供了研究基礎(chǔ)。

同時，不同焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量會有較大影響，且與焊接材料、焊接電流等相關(guān)，具體技術(shù)研究較為復(fù)雜，將在后續(xù)研究中逐步加以解決。