余小榕，鄧火生

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jìn)行大量的焊接。由于受到鐵塔塔座的結(jié)構(gòu)限制，企業(yè)中常常采用手工二氧化碳?xì)獗：负附?，這不僅需要大量的人工成本，而且質(zhì)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(zhì)、低能的中厚板焊接技術(shù)，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(fù)合焊接等方法[2-3]，這些方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用不同的場(chǎng)合。電弧焊接技術(shù)致力于提高焊接效率和焊接質(zhì)量。雙絲熔化極氣體保護(hù)焊采用兩根焊絲同時(shí)進(jìn)行焊接，熔覆速率高，焊接速度快，被廣泛應(yīng)用于船舶、建筑、壓力容器等領(lǐng)域[4]。埋弧焊技術(shù)的焊接效率也較高，廣泛應(yīng)用于中厚板焊焊接，適合于長(zhǎng)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(duì)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(yùn)用有限元分析和實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)塔座焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化。鄧菲等[6]研發(fā)鐵塔塔靴自動(dòng)焊接系統(tǒng)，對(duì)焊接系統(tǒng)的組成、工作過(guò)程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行塔靴的生產(chǎn)應(yīng)用。

電力鐵塔塔座的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，焊縫數(shù)量多且長(zhǎng)度較短，若利用自動(dòng)化小車焊接，需要頻繁對(duì)工件進(jìn)行反轉(zhuǎn)，無(wú)形中增加了工序，降低生產(chǎn)效率。針對(duì)此問(wèn)題，根據(jù)電力鐵塔塔座結(jié)構(gòu)和焊接要求，提出采用雙絲焊接電源雙工位的機(jī)器人焊接工作站的設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)焊接夾具和焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的鐵塔塔座的自動(dòng)化焊接工作站的生產(chǎn)效率。

1 電力鐵塔塔座的機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)

1.1 鐵塔塔座的結(jié)構(gòu)及焊接要求

電力鐵塔的塔座由底板、腹板、加強(qiáng)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(wèn)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(wú)法填充坡口。由于電力鐵塔塔座的腹板與加強(qiáng)筋之間需要成一定的角度，其結(jié)構(gòu)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(wú)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(dǎo)致該處的焊縫余高過(guò)高或者焊縫脫節(jié)。在實(shí)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(jī)器人工作站設(shè)計(jì)

目前應(yīng)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(xì)絲（圖2），采用一個(gè)電源或兩個(gè)電源，兩套送絲系統(tǒng)和一個(gè)雙孔的導(dǎo)電嘴，形成雙弧的共熔池焊接。焊接時(shí)兩根焊絲都有電流流過(guò)，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(dǎo)致熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定[7]。Tandem雙絲焊接工藝采用兩個(gè)電源（圖3），兩根焊絲分別通過(guò)相互絕緣的導(dǎo)電嘴進(jìn)行焊接[8]。由于焊接時(shí)需要協(xié)調(diào)兩個(gè)焊接電源，調(diào)節(jié)參數(shù)要比一個(gè)電源的雙絲焊接復(fù)雜，但雙絲焊接方法在焊接效熔覆率和焊接速度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的單絲焊接[6]，同時(shí)考慮到焊接結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)成本，以及參數(shù)的調(diào)節(jié)方便，為此對(duì)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(jī)器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運(yùn)動(dòng)速度快等特點(diǎn)，將其應(yīng)用在鐵塔塔座的焊接中可極大提高焊接效率，改善勞動(dòng)環(huán)境。焊接位置有平焊位置和立焊位置。由于立焊縫的質(zhì)量難以保證，在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用變位機(jī)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(jī)器人焊接工作站的一部分。為提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)出單機(jī)器人雙工位焊接的工作站，采用單電源雙絲焊接電源、機(jī)器人、L型變位機(jī)等設(shè)備，其中一個(gè)工位在焊接時(shí)，另一個(gè)工位在上下料（圖4）。在焊接過(guò)程中，熔化極氣體保護(hù)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(jī)器人可長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)了單機(jī)器人多工位電力輸送鐵塔塔座焊接工作站（圖4）。

圖4 單機(jī)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(shè)計(jì)

