鋼管柱環形焊縫焊接機器人的設計與應用

張文龍，左文建

（1.中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024；2.中鐵三局集團投資有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

研究發現，在高層建筑施工中鋼管混凝土柱對接焊是影響其施工質量的重要因素，人工焊接難以完全杜絕質量缺陷。國外對于環形焊縫技術進行了大量的研究，也將最新的焊接技術和設備投入到焊接施工當中，我國對于焊接機器人的研究起步較晚，但是需求量較大，環形焊縫焊接機器人對于我國的管道工程有著重要的戰略意義。目前我國的焊接機器人分為固定型和移動型，存在的問題有體型較大、自動化水平低、運動穩定性差等，這些問題對于焊接質量有著嚴重的影響。本文設計了體型較小、質量較輕和運動穩定的機器人，為自動化焊接奠定了基礎。

1 全自動焊接工藝

環形焊縫自動焊接的方法是基于對傳統手工和半自動焊焊接工藝的改良，傳統工藝效率低而且質量得不到保證。環形焊縫自動焊接主要適用于直徑大于800mm 的鋼管柱焊接，根據厚度的變化可以選擇不同直徑的焊條和焊接電流，本文采用的管道厚度為10～12mm，焊接電流在160～210A，采用上向焊工藝實現大型管道的打底層、填充層和蓋面層的自動焊接，坡口采用V型坡口。

1.1 打底層的自動焊接

打底層焊接之前需要對管道進行空間分段，參照鐘表的空間分段分為四段，分別為0 點～3 點區段、3 點～6 點區段、6點～9 點區段和9 點～12 點區段。在人工焊接時傳統的工藝是分為兩個區間，3點～9 點區間需要控制焊槍走折線，使得電弧融化的鐵水向上運動，因此自動焊接也應當模仿人工焊接設計出折線軌跡；9 點～3 點的區間因為鐵水容易下墜，為了減少焊槍電弧穿透管道，焊接的折線需要轉變為弧形，每段弧線的完成時間控制在0.2～0.6s，研究發現焊槍運行軌跡近似半月形。焊縫之間如果距離較小可以增加電流以及拐點處的停留時間，保證電弧能夠融化鈍邊。

1.2 填充層的自動焊接

填充層的焊接情況比較復雜，因此需要詳細的區段劃分，主要是將11 點～1點的區域劃分出來，再細分三段。與打底層的焊接相比，焊縫的寬度有所增加，因此手工焊接的時候軌跡有所變化，坡口和前一道焊縫的夾角的焊接位置容易發生未熔合的現象，因此需要留有足夠的時間熔化母材，焊道兩側0.5～3.0mm的范圍需要焊槍短暫停留，能夠將鐵水外引以及增加焊層的寬度和厚度，減少焊接的層數，提高效率。與打底層相同，3 點～6 點和6 點～9 點的區段需要考慮鐵水的下墜，因此需要減小電流；9 點～11點以及1 點～3 點的區域，熔池比較容易控制，所以可以適當加大電流和加快焊道前進速度。11 點～1 點之間是平焊區域，鐵水有前進的趨勢，阻擋電弧對前層焊道的穿透，容易造成未熔合，因此焊層以3mm 為限，大于3mm 改為多層焊接，小于3mm 則將焊接軌跡變為三角形，保證根部的熔合。

1.3 蓋面層的自動焊接

蓋面層的焊接運動軌跡和填充層基本一樣，因為蓋面層厚度較小，所以比前一道焊縫增加較小的焊接寬度，但是單層焊道過寬會降低焊接的速度，增加電弧對焊縫的熱輸入，所以可以用多道焊縫合并成一道焊縫。在焊接的時候也可以與填充層進行同步設計，通過微調整的方法實現焊道的轉移和銜接。

2 環形焊縫焊接機器人的設計

因為焊接機器人主要是針對鋼管混凝土柱，所以通過上述研究，機器人應當能夠滿足對打底層、填充層和蓋面層的焊接。依據實際的焊接方法，環形焊縫機器人應當體積小、重量輕、效率高、簡單操作和便于維修，能夠根據焊接的高度進行細微調節，因為鋼管柱一般在工程中是固定的，因此機器人還需要實現在鋼管柱上的繞周焊接。

對焊接機器人的機械系統進行設計，保證焊接繞管的速度為300～3000mm/min，焊槍的軸向調節速度為30～500mm/min、送絲速度為8000～12000mm/min，焊接機器人模塊對送絲和其他輔助設施進行直接選用，首先是行走系統，在管道外側設置軌道保證機器人在軌道上行走的效率和穩定性；焊槍軸向運行可以采用帶傳動、齒輪傳動等，需要把旋轉轉變為直線運動，要求占用空間小、傳動精度高，因此采用螺旋傳動；焊槍的徑向運動出于成本考慮，采用手動調整，在機器人高度的方向能夠進行調整，降低設計的復雜度。

焊接機器人的電控系統設計需要保證機器人對焊縫進行掃描后就能夠開始焊接工作，按照設計的參數啟動機器人的行走系統、軸向系統以及送絲系統等，按照程序進行工作。本次機器人采用STM32F103單片機進行控制，能夠保證機器人的體積、成本，并降低設計的難度。

