智能化機器人焊接技術在大型水電部件中的應用

（東方電機股份有限公司，四川德陽618000）

智能化機器人焊接技術在大型水電部件中的應用

鄢志勇，范 瀟，馮 濤，林 松，嚴 靖，金 寶，王能慶

（東方電機股份有限公司，四川德陽618000）

介紹大型水電部件的結構特點和智能機器人焊接技術的特點，智能機器人焊接技術應用于發電設備行業，在焊接效率和質量、制造成本和周期、操作安全環境、特殊位置焊接等方面具有不可替代的優勢，是基礎裝備制造業提升焊接技術水平的關鍵，推廣智能化機器人焊接技術具有重要意義。

智能化機器人焊接；多層多道；焊接結構件

0 前言

工業機器人作為現代制造技術發展的重要標志之一，對現代高技術制造產業產生了巨大的影響。焊接機器人是應用最為廣泛的一類工業機器人，是焊接自動化領域的一項革命性進步，突破了傳統的焊接剛性自動化方式，實現了小批量工件的柔性自動化制造[1]。

焊接機器人具有焊接質量穩定、改善工人勞動條件、提高勞動生產率等優點，廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業等行業。據不完全統計，全世界在役的工業機器人中大約有一半應用于焊接加工領域，多數焊接機器人分布在日本、美國、德國等發達國家。特別是在批量化、大規模和有害作業環境中的使用率更高，已形成了成熟的技術、設備和與之配套并不斷升級的焊接工藝。

隨著國內制造業水平的不斷提高，焊接機器人的普及應用快速增長，近幾年的增長率達60%，在汽車、工程機械、鋼結構等行業已逐漸取代人工焊接。但在大型基礎裝備制造業領域，因產品結構特點的巨大差異，機器人焊接的研究和應用仍處于起步階段。未來基礎裝備制造業的水平主要體現在高精度、高效率、低成本、高柔性等方面。機器人焊接代表先進焊接技術的發展方向，是提升制造業焊接水平的必經之路。在大型水電裝備制造領域進行機器人焊接技術的研究具有重要的社會意義和經濟效益。

1 大型水電產品焊接結構及焊接特點

目前焊接機器人主要應用于汽車、工程機械、通用機械、鋼結構等批量結構的制造領域，其應用對象具有非常明顯的特點：尺寸和質量較小、批量成形和裝配精度較高、工件易于實現變位、焊縫處于開放空間、焊縫坡口形式和焊道軌跡簡單。上述特點能夠充分發揮機器人定位精確、重復運動精度高的特點，通過簡單的在線示教和離線編程工作即可滿足工程要求，能夠大幅提高焊接質量和效率。因此，機器人焊接在上述行業快速普及，取代手工作業成為主要的焊接方法[2-3]。

但是，在大型發電設備制造行業，特別是水電設備行業，其部件普遍為單件或小批量結構件，尺寸大、質量重、結構復雜。其截然不同的結構特點為機器人焊接方法的應用帶來全新的挑戰。

常規機器人應用對象和發電設備行業典型產品的特點對比如表1所示。

表1 機器人工作對象特點的對比

由于發電設備部件和機器人常規應用對象的巨大差異，極大限制了焊接機器人在發電設備制造行業的應用。大型水電產品焊接結構尺寸大、質量重、焊縫多、焊接量大、焊接質量要求高，需在平焊、橫焊和立焊等多位置進行多層多道焊接，焊縫厚度超過200 mm，通過技術攻關在座環、轉輪、球閥、導葉內環等產品實現智能化機器人焊接技術的應用。

2 智能化機器人焊接技術的特點及優勢

智能化機器人焊接技術是綜合了計算機、控制論、結構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學和焊接技術等多學科而形成的高新技術。目前國內的焊接機器人工作站主要由弧焊機器人本體、電源、外圍行走機構、聯動變位機和自動裝配送料系統組成，采用混合氣體保護焊，通過聯動變位和自動裝配送料系統實現在平焊或船形位置的自動化高速焊接。

