熱電廠鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統

張 軍，彭海云

（1.江蘇海事職業技術學院信息工程系，江蘇南京211170；2.江蘇第二師范學院信息化辦公室，江蘇南京210013）

熱電廠鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統

張 軍1，彭海云2

（1.江蘇海事職業技術學院信息工程系，江蘇南京211170；2.江蘇第二師范學院信息化辦公室，江蘇南京210013）

開發了專用的自動化控制系統和四自由度焊接機器人，并對包膜焊接軌跡進行規劃。通過對ER309L不銹鋼材料進行脈沖熔化極氣體保護焊（GMAW）獲得了包膜，驗證了自動化焊接機器人系統的可行性。結果表明，提出的焊接方法既可以提高生產效率，還有助于提高鍋爐管壁的質量。通過提高焊槍振幅、固定導電嘴到工件的距離，減少了滲透和焊縫數量。由于電弧穩定，飛濺較少，管壁表面較平整。

自動化焊接；鍋爐管壁；焊接軌跡；脈沖GMAW

0 前言

鍋爐是熱電廠的重要組成部分。鍋爐運行過程中，鍋爐管壁會受到腐蝕和磨損。因此，必須對管壁進行定期測量，以防止管壁減薄造成管路崩潰。然而頻繁的檢測會導致車間停工，影響電力的正常供應。熱電廠一般采用熔化極氣體保護焊（GMAW）獲得合金包膜，以提高管壁性能[1]。管壁包膜焊接一般在鍋爐或車間完成。對于腐蝕較輕的管路，直接在鍋爐管壁上進行焊接修復；對于腐蝕嚴重的管路，需要在車間內制作涂層，然后將其焊接在管壁上，以提高管路的防腐蝕性能。相比手工焊接，自動化焊接的質量更高。然而由于目前的自動化焊接系統僅有一根軸線，焊槍易產生震蕩運動，導致焊接過程極不穩定，進而引起導電嘴到工件距離（CTWD）的改變。由于焊接功率是CTWD的函數，因此金屬動力學參數發生改變，會使焊接過程中產生飛濺、過度滲透等問題[2]。為了提高管壁包膜自動化焊接的質量和效率，本研究開發了專用的自動化控制系統和四自由度焊接機器人，并對包膜焊接軌跡進行規劃。通過對ER309L不銹鋼材料進行脈沖熔化極氣體保護焊（GMAW）獲得了包膜，驗證了自動化焊接機器人系統的可行性。

1 焊接熔覆策略

鍋爐壁的幾何形狀可以通過一組特征參數a、b、c、d進行表征，如圖1所示。管壁與覆蓋膜的連接通常采用雙面焊形式，且無需完全焊透。本研究采用脈沖GMAW對管壁進行包膜焊接，焊珠重疊沉積方向垂直向下，如圖2所示的x方向，因為在該方向上焊接速度較高，有助于獲得更高的焊接電流與沉積率，以及更少的滲透，同時還能夠保持焊槍垂直于鍋爐壁。此外，這種方法可以在保證CTWD不變的前提下，提高焊槍擺動幅度，以減少低滲透、低強度的焊珠。

圖1 鍋爐管壁俯視圖

圖2 鍋爐壁上的焊炬方向

2 自動化焊接機器人系統

通過專用的自動化焊接機器人系統，可以提高鍋爐管壁包膜焊接效率和焊接質量。從熔敷策略角度考慮，焊接系統應保證焊槍具有足夠大的振幅，且焊接路徑便于修正，此外機器人焊接系統必須易于運輸、安裝和調試[3]。綜合焊接機器人機械手的結構及力學特性，建立了鍋爐管壁包膜自動化焊接機器人系統，如圖3所示，該系統結構緊湊，焊接機器人重量僅16 kg。