在腹板與筋板的手工焊接中，通常需要利用A形塊進(jìn)行輔助裝配和點(diǎn)焊。為提升裝夾效率，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)塔座的自動(dòng)化焊接，在L型變位機(jī)上設(shè)計(jì)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(cè)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(qiáng)度較為優(yōu)越；絲桿壓緊裝置采用45#鋼，加工后進(jìn)行時(shí)效處理。組焊夾具的夾緊方式為絲桿，連續(xù)傳動(dòng)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(jī)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(guò)沉頭螺孔將方形底板緊固在變位機(jī)工作臺(tái)上。直角定位板可沿方形底板上的定位孔移動(dòng)，以適應(yīng)不同尺寸的鐵塔塔座，利用直角定位板的兩個(gè)面和方形底板表面進(jìn)行定位并夾緊。首次焊接時(shí)，先用手工方式點(diǎn)固焊好第一個(gè)鐵塔塔座，將其安裝在工作臺(tái)上，利用直角定位板定位并夾緊。移動(dòng)滑動(dòng)定位板于合適的位置并用螺釘鎖緊，調(diào)整側(cè)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(cè)位定位板保持角度，并鎖緊側(cè)位定位板。分別用三個(gè)U型卡爪將工件與側(cè)位定位板固定鎖緊。完成第一個(gè)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(cè)卸下。直角定位板、滑動(dòng)定位板、側(cè)位定位板的鎖緊裝置不需要改動(dòng)，焊接第二個(gè)工件時(shí)，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(qiáng)筋貼緊3塊側(cè)位定位板，用U型卡爪進(jìn)行緊固鎖死，此時(shí)鐵塔的塔座已經(jīng)裝配好，無(wú)需進(jìn)行點(diǎn)固焊，可直接進(jìn)行焊接，減少了手工點(diǎn)固焊工序，大大提升了效率。通過(guò)對(duì)夾具整體結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，各絲桿、壓緊裝置靈活可靠，整體滿足設(shè)計(jì)及工藝要求。

2 鐵塔塔座的焊接工藝

焊接是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，焊接電流、電壓、焊接速度、焊槍角度、干伸長(zhǎng)、保護(hù)氣體等參數(shù)都會(huì)對(duì)焊接有很大的影響。為獲得良好的焊接質(zhì)量，通過(guò)大量的焊接試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在焊接不同位置的焊縫時(shí)，由于機(jī)械臂的姿態(tài)會(huì)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(shí)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(guò)渡不穩(wěn)定，產(chǎn)生的飛濺多。為此，提出升級(jí)改造雙絲焊槍，圖7所示是該焊槍的導(dǎo)電嘴，焊絲伸出導(dǎo)電嘴15～30 mm，在導(dǎo)電嘴的中心軸線處交會(huì)，形成單弧，如圖8所示。在焊接過(guò)程中始終將兩焊絲交會(huì)，減小焊絲距離，形成一個(gè)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(duì)變化。試驗(yàn)表明，當(dāng)焊槍姿態(tài)發(fā)生改變時(shí)，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(dǎo)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(hù)氣體，采用提出的改進(jìn)升級(jí)的焊槍（圖7）進(jìn)行焊接，利用正交法進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)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(jī)旋轉(zhuǎn)90°以同樣的焊接軌跡進(jìn)行施焊，依次再旋轉(zhuǎn)90°，直至把4個(gè)方位的焊縫焊完，再將焊縫旋轉(zhuǎn)至角焊縫的位置進(jìn)行焊接，焊完旋轉(zhuǎn)變位機(jī)，直至把4條立焊縫焊完，整個(gè)工件焊接完成。減少機(jī)器人空運(yùn)行時(shí)間，并處理好拐角處的焊縫在拐角處采用圓弧插補(bǔ)方式，加快焊接速度，在圓弧起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)調(diào)整焊槍角度，使電弧到達(dá)焊縫根部，避免出現(xiàn)脫節(jié)或凸起缺陷。最終實(shí)現(xiàn)了鐵塔塔座高效的焊接。

焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1，當(dāng)焊接參數(shù)為電流500 A，電壓28 V，干伸長(zhǎng)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(gè)件的裝配與焊接時(shí)間總共減少了30 min。

圖9 焊接效果

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鐵塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了焊接夾具的設(shè)計(jì)，升級(jí)改造了焊槍結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(jìn)的單電源雙絲焊接電源焊槍、機(jī)器人和變位機(jī)等構(gòu)建了機(jī)器人焊接工作站，并應(yīng)用到鐵塔塔座的焊接中。通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)確定了焊接參數(shù)，合理設(shè)計(jì)了焊接順序，最終獲得良好的焊縫質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電力輸送鐵塔的自動(dòng)化焊接，大大提高了生產(chǎn)效率，后續(xù)將進(jìn)一步完善所設(shè)計(jì)的夾具，減少人工。