軌道式焊接機器人工作站在壓力容器焊接中的設計

韓東1韓冰2鄭衛(wèi)剛3

(1．武漢理工大學能動學院，湖北 430063； 2. 山西省長治市惠城熱力有限公司, 山西 046000；

3. 武漢理工大學工程訓練中心 湖北430063)

摘要：針對壓力容器的環(huán)焊縫焊接工藝特點及問題，設計了一種基于軌道式全位置智能焊接機器人的焊接工作站，將焊接機器人與壓力容器焊件通過軌道實現(xiàn)位置關聯(lián)，脫離了傳統(tǒng)的焊槍與焊件分離的方式，減少了焊接過程中焊槍與焊點的相對位置因機械振動、制造工藝缺陷等問題而產(chǎn)生的位置變化量，提高了焊接位置的準確性。

關鍵詞：壓力容器；軌道式焊接機器人；焊接

中圖分類號：U671.81文獻標志碼：A

收稿日期：2015—06—09

作者簡介：韓東(1992—)，男，研究方向為熱加工。

Design of Rail-bound Welding Manipulator Working Station

on Pressure Vessel Welding

Han Dong, Han Bing, Zheng Weigang

Abstract：Regarding to process features and issues of circular welding of pressure vessel, a new type welding station based on smart welding manipulator with rail-bound and all position has been designed. Position connection of welding manipulator and pressure vessel welding piece has been implemented by the rail so that conventional separation of welding gun and welding pieces could be broken away, which could reduce relative position variation amount of welding gun and welding points in welding because of mechanical vibration, manufacturing process defects and other issues and finally welding position accuracy has been increased.

Key words：pressure vessel; rail-bound welding manipulator; welding

目前，國內(nèi)壓力容器環(huán)焊縫的焊接主要采用傳統(tǒng)的CO2半自動焊、手工埋弧焊，這兩種焊接方法均存在勞動強度大、焊接質(zhì)量不好、焊接效率不高等問題[1～2]。本文提出了軌道式全位置智能焊接機器人對壓力容器環(huán)焊縫的焊接方法。將GDC-3型軌道式焊接機器人的運動軌道安裝在焊件上，將軌道與壓力容器環(huán)焊縫的距離控制在焊接機器人的工作范圍內(nèi)，從而對其進行焊接。

1壓力容器的結(jié)構(gòu)

試驗時，對某壓力容器橫向環(huán)焊縫進行焊接，整個容器通過2條橫向環(huán)焊縫將上、下封頭與筒體連為整體，罐體外徑為1 000 mm，長度為2 500 mm，鋼板厚度為20 mm。壓力容器主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊接坡口如圖2所示。

韓冰(1983—)，女，工程師，研究方向為壓力容器設計制造。

鄭衛(wèi)剛(1967—)，男，技師，主要研究方向為機電技術。

圖1　壓力容器示意圖

壓力容器罐體鋼板采用Q345R鋼，材料化學成分如表1所示。

2GDC-3 型軌道式焊接機器人及工作站設計

2.1GDC-3型軌道式焊接機器人參數(shù)及控制原理

圖2　焊接坡口

CSiMnPSAl≤0.2≤0.551.20～1.60≤0.025≤0.015≥0.02

表2　GDC-3 軌道式焊接機器人相關參數(shù)

圖3　焊位識別系統(tǒng)

GDC-3型軌道焊接機器人相關參數(shù)如表2所示。

GDC-3 型軌道式焊接機器人主要用于管道和罐體結(jié)構(gòu)件焊接，其導軌可為直導軌，也可以是圓導軌，配置了位置傳感器，能自動識別焊機機頭所在的焊縫位置，可沿軌道焊縫方向任意設定不同的焊接工藝區(qū)域參數(shù)，具有自帶送絲機構(gòu)及焊槍等特點，實現(xiàn)了焊槍與焊接電源的聯(lián)動控制。優(yōu)點有以下三個方面：(1)基于視覺傳感的初始焊位與導引；(2)基于視覺傳感的焊縫跟蹤技術；(3)基于視覺傳感的焊縫熔透實時控制。以上特性是通過GDC-3型焊接機器人的焊位識別系統(tǒng)及焊接控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，如圖3、圖4所示。

圖4　焊接控制系統(tǒng)

