機器人雙絲單弧焊在電力鐵塔塔座中的應用

余小榕，鄧火生

（廣西機電職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530007）

0 引言

農(nóng)村電網(wǎng)改造工程是鄉(xiāng)村振興的重要舉措之一，而用于電力輸送的鐵塔塔座生產(chǎn)需要進行大量的焊接。由于受到鐵塔塔座的結構限制，企業(yè)中常常采用手工二氧化碳氣保焊焊接，這不僅需要大量的人工成本，而且質量也不能得到有效的保障。鐵塔的塔座屬于中厚板。發(fā)展高效、優(yōu)質、低能的中厚板焊接技術，是現(xiàn)代制造業(yè)的迫切需求[1]。為了提高焊接的效率，通常采用熱絲TIG焊，磁控高效MIG、MAG，雙絲雙電弧焊接，埋弧焊，激光+MIG復合焊接等方法[2-3]，這些方法有各自的優(yōu)缺點，適用不同的場合。電弧焊接技術致力于提高焊接效率和焊接質量。雙絲熔化極氣體保護焊采用兩根焊絲同時進行焊接，熔覆速率高，焊接速度快，被廣泛應用于船舶、建筑、壓力容器等領域[4]。埋弧焊技術的焊接效率也較高，廣泛應用于中厚板焊焊接，適合于長且直的船形焊縫和直徑大的環(huán)形焊縫。但是由于鐵塔塔座的焊縫是T形焊縫，且焊縫較短，因此鐵塔塔座不適用埋弧焊。胡紅中[5]針對鐵塔塔座在低溫環(huán)境下可能表現(xiàn)出不同的斷裂行為，運用有限元分析和實驗的方式對塔座焊接工藝進行優(yōu)化。鄧菲等[6]研發(fā)鐵塔塔靴自動焊接系統(tǒng)，對焊接系統(tǒng)的組成、工作過程、機械結構和控制系統(tǒng)等進行設計，并進行塔靴的生產(chǎn)應用。

電力鐵塔塔座的結構相對復雜，焊縫數(shù)量多且長度較短，若利用自動化小車焊接，需要頻繁對工件進行反轉，無形中增加了工序，降低生產(chǎn)效率。針對此問題，根據(jù)電力鐵塔塔座結構和焊接要求，提出采用雙絲焊接電源雙工位的機器人焊接工作站的設計，并對關鍵技術焊接夾具和焊接工藝進行改進，通過實驗驗證所設計的鐵塔塔座的自動化焊接工作站的生產(chǎn)效率。

1 電力鐵塔塔座的機器人焊接工作站設計

1.1 鐵塔塔座的結構及焊接要求

電力鐵塔的塔座由底板、腹板、加強筋等組成（圖1）。電力鐵塔塔座鋼板材料通常包含少量合金元素的低合金鋼，具有高硬度，焊接中容易出現(xiàn)裂紋。厚板焊接是工程的一大問題，塔座需要采用多層焊接和多道焊接，這是由于厚板焊縫的坡口大，單層單道焊縫無法填充坡口。由于電力鐵塔塔座的腹板與加強筋之間需要成一定的角度，其結構與尺寸也隨著輸送電力電壓的大小而改變，這使得塔座裝配的要求較高、難度較大。以66 kV電力輸送鐵塔為例，材料為Q235，底板厚16 mm，腹板、筋板板厚14 mm。腹板、筋板與底座之間，腹板與筋板之間均需要焊接，接頭形式為角接頭。要求焊腳尺寸K約等于板厚，焊縫平整光滑，無咬邊、裂紋等缺欠。在筋板、腹板和底板三者形成的夾角處，熱量積聚，容易導致該處的焊縫余高過高或者焊縫脫節(jié)。在實際的焊接中受到空間尺寸的限制，需要改變焊槍的角度，電弧才能燒到根部。因此該處容易出現(xiàn)焊接缺陷。