然而智能化機器人焊接技術在大型水電部件中的應用屬于多位置多層多道焊，水電產品的智能化焊接需解決大型焊接結構件不易翻身、空間復雜焊接、狹小空間機械手運動干涉和碰撞以及超厚板多層多道焊接質量等問題。隨著對水輪機轉輪模擬仿真焊接技術、多層多道焊接技術和機器人堆焊技術的研究，實現了全關節型柔性弧焊機器人在水力發電設備制造中的應用。機器人焊接應用于發電設備行業將具有以下不可替代的優勢：

（1）焊接效率和質量。機器人焊接不是簡單替代焊工從事機械重復工作，而是提升產品制造的質量和效率。發電設備部件普遍為厚壁焊接結構件，焊接量大，質量要求高。機器人焊接的效率為手工焊操作的3～5倍，并且運動精度和重復精度高，焊道規則穩定。焊縫質量不受焊工操作水平和工作環境限制，波動性小，對于提高產品質量的穩定性具有重要意義。

（2）制造成本和周期。由于發電設備尺寸較大，焊縫質量要求高，需要大量的高技能焊工，給焊接生產周期的組織帶來一定困難。弧焊機器人可實現連續高效工作，機器人焊接程序規劃能夠離線提前編制，縮短產品焊接周期。機器人逐步取代焊接操作者，人工成本降低。特別是人力成本不斷提高的情況下，機器人價格又穩步降低，機器人替代人工操作將具有越來越明顯的成本優勢。

（3）操作者安全作業。隨著發電設備功率容量的不斷提升，部件材料中高強鋼的使用比例增加，保證焊接質量所需的預熱溫度也逐步提高。焊接作業空間的溫度可達約150℃，影響操作者身體健康，且無法保證焊接質量。機器人能夠在高溫環境下替代人工作業，顯著改善工作情況，降低焊接質量的波動性。

（4）特殊位置焊接。由于大型水電部件的不規則性，存在大量半封閉空間內的焊縫。手工焊接操作時，部分焊接位置的可視性、可達性和可操作性無法滿足工作要求。機器人操作時，其多關節臂的結構特點能夠顯著改善焊接可達性和可操作性。配合離線編程和焊接過程監控環節，可改善焊接可視性。在特殊難焊位置、甚至人工無法施焊位置，機器人都能夠實現高質量的焊接。

3 智能化機器人焊接技術的研究和應用

3.1 厚板多層多道自動化焊接技術

3.1.1 厚板多層多道自動化焊接技術研究對象

座環是水電機組中的重要埋設部件，將承受機組質量、混凝土質量及轉輪的軸向水推力和蝸殼的內水壓力，應具備足夠的強度、剛度和穩定性，因此對制造過程提出極高的要求。座環主要由上環板、下環板和固定導葉等零件組焊而成，結構復雜，焊接難度大，焊縫質量等級高，典型座環結構如圖1所示。

圖1 水輪機座環結構

座環結構的焊接難點有[4-5]：（1）上、下環板與固定導葉裝配后形成半封閉的盒裝結構，操作空間小，焊接難度大。（2）焊接預熱溫度高。座環焊接時至少應保證100℃以上的預熱溫度，通常達到130℃以上。在狹小的半封閉空間內，高溫極大影響操作者的安全和焊接水平。（3）座環零部件均為厚板，焊接填充量大，持續時間長。

由于座環焊接操作空間小、溫度高、工作量大，采用手工焊接不僅效率低、勞動強度大，而且不利于焊接操作者的勞動安全保護，亦無法保證穩定的焊接質量。因此以座環為對象進行機器人焊接的研究。

某水電機組的座環尺寸如表2所示。由于座環整體尺寸較大，制造過程中分兩瓣制造，以滿足工地運輸要求。

表2 座環組件結構參數

3.1.2 厚板多層多道橫焊的焊道規劃

由表2可知，座環最大外徑約6.5 m，導葉厚度160 mm。座環的焊接包括20個導葉與上、下環板的T型接頭焊縫，在座環平放狀態下全部為橫焊位置，最大板厚約為160 mm，單個焊接接頭焊道數達到140多條，屬于典型的橫焊位置厚板多層多道焊。

