鋁合金自動(dòng)焊接焊縫跟蹤技術(shù)研究

2013-08-06 04:34:38吳曉明唐衡郴王陸釗蔣立影

電焊機(jī) 2013年10期

吳曉明，唐衡郴，王陸釗，景鋒，蔣立影

（唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北唐山 063035）

0 前言

節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保是交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。輕量化是實(shí)現(xiàn)高速節(jié)能的首選條件，鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、比強(qiáng)度高、加工性能好等特點(diǎn)，成為用途最廣、用量最大的輕量化材料[1]。鋁合金結(jié)構(gòu)車(chē)體在動(dòng)車(chē)組、城軌、地鐵等軌道車(chē)輛上的應(yīng)用逐步推廣。中國(guó)從2002年開(kāi)始批量生產(chǎn)鋁合金地鐵和鋁合金鐵路車(chē)輛，目前已累計(jì)生產(chǎn)出數(shù)千輛鋁合金車(chē)體[2]。自動(dòng)化焊接具有高效、優(yōu)質(zhì)、操作環(huán)境好、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，成為鋁合金車(chē)體部件焊接的重要方法[3]。一輛動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體共計(jì)48條長(zhǎng)大焊縫，一輛城軌鋁合金車(chē)體共計(jì)38條長(zhǎng)大焊縫，涵蓋了地板、側(cè)墻、車(chē)頂、車(chē)體等主要的部件，采用自動(dòng)焊接方法進(jìn)行大批量生產(chǎn)充分提高生產(chǎn)效率，并且有利于保證焊縫焊接質(zhì)量均勻一致。自動(dòng)焊焊縫跟蹤技術(shù)的使用為保證焊接質(zhì)量提供了重要保障。本研究對(duì)比了軌道車(chē)輛自動(dòng)焊接中最常用的機(jī)械傳感器和激光傳感器兩種焊縫跟蹤技術(shù)的通用性、使用范圍、靈敏度及優(yōu)缺點(diǎn)，為優(yōu)化焊縫跟蹤技術(shù)配置使用、提高自動(dòng)焊質(zhì)量具有重要意義。

1 焊縫跟蹤技術(shù)

在焊接過(guò)程中由于各種因素的影響，如強(qiáng)烈的弧光輻射、高溫、煙塵、飛濺、坡口狀況、加工誤差、夾具裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等，會(huì)使焊槍偏離焊縫，從而造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗[4]。軌道車(chē)輛用鋁合金車(chē)體及大部件自動(dòng)焊接焊縫的主要焊接位置為平直位置焊接（PA）和橫焊位置焊接（PC），設(shè)計(jì)主要焊縫形式為對(duì)接和搭接角焊縫。基于鋁合金的電阻特性、焊接性特點(diǎn)及車(chē)體部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，車(chē)體鋁合金自動(dòng)焊使用最廣泛的為機(jī)械傳感器和激光傳感器兩種焊縫跟蹤技術(shù)，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)焊焊縫跟蹤技術(shù)

機(jī)械傳感器跟蹤技術(shù)和激光傳感器跟蹤技術(shù)在軌道車(chē)輛車(chē)體鋁合金自動(dòng)焊接生產(chǎn)中的基本操作流程相同：焊接前，調(diào)取預(yù)先設(shè)置的相關(guān)焊接工藝參數(shù)及跟蹤路徑，讀取焊縫坡口位置信息并確定跟蹤基準(zhǔn)點(diǎn)；開(kāi)始焊接，焊接過(guò)程中對(duì)比焊槍的實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡與跟蹤路徑的位置偏差，通過(guò)傳感器反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析并實(shí)時(shí)調(diào)整，引導(dǎo)焊槍在預(yù)定的理想軌跡上平穩(wěn)焊接，有效提高焊縫跟蹤的精確度，提高焊縫焊接質(zhì)量均勻一致性，從而有效保證了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，充分體現(xiàn)了自動(dòng)焊高效、優(yōu)質(zhì)的焊接特點(diǎn)。