圖3 自動化焊接機器人系統及其組件

焊接系統定義了一個沿x軸的牽引運動，即沿鍋爐管壁軌道的移動，其中，軌道安裝在磁基上，可以適應不同尺寸的管道和包膜，如圖3所示。棱狀橡膠磁道固定在軌道上，牽引機輪組沿其運動。系統具有四個自由度，用以支持焊槍的運動。機器人的安裝非常簡單，首先在相鄰兩管之間安裝磁基，并將軌道固定在磁基上。由于管道和覆蓋層規格不同，磁基可以根據需要更換。第二步是將機器人嵌入在軌道一端。

本研究設計的自動焊接機器人的主要優勢是在焊槍寬振幅方面具有更高的便攜性和靈活性。焊槍可以沿一個、兩個或多個軸進行擺動，因此焊槍可以沿焊縫的橫向縱向運動，或同時沿橫向和縱向運動。機器人的每個軸向運動都對覆蓋層焊接具有重要意義。x軸運動是沿管壁縱向移動，速度范圍可達0～5.0 m/min，大大擴展了機器人的工作空間；y軸和z軸運動負責焊槍的橫向運動，以調整焊炬高度和CTWD，兩軸最大速度均為6.0 m/min，最大位移分別為120mm和40mm；角軸的作用是保持熔敷焊接具有一定的角振幅，使焊槍垂直于鍋爐壁，角軸行程為180°，角速度為300°/s。

焊接機器人動力系統為直流伺服電機和帶有數字步進/方向面板的伺服驅動器，采用類似于在CNC使用的焊槍運動控制方法[4]，在復雜運動軌跡規劃時最大限度地減少編程難度。

在此選用了Mach3控制器，該控制器具有靈活的圖形界面，允許創建專用于每個焊接任務的環境。此外，該控制器還配置了觸摸屏和示教器，比電腦鍵盤更加直觀。為了簡化機器人焊接軌跡的編程，開發了一個圖形界面充當人機界面。為了便于對軌跡進行手工調整，特意開發了一個界面，通過該界面可以獲得焊槍的位置、方向信息，還可以對焊接速度進行調整。

控制單元中的控制電子裝置包括：電源、伺服驅動器、邏輯保護電路和電腦主板。主板通過并行端口向機器人的伺服驅動器和所述電源發送數字指令執行Mach3的控制程序。機器人系統出現異常情況后，邏輯電路的保護功能可以阻止對其操作，如在Mach3控制器不存、焊接電源或伺服驅動器發生故障時，以及要由操作者激活緊急停止按鈕時。

3 管壁包覆方法

焊接機器人安裝完成后，就需要設置參考軸和焊槍的初始位置和方向。焊槍的坐標系原點（0t-XtYtZt）固定不變，該點與機器人角度軸中心的距離等于名義CTWD與凸緣至接觸尖端的距離（FCTD）之和，如圖4所示。焊槍的初始方向垂直于管壁中心面（平面π）。

確定管壁包膜焊接工序的初始位置之前，首先要對管件的中心（點P0）進行定義。因此，操作人員通過HMI定義焊槍的坐標系統（0t-XtYtZt），以獲得點P1、P2和P3的初始位置。點P1和P2位于膜層與管壁連接焊珠的上邊緣，點P3位于管壁表面（見圖4），特殊點的標記有助于生成管壁包膜焊接軌跡。

考慮到管壁厚度不均勻，為了使包膜焊接軌跡與管件幾何形狀保持一致，按照式（1）重新定義半徑r和中心點P（0x0，y0，z0）

采用求解非線性方程組的最小二乘法，進行逐次迭代求解中心點坐標值y0和z0。初始條件為三個點的坐標：P（1x0，y1，z1）、P（2x0，y2，z）2、P（3x0，y3，z）3，按照式（2）估算求值