圖1 66KV電力輸送鐵塔塔座示意圖

1.2 鐵塔塔座焊接電源分析與機器人工作站設計

目前應用較多的雙絲焊接工藝有Twin Arc和Tandem雙絲焊接工藝。Twin Arc焊接原理是將粗絲變成兩根細絲（圖2），采用一個電源或兩個電源，兩套送絲系統(tǒng)和一個雙孔的導電嘴，形成雙弧的共熔池焊接。焊接時兩根焊絲都有電流流過，焊絲的熔覆效率得到大大提升。但雙弧間容易產(chǎn)生電磁干擾導致熔滴過渡不穩(wěn)定[7]。Tandem雙絲焊接工藝采用兩個電源（圖3），兩根焊絲分別通過相互絕緣的導電嘴進行焊接[8]。由于焊接時需要協(xié)調(diào)兩個焊接電源，調(diào)節(jié)參數(shù)要比一個電源的雙絲焊接復雜，但雙絲焊接方法在焊接效熔覆率和焊接速度方面遠遠超越傳統(tǒng)的單絲焊接[6]，同時考慮到焊接結構、生產(chǎn)成本，以及參數(shù)的調(diào)節(jié)方便，為此對鐵塔塔座焊接采用單電源雙絲Twin Arc焊接工藝。

圖2 Twin Arc雙絲焊接示意圖

圖3 Tandem雙絲焊接示意圖

焊接機器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運動速度快等特點，將其應用在鐵塔塔座的焊接中可極大提高焊接效率，改善勞動環(huán)境。焊接位置有平焊位置和立焊位置。由于立焊縫的質量難以保證，在實際生產(chǎn)中通常采用變位機將立焊位置變換為船形焊位置，因此提出采用外部雙軸L型變位作為機器人焊接工作站的一部分。為提高生產(chǎn)效率，設計出單機器人雙工位焊接的工作站，采用單電源雙絲焊接電源、機器人、L型變位機等設備，其中一個工位在焊接時，另一個工位在上下料（圖4）。在焊接過程中，熔化極氣體保護焊容易產(chǎn)生飛濺，極易堵塞噴嘴，因此工作站配備清槍裝置，以保證焊接機器人可長時間正常穩(wěn)定工作。

綜上所述，為提高鐵塔塔座的焊接效率，設計了單機器人多工位電力輸送鐵塔塔座焊接工作站（圖4）。

圖4 單機器人雙工位電力輸送鐵塔塔座焊接工作站

1.3 焊接夾具的設計

在腹板與筋板的手工焊接中，通常需要利用A形塊進行輔助裝配和點焊。為提升裝夾效率，并實現(xiàn)機器人對塔座的自動化焊接，在L型變位機上設計工裝夾具，如圖5所示。工裝夾具由方形板底板、直角定位板、三塊側位定位板、楔形塊、U型卡爪、夾緊塊組成。焊接夾具主體采用方鋼管、鋼板組焊而成，材料主要為Q235、Q345，焊接性能優(yōu)良，強度較為優(yōu)越；絲桿壓緊裝置采用45#鋼，加工后進行時效處理。組焊夾具的夾緊方式為絲桿，連續(xù)傳動效果好，裝配后要求夾具整體平面度≤1 mm，定位塊誤差≤0.5 mm。

圖5 機器人焊接電力輸送鐵塔焊接夾具

方形板底座上鉆不同大小和形式的孔，用于定位和緊固。通過沉頭螺孔將方形底板緊固在變位機工作臺上。直角定位板可沿方形底板上的定位孔移動，以適應不同尺寸的鐵塔塔座，利用直角定位板的兩個面和方形底板表面進行定位并夾緊。首次焊接時，先用手工方式點固焊好第一個鐵塔塔座，將其安裝在工作臺上，利用直角定位板定位并夾緊。移動滑動定位板于合適的位置并用螺釘鎖緊，調(diào)整側位定位板的角度使其分別與腹板和兩塊筋板貼合。利用楔形塊使側位定位板保持角度，并鎖緊側位定位板。分別用三個U型卡爪將工件與側位定位板固定鎖緊。完成第一個試件的焊接后，卸掉U型卡爪，將工件從非直角定位板所在的一側卸下。直角定位板、滑動定位板、側位定位板的鎖緊裝置不需要改動，焊接第二個工件時，將鐵塔塔座的底板放置在直角定位板處，然后分別將腹板和加強筋貼緊3塊側位定位板，用U型卡爪進行緊固鎖死，此時鐵塔的塔座已經(jīng)裝配好，無需進行點固焊，可直接進行焊接，減少了手工點固焊工序，大大提升了效率。通過對夾具整體結構的驗證，各絲桿、壓緊裝置靈活可靠，整體滿足設計及工藝要求。