軌道車(chē)輛車(chē)體鋁合金自動(dòng)焊接生產(chǎn)過(guò)程中焊縫跟蹤流程框圖如圖2所示。圖2a是采用激光跟蹤技術(shù)的基本流程，激光跟蹤為激光視覺(jué)跟蹤，其原理是傳感器投射一條激光條紋到焊縫表面，傳感器內(nèi)部的攝像頭采集激光條紋的圖像，處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理和模式識(shí)別，計(jì)算出焊槍與焊縫相對(duì)的偏差，當(dāng)焊槍位置與焊縫坡口超過(guò)預(yù)定偏差范圍時(shí)，數(shù)字化處理系統(tǒng)進(jìn)行快速運(yùn)輸算并執(zhí)行比例控制，實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍方向和焊接位置，控制在焊縫坡口尺寸范圍內(nèi)；當(dāng)焊槍尺寸偏差在允許范圍內(nèi)時(shí)，直接通過(guò)智能模糊控制技術(shù)調(diào)整焊接位置，使焊槍回歸到焊縫有效范圍內(nèi)。圖2b是機(jī)械跟蹤流程，當(dāng)檢測(cè)到焊槍對(duì)焊縫位置存在偏差時(shí)，通過(guò)模擬化處理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算并執(zhí)行補(bǔ)償控制，及時(shí)有效調(diào)整焊槍位置。

圖2 焊縫跟蹤流程框圖

針對(duì)鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)型材尺寸大、雙面焊接、薄壁易變形等特點(diǎn)，結(jié)合部件結(jié)構(gòu)、焊縫形式與自動(dòng)焊接焊縫跟蹤技術(shù)特征，選用合理跟蹤技術(shù)的焊接機(jī)器人，可有效提高焊接質(zhì)量。

2 焊接跟蹤技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體及部件自動(dòng)焊接生產(chǎn)中焊接機(jī)器人的使用情況，結(jié)合焊接機(jī)器人與焊縫跟蹤系統(tǒng)的集成特點(diǎn)及系統(tǒng)關(guān)鍵零件的性能，從通用性、適用范圍、使用持久性及優(yōu)缺點(diǎn)等方面分析焊縫跟蹤技術(shù)的特點(diǎn)。

2.1 通用性

本研究的軌道車(chē)輛車(chē)體鋁合金自動(dòng)焊接焊縫的激光跟蹤系統(tǒng)主要由非接觸式激光傳感器、激光掃描裝置、焊槍三維調(diào)節(jié)裝置、控制系統(tǒng)等部分組成，采用掃描式激光傳感焊縫跟蹤法，將激光傳感器安裝在焊槍前部觀察焊縫，由激光掃描裝置帶動(dòng)激光傳感器在焊縫上方掃描，檢測(cè)焊槍和焊縫的縱向和橫向距離，即焊槍相對(duì)焊縫的位置偏差，如圖3a所示。控制系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)算并發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各方向的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤并快速調(diào)節(jié)焊槍?zhuān)ＷC焊縫的尺寸精度，提高焊接質(zhì)量。激光跟蹤系統(tǒng)適應(yīng)能力比較強(qiáng)，幾乎可應(yīng)用于軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體所有長(zhǎng)大焊縫的焊接跟蹤。

車(chē)體鋁合金自動(dòng)焊接焊縫的機(jī)械跟蹤系統(tǒng)主要由機(jī)械接觸導(dǎo)桿、傳感器、焊槍調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。采用機(jī)械接觸傳感焊縫跟蹤法，將傳感器連同機(jī)械接觸導(dǎo)桿安裝在焊槍的前方，由機(jī)械接觸導(dǎo)桿與焊縫坡口或工件的一個(gè)側(cè)壁接觸，通過(guò)接觸導(dǎo)桿把焊縫位置的變化通過(guò)光電、滑動(dòng)變阻器、力覺(jué)等方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，如圖3b所示。控制系統(tǒng)通過(guò)模擬運(yùn)算并發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤和快速調(diào)節(jié)焊槍?zhuān)ＷC焊縫尺寸均勻。

2.2 使用持久性

鋁合金車(chē)體焊接用激光跟蹤系統(tǒng)是采用激光掃描裝置在焊接機(jī)器人焊槍的前方通過(guò)激光探頭，實(shí)時(shí)提前采集待焊接焊縫的坡口狀況及尺寸變化的數(shù)據(jù)，然后反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和自動(dòng)偏差調(diào)整。由于鋁合金自動(dòng)焊接是焊絲不斷熔化并填充焊縫的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生粉末狀煙塵、焊接飛濺等固體雜物，長(zhǎng)時(shí)間焊接產(chǎn)生的煙塵會(huì)粘附激光掃描探頭上的濾光片上，增加激光的反射路徑，進(jìn)而可能導(dǎo)致激光掃描精度下降，影響焊縫跟蹤效果。因此，為了保證焊接質(zhì)量，生產(chǎn)過(guò)程中需要定期清理濾光片上的煙塵，必要時(shí)及時(shí)更換。