圖4 焊槍的初始位置和方向

按照式（2）給出的初始條件，點P1、P2和P3的雅可比矩陣J和殘余向量K如下所示。如果給出的點超過三個，每增加一點，雅可比矩陣和殘余向量增加一行。

其中，雅可比矩陣中對應偏導數的表達式為

增量、和以及一次迭代方程分別為

按照上述方程進行多次迭代，直至誤差小于允許誤差值。

鍋爐壁的表面由膜層、管膜結合區和裸管組成，每個區域幾何形狀都不相同，因此包覆焊接的軌跡也不相同[5]。據此，確定管壁包覆的焊接順序依次為膜層、管膜結合層、裸管。

3.1 膜層焊接方法

由于膜層平行于機器人系統的xy平面，膜層包覆焊接過程中，焊槍僅需沿y軸運動。首先，設置初始位置x0、振幅、頻率以及焊接距離L；然后進行膜層包覆焊接，即焊槍由點P（4x0，y0，z0-c/2）自動移至點P（5x0，y0+c/2，z0-b/2），如圖5所示；在點P5處，啟動焊接電源，由于焊槍振動，第一個焊珠落至點P5（'x0+L，y0+c/2，z0-b/2）；隨后，機器人控制焊槍返回至點P5，并經點P4移至目標點P6；在點P6處，再次啟動焊接電源，第二個焊珠落至點P6（'x0+L，y0-c/2，z0-b/2）；最后，機械手控制焊槍返回至火炬點P6，并繼續向點P4移動。

圖5 膜層焊接方法

3.2 管膜結合區焊接方法

管膜結合區的焊接是為裸管包覆焊接做準備，如圖6所示。除焊槍振幅外，圖6中兩條焊縫的焊接參數與膜層焊接相同。管膜結合區焊接過程中，焊槍振幅較小，這是為了避免焊珠過度重疊。為了補償振幅的降低，適當提高了焊接速度。焊槍的振動由機器人的y和z軸控制。為了避免相鄰管件焊槍發生碰撞，兩條焊縫分別沿A軸相對平面π旋轉60°和120°。

圖6 管膜結合區焊接方法

3.3 裸管焊接方法

設鍋爐管被膜層包覆的角度為β，如圖7a所示。為此，操作員需通過機器人HMI重新定義焊槍的坐標原點（0t-XtYtZt）。在新坐標系統下，根據點P7和P8的坐標值可以得到向量：

進而得到包覆角β為

圖7 包覆角β示意圖和裸管焊接方法

圖7b給出了裸管焊接的相關參數，根據包覆角β、焊縫數量Nc以及相鄰焊珠的重疊角φ，可以得到焊槍振幅α為

為了減小覆蓋層強化和過度波動，采用焊珠最小重疊原則進行裸管焊接，因此相鄰兩個焊珠中心距應等于焊槍振幅。實際應用中，鍋爐壁包膜相鄰焊珠中心距應大于焊槍振幅（見圖7a），以避免焊珠邊界的過度重疊。

為了確定裸管的焊接軌跡，首先定義三個點：焊槍振動的中點Mi，橫向振動的端點Ei'和Ei''。焊槍相對平面π的方向角δi為

據此，得到上述三點的坐標值為

式（11）得到的Ei'、Mi和Ei''三個點集確定了各焊縫的焊接路徑，對應焊槍的振動運動由機器人的A、y和z軸控制。由此獲得的焊槍外圓軌跡與管件為同心圓，同時避免了CTWD的變化。

考慮到雙面焊獲得的焊珠幾何形狀相似，沿管件中心采取行對稱焊接。焊珠的焊接順序會影響膜層的連續性以及焊槍定位時間。因此，若焊珠數量Nc為偶數，將其沿管件中心對稱分布，如圖8a所示；若焊珠數量為奇數，最后一個焊珠位于管件頂部，如圖8b所示。

圖8 管件表面焊珠分別為偶數和奇數時的焊接順序

4 焊接實驗及結果分析

為了評估建立的管件包膜自動化焊接機器人的可行性，對鍋爐管壁進行包膜焊接實驗，如圖9所示，4根管件的長度不同，直徑均為38 mm。首先進行安裝、定位、設置機器人和控制系統的參數，然后根據圖10a所示三個測試點定義零點。在第一根管上測得三點坐標分別為P（10，0，0）、P（20，-33，0.5）和P（30，-14.7，9.4）。根據式（2）確定的初始估計值，結合上述數學方法得到管件半徑r為18.9 mm，坐標系零點為P（00，-16.7，-9.9）。據此，參考式（1）可以得到管件的幾何輪廓，如圖10b所示，圖中標注出了3個初始測試點的位置。