2 鐵塔塔座的焊接工藝

焊接是一個復雜的過程，焊接電流、電壓、焊接速度、焊槍角度、干伸長、保護氣體等參數(shù)都會對焊接有很大的影響。為獲得良好的焊接質量，通過大量的焊接試驗測試發(fā)現(xiàn)，在焊接不同位置的焊縫時，由于機械臂的姿態(tài)會發(fā)生變化，使得焊槍的位姿也發(fā)生改變，最終造成雙絲位置的改變，如圖6所示。焊接時焊絲的位置可能是前后縱絲、前后絲順序調(diào)換、傾斜絲、水平絲等。在焊絲位置變化后，若仍然采用的是相同的焊接參數(shù)，雙電弧容易產(chǎn)生干擾，熔滴過渡不穩(wěn)定，產(chǎn)生的飛濺多。為此，提出升級改造雙絲焊槍，圖7所示是該焊槍的導電嘴，焊絲伸出導電嘴15～30 mm，在導電嘴的中心軸線處交會，形成單弧，如圖8所示。在焊接過程中始終將兩焊絲交會，減小焊絲距離，形成一個單弧。兩焊絲位置的固定，可減少兩焊絲電弧相互間的干擾，位置不發(fā)生相對變化。試驗表明，當焊槍姿態(tài)發(fā)生改變時，采用雙絲單弧焊，焊接電弧穩(wěn)定，飛濺少，成形良好。

圖6 雙絲焊接位置

圖7 導電嘴示意圖

圖8 單電源雙絲單弧焊接示意圖

以14 mm底座為例，采用CO2氣體作為保護氣體，采用提出的改進升級的焊槍（圖7）進行焊接，利用正交法進行試驗。通過合理安排焊接順序，焊接筋板與底板的焊縫，接著焊接腹板與底板的焊縫，變位機旋轉90°以同樣的焊接軌跡進行施焊，依次再旋轉90°，直至把4個方位的焊縫焊完，再將焊縫旋轉至角焊縫的位置進行焊接，焊完旋轉變位機，直至把4條立焊縫焊完，整個工件焊接完成。減少機器人空運行時間，并處理好拐角處的焊縫在拐角處采用圓弧插補方式，加快焊接速度，在圓弧起始點、結束點調(diào)整焊槍角度，使電弧到達焊縫根部，避免出現(xiàn)脫節(jié)或凸起缺陷。最終實現(xiàn)了鐵塔塔座高效的焊接。

焊接工藝參數(shù)見表1，當焊接參數(shù)為電流500 A，電壓28 V，干伸長為25 mm，單層單道焊接，所得到的焊縫如圖9所示。焊縫成形良好，焊角尺寸為8 mm，滿足產(chǎn)品焊接要求。與人工焊接相比，每個件的裝配與焊接時間總共減少了30 min。

圖9 焊接效果

3 結語

針對鐵塔的結構進行了焊接夾具的設計，升級改造了焊槍結構，通過減小兩根焊絲的距離形成雙絲單弧焊接，提高焊接中電弧的穩(wěn)定性。將改進的單電源雙絲焊接電源焊槍、機器人和變位機等構建了機器人焊接工作站，并應用到鐵塔塔座的焊接中。通過大量的工藝試驗確定了焊接參數(shù)，合理設計了焊接順序，最終獲得良好的焊縫質量，實現(xiàn)電力輸送鐵塔的自動化焊接，大大提高了生產(chǎn)效率，后續(xù)將進一步完善所設計的夾具，減少人工。