圖3 焊縫跟蹤設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖4 機(jī)械跟蹤零部件

鋁合金車(chē)體焊接用機(jī)械跟蹤系統(tǒng)是通過(guò)機(jī)械接觸導(dǎo)桿與焊縫坡口或工件側(cè)壁接觸，接觸桿本身為消耗性材料，可以使用一段時(shí)間，如圖4a所示。由于焊縫坡口的平整性不均勻，存在局部小高度差或微小缺口，機(jī)械接觸導(dǎo)桿尖部的導(dǎo)程小球與坡口或工件摩擦導(dǎo)致小球磨損，會(huì)影響焊縫跟蹤精度，需要定期更換機(jī)械接觸導(dǎo)桿；在與接觸導(dǎo)桿上部連接的裝置內(nèi)設(shè)有傳感器元件的壓電晶片，使用一段時(shí)間后易出現(xiàn)靈敏度下降問(wèn)題，需要定期檢測(cè)并更換，如圖4b所示。焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺、煙塵等，容易在接觸導(dǎo)桿尖端產(chǎn)生附著物需要及時(shí)清理，以免影響跟蹤精度。由于機(jī)械接觸導(dǎo)桿本身的形狀及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致焊縫適應(yīng)性較弱，對(duì)于不同焊縫的坡口形式，還將需要更換不同形狀的接觸導(dǎo)桿以提高跟蹤效果。

2.3 焊縫適應(yīng)性

激光視覺(jué)跟蹤可以涵蓋所有的焊縫類(lèi)型，包括對(duì)接、搭接、角接等，對(duì)于坡口間隙和焊前裝配錯(cuò)邊多變的長(zhǎng)大焊縫，可通過(guò)修正預(yù)定偏差數(shù)值范圍，提高了偏差兼容性，對(duì)于不同的焊縫坡口形式，只需編制不同的激光模板，即可與焊縫精確匹配實(shí)現(xiàn)焊縫實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤。激光跟蹤器安裝在焊槍前部，光學(xué)部件、傳感器等高度集成，與焊槍的焊接機(jī)器人結(jié)合在一起，占用空間非常小，不需要占用額外的通行空間。

機(jī)械傳感跟蹤系統(tǒng)對(duì)坡口變化的適應(yīng)性較弱，適用于坡口間隙和錯(cuò)邊誤差較小的長(zhǎng)直焊縫。對(duì)于不同的焊縫坡口形式，需要更換不同形狀的接觸導(dǎo)桿以增強(qiáng)跟蹤效果，但沒(méi)有坡口的對(duì)接焊縫，機(jī)械式焊縫跟蹤系統(tǒng)則無(wú)能為力。機(jī)械跟蹤器通常安裝在焊槍前側(cè)面，接觸導(dǎo)桿和傳感器與焊槍有一定的空間偏角，焊接過(guò)程中需要一定的通行空間。

2.4 靈敏度

鋁合金車(chē)體焊接用焊縫激光跟蹤系統(tǒng)的靈敏度高，只要根據(jù)不同的焊縫形式設(shè)置好相應(yīng)的激光跟蹤模板，焊接時(shí)根據(jù)坡口的不斷變化可以自動(dòng)尋找特征點(diǎn)，跟蹤效果良好，可用于焊縫形式變化及坡口錯(cuò)邊或尺寸多變的自動(dòng)焊縫跟蹤。機(jī)械系統(tǒng)跟蹤靈敏度一般，通常搭載在焊接專(zhuān)機(jī)上進(jìn)行長(zhǎng)直焊縫的焊接跟蹤。

2.5 使用性能

激光跟蹤特點(diǎn)為精度高，使用靈活方便，可以用于各種復(fù)雜焊縫形式的全位置焊接，但激光跟蹤受電腦軟件等控制系統(tǒng)影響非常大，使用要求較高，抗干擾能力弱，一旦生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)激光跑偏等焊接質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行排查和指導(dǎo)。機(jī)械跟蹤特點(diǎn)為不受電弧干擾，工作可靠，成本低，曾在生產(chǎn)中得到過(guò)廣泛應(yīng)用，但由于跟蹤精度不高、安裝剛性弱、易產(chǎn)生抖動(dòng)、偏離焊道等問(wèn)題，目前主要使用于大型材長(zhǎng)直焊縫的焊接。