焊槍垂直于管件，距離管壁15 mm。焊絲材料為ER309L不銹鋼，直徑1.2mm，送絲速度6.1m/min。保護氣體由φ（Ar）95%+φ（CO2）3%+φ（N2）2%組成。相比傳統GMAW焊接，在此采用的脈沖GMAW焊接過程中電弧更加穩定。脈沖持續時間為4.5 ms，頻率73 Hz，電流300 A。

圖9 管壁包膜自動化焊接實驗現場

包膜焊接順序依次為膜層、管膜結合區和裸管。總焊縫長度為1.3 m。膜層焊接過程中，焊槍振幅為11 mm，焊接速度是0.30 m/min。管膜結合區焊接過程中，焊槍振幅為30 mm，焊接速度是0.35 m/min。裸管焊接時，焊珠數量Nc=3，重疊角φ=12.5°，根據點P7和P8的值，由式（8）得到角β=124.6°；然后由式（9）計算得到對應焊槍振幅的角α=33.2°；由式（10）得到對應三個焊珠，焊槍振動中點的定位角分別為δ1=48.5°、δ=131.5°和δ3=90°。裸管包膜的焊接速度為0.42 m/min。

圖10 確定零點用的管壁測試點和管件輪廓及零點

管壁包膜焊接結果以及單根管的俯視圖如圖11所示。通過由金相學分析，確定參數強化R、滲透P以及稀釋等值，可以對焊接質量進行量化分析。經檢測，強化0.72 mm

圖11 管壁包膜焊接結果和單根管的俯視圖

5 結論

本研究采用了數控機器人的多軸同步振蕩運動，提出了鍋爐管壁包膜自動焊接技術。通過焊接軌跡設置，獲得與管件表面幾何形狀一致的軌跡。采用自制的焊接機器人系統在實驗室條件下對包含4根管件的管壁進行了連續包膜焊接實驗，結果表明，提出的焊接方法既可以提高生產效率，還有助于提高鍋爐管壁質量。通過提高焊槍振幅、固定CTWD，減少了滲透和焊縫數量。由于電弧穩定、飛濺較少，管壁表面較平整。

[1] 張玉榮.中壓鍋爐管的焊接修復[J].焊接，2008（9）：67-68.

[2] 毛志偉，羅香彬，周少玲，等.旋轉電弧傳感理論數學模型研究及展[J].電焊機，2014，44（2）：1-8.

[3]曹峰，劉積昊，周宸，等.基于SCARA的五自由度焊接機器人的研究[J].機電一體化，2015（3）：9-12，44.

[4]曹麗婷，田景文，蔣蔚.基于專家系統的焊槍姿態智能控制系統[J].微計算機信息，2006（02S）：91-93.

[5]楊國輝.熱電廠10CrMo910大口徑主蒸汽管道焊接技術[J].焊接技術，2006（2）：66-67.

Thermal power plant boiler tube wall coated automatic welding robot system

ZHANG Jun1，PENG Haiyun2
（1.Jiangsu Maritime Institute，Nanjing 211170，China；2.Jiangsu Second Normal College，Nanjing 210013，China）

This paper developed a dedicated automation control system and four degrees of freedom robot welding，and the coated welding trajectory planning.Through the study of the pulse of ER309L stainless steel melting polar gas shielded arc welding（GMAW）received envelope，verify the feasibility of automatic welding robot system.Results show that the proposed welding method can not onl y improve the production efficiency，also help to improve the quality of boiler tube wall.By improving the welding torch，fixed amplitude CTWD，has realized the reduce the amount of penetration and weld.Due to the stable arc，less spatter，wall surface is flat and level.

automatic welding；boiler tube wall；the welding trajectory；pulse GMAW

TG409

：A

：1001-2303（2015）10-0098-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.21

2015-04-07

2015年江蘇省現代教育技術重點研究課題（2015-R-42639）

張 軍（1973—），男，江蘇海安人，碩士，副教授，主要從事計算機應用及網絡技術方面的研究。