3 環形焊縫焊接機器人關鍵技術的研究

焊接機器人的機械和電控系統是比較容易實現的，但是如何能夠實現環形焊縫焊接機器人對環境的識別和智能化是當前需要重點考慮和研究的。機器人進行焊接主要通過視覺傳感器、電弧傳感和聲學傳感等手段讓機器人感知焊接的變化，并實現焊接質量的控制，因此需要引導焊接的初始位置、跟蹤焊縫、監測熔池以及對缺陷進行識別等。電弧傳感器能夠利用電弧能量的變化感知熔池狀態和焊接質量，也能預測焊接的熔透和分析缺陷。視覺傳感器能夠使用輔助光源利用結構光等進行焊縫定位和跟蹤。

3.1 焊縫初始位置引導

焊縫引導是利用傳感器空間坐標定位初始焊接點，為機器人解決加工、裝配誤差等可能導致起弧點較高的問題，目前采用的視覺引導技術也解決了焊接復雜的問題，實現了一定程度的自主焊接。機器人利用視覺傳感器和空間坐標來實現試件的起始點定位，然后移動到起始點開始焊件的焊接工作。

3.2 焊縫跟蹤技術

在焊接過程中可以利用焊縫跟蹤技術來實現機器人位置的調整，有效保證焊接的質量，通過采用被動視覺傳感器提取焊縫的邊緣和熔池圖像，然后對焊接軌跡進行糾正，在保證傳感器高精度的同時，能夠有效避免飛濺、煙塵等干擾。目前的焊縫跟蹤技術可以實現焊接的精準對接，保證焊接時的電流滿足要求，不會出現未焊透及燒傷等問題。

3.3 熔池監控技術

熔池既能夠反映焊接過程，也能夠反映焊接工藝參數是否符合實際情況，與焊縫成型的質量以及熔池的寬和深都直接關聯，通過監控熔池的變化也可以實時調整焊接工藝保證焊接的質量。視覺傳感器也能夠用來監測焊接的缺陷，提高焊縫的質量可靠性。機器人可以采用傳感器對熔池的溫度以及熱影響區的范圍進行主動判定，然后對存在缺陷的部位進行實時調整與修復，保證焊接的外觀以及質量。

4 環形焊縫焊接機器人的應用實況

依據上述的機械系統和電控系統的設計以及焊接工藝中關鍵技術的研究，對環形焊縫焊接機器人的樣機進行了生產，樣機的主體結構采用鋁合金，焊槍的軸向運動范圍為0～220mm，滿足設計中要求焊槍軸向運動距離不少于150mm 的條件，焊槍的徑向運動調節范圍在0～120mm，也能夠滿足設計要求不小于150mm 的要求。焊接之前為了滿足條件，采用Q235 的鋼材，制作160×100 的試件，送絲的速度設定為6000mm/min，焊絲的直徑為1.2mm，工件厚度為12.0mm，焊接方式采用上向焊的方式。由于V 型坡口適用于機器人自動焊接，也能夠保證焊接的質量，因此本次采用V 型坡口并用角磨機打磨光滑。

在實驗中防止冷卻設施、換氣和保護氣配比以及送絲的設備，將控制系統和電機的驅動器安裝在控制柜里面，把環形焊縫焊接機器人安裝在軌道上，手動控制機器人的行走，相關的運行裝置能夠保證機器人穩定、順滑地移動；然后對機器人控制焊槍的軸向和徑向運動進行觀察，保證范圍和穩定性，看傳動機構是否能夠滿足焊接要求。最后將機器人的位置調整到焊接起始位置，查看機器人是否能夠自動辨認起點并開始焊接。機器人能夠識別起始點并開始工作，按照打底層的順序啟動，開啟保護氣體，然后查看是否能夠捕捉熔池的邊緣以及熔池的狀態，對相關的參數和位置進行自動調整。本文中的焊接機器人均能夠滿足相關的設定和要求進行焊接，填充層和蓋面層也通過了相關的檢測，能夠達到設計的要求。經過反復試驗，試件的打底層、填充層和蓋面層的焊接均已經達到了相關設計的要求，焊接效果能夠滿足相關規范要求，見圖1。

焊接的外觀比較平整，也沒有氣孔和裂縫，但是還需要采用無損探傷的方法對焊縫的內部缺陷進行檢測，保證焊接質量。本文通過超聲波以及X 射線拍照的方法結合起來進行缺陷檢測，焊縫波形未發現不符合要求的缺陷，而且從圖片上可以看出焊縫的內部不存在氣泡、未熔合、未焊透和裂紋的情況，說明環形焊縫焊接機器人能夠高效、保質保量地完成焊接工作，保證焊接質量達到相關標準。

5 結束語

本文對環形焊縫焊接機器人進行了設計，并對關鍵技術進行了探究與探討。由于打底層、填充層和蓋面層的不同特點，設計了焊槍的移動曲線，并對機械系統和電氣系統進行了設計，采用傳感器實現機器人的智能化。通過對樣機進行試驗與檢測，發現焊接機器人能夠實現設計的初衷，保證焊縫的質量，也實現了焊接的高效化，有一定的現實意義。由于我國的機器人產量低，核心技術仍存在缺陷，因此在后期還需要提升傳感技術的應用，開發機器人的核心部件并積極應用人工技術。隨著機器人的普及，還需要開設焊接智能工廠來實現焊接的流水作業，保證焊接質量。