2.2焊接機器人工作站設計

1—單軸變位機　2—連接法蘭　3—焊縫　4—壓力容器

通過AutoCAD三維繪圖軟件對焊機工作站[3～5]進行建模，如圖5所示。其中，橡膠滾輪可以對壓力容器起到支撐作用，保證罐體不會由于重力作用造成點焊處斷開，提高了工作的可靠性。同時，橡膠滾輪也可以吸收回轉(zhuǎn)運動過程中的能量，減小因機械振動而產(chǎn)生的焊接位置誤差，提高了焊接精度。

3焊接過程中工藝順序及試驗參數(shù)

3.1改進后的工藝順序如下：

(1)采用V形焊接坡口。為保證焊接質(zhì)量，對上、下封頭和筒體同時刨削單V型坡口，坡口形狀如圖2。無損檢測合格后，方可進行平焊試驗焊接。

(2)人工點焊。對封頭與筒體連接的兩處環(huán)焊縫(如圖5中3 處)進行人工點焊，便于安裝固定。此外，在罐體兩側(cè)封頭處點焊連接法蘭(如圖5中2 處)與單軸變位器上的法蘭，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。要求連接法蘭的軸線與筒體的軸線共線，確保同軸性。

(3)安裝固定焊件。通過吊裝將點焊好的罐體放在工作站的單軸變位機上，通過橡膠滾輪架上的液壓升降裝置(如圖5中9 處)調(diào)節(jié)焊件高度，實現(xiàn)焊件與單軸變位器上的法蘭精確對接，用螺栓鎖死。

(4)清理焊接部位。對影響坡口面和焊接部位焊接質(zhì)量的雜質(zhì)需清理干凈。

(5)調(diào)節(jié)焊接位置。由于視覺傳感確定了初始焊位，引導技術提高了焊槍的定位精度，同時通過焊接機器人工作站內(nèi)的液晶顯示屏，可以控制焊接機器人焊槍的擺動速度、擺動幅度等參數(shù)，實現(xiàn)焊槍對焊接位置的精確定位。將焊接位置與機器人回轉(zhuǎn)方向關聯(lián)，保證了焊接位置始終處于壓力容器幾何位置的正上方，提高了焊接質(zhì)量。

(6)上述操作正確完成后，開始進行焊接。

3.2Q345R鋼材試驗焊接工藝

為了保證焊接接頭的質(zhì)量，提高其力學性能，采用多層道短電弧方式進行焊接，焊絲選用H10MnSi，焊劑為HJ350，焊絲伸長度為12 cm。焊槍擺動幅度不宜過大，正負擺動不超過14 mm，選用直線行走方式，具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表3　焊接工藝參數(shù)

4焊接接頭試驗探究

(1)焊接完成后，經(jīng)過環(huán)焊縫外觀宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)焊接接頭形狀良好，焊接均勻，未出現(xiàn)氣孔、咬邊等現(xiàn)象。從圖6可以看出，采用新方案進行焊接的接頭性能要比普通埋弧焊的焊接效果好，接頭處由于鐵液熔池流動產(chǎn)生的氣泡較少，且焊接連續(xù)性較高，焊接質(zhì)量明顯提高。

(2)使用Q345R金屬母材制作焊接試樣，根據(jù)GB 713—2008《鍋爐和壓力容器鋼板選用標準》作為評定標準，對焊接樣品進行力學性能實驗。Q345R材料力學性能要求和焊接接頭力學性能試驗結(jié)果見表4。

(a)新焊接方式 (b)傳統(tǒng)焊接方式

從表4可以看出，工作站完成的壓力容器焊接，其焊縫處拉伸試驗結(jié)果符合標準規(guī)定，距焊縫

表4　Q345R力學性能參數(shù)

熔合線不同位置均未出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象。焊接接頭質(zhì)量合格。

5結(jié)論

本文基于GDC-3型軌道式全位置焊接機器人對壓力容器焊接進行了工作站設計，并且進行了焊接試驗。試驗表明，焊接接頭的力學性能符合壓力容器焊接規(guī)范，所選焊接工藝參數(shù)合理，降低了焊接過程中出現(xiàn)氣孔的幾率，為類似結(jié)構(gòu)容器的焊接提供了借鑒。

參考文獻

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編輯陳秀娟

工藝