在厚板橫焊過程中，熔池金屬易發生下淌，形成不規則的焊道成形，從而形成焊接缺陷[6]。橫焊位置的焊道成形主要特點如下：

（1）焊炬相對坡口面和焊接方向的角度，即工作角和行走角，對焊縫成形起著決定作用，特別是每層的打底道和靠上熔合線的一道，如圖2所示。

圖2 焊道規劃示意

（2）焊接參數中的電流、電壓、熱輸入、焊接速度、擺動情況對焊縫成形有直接影響。

（3）座環是水輪機部件中含導葉焊接的其中一類，焊縫的型線為不規則的樣條曲線，加上大厚板的特性，其焊道組成更為特別。每一層、每一道的長度、起弧收弧點都不一樣，起弧點及之前的進槍點還受到相鄰導葉的干涉，造成焊炬角度的被動改變。

通過大量的焊接工藝試驗找出導葉坡口焊縫的成形規律和焊接參數，以焊縫的位置、道序數和層序數為劃分對象，整合、歸類對應的焊接參數，制定了座環厚板多層多道橫焊的焊道規劃原則。

3.1.3 離線編程

離線編程系統中的路徑由一系列離散的標簽點組成，路徑的屬性和功能取決于標簽點。焊道路徑包括焊接路徑和收槍、進槍路徑，其中焊接路徑中標簽點不但記錄著其與基準坐標系的相對關系，而且還包含相應的焊接參數；收、進槍路徑點主要記錄焊槍在收、進槍時的位姿關系。座環的離線編程標簽點設置如圖3所示。

圖3 座環離線編程路徑規劃

路徑各標簽點對于規則焊縫具有一致性，這樣的路徑規劃可通過軟件在實體模型中自動生成。但是，座環導葉焊接路徑各標簽點由于受導葉間空間限制，在靠近導葉出水邊時，焊接工作角有一個最大值限制，導致各標簽點焊接位姿不同；另一方面，焊縫長度隨著焊縫厚度的增加逐步變短，也會給路徑規劃帶來困難。所以在路徑規劃時只能根據焊道的不同分別進行規劃。同時根據座環的離線編程結果進行運動仿真，評估機器人在半開放空間的座環焊接過程中發生碰撞和運動限位風險，如圖4所示。

圖4 機器人焊接離線仿真過程

3.1.4 座環的機器人焊接

制造過程分為弧焊機器人的焊接過程和機器人運動的輔助調整過程。輔助調整過程包括程序試運行、路徑糾偏、焊接參數調整、焊槍清理、焊道清理等，焊接過程如圖5所示。

圖5 座環的機器人焊接過程

通過工藝研究有效地控制了焊接變形，確保了焊接質量，整個焊縫成形過程平穩，相對人工操作，體現出很好的柔性，充分利用機器人的規則擺動，焊縫成形美觀，熔合良好，如圖6所示。

對座環焊接結果進行尺寸檢查和探傷檢查，座環焊接后尺寸滿足要求，UT探傷合格率為95%，焊接效率約是人工的3倍，達到預期結果。

圖6 座環焊縫成形

3.2 復雜曲面快速成型技術的開發應用

3.2.1 復雜曲面焊接成型技術的研究對象

沖擊式轉輪具有復雜的幾何型線。目前，瑞士蘇爾壽公司的沖擊式轉輪的制造技術代表了國際上最先進的水平，國內大部分沖擊式轉輪水斗一直依賴進口。以高橋電站水斗制造為契機，采用新型制造工藝（焊接機器人自動焊接水斗和數控加工技術），以提高水斗制造質量、降低成本。具體為：轉輪的輪盤（包括水斗根部）用整塊不銹鋼全鍛件數控加工而成，水斗的前端采用焊接機器人全自動逐層堆焊而成，水斗最終翼型由數控加工后鏟磨拋光，轉輪水斗如圖7所示。

圖7 沖擊式轉輪水斗示意

3.2.2 復雜曲面焊接成型技術的開發

（1）結合圖樣和現場測繪采集的數據，對轉輪水斗流型線進行UG建模造型。

（2）水斗焊接的離線編程。為節約成本和縮短試驗周期，將試驗材料和焊接材料改定為碳鋼，并將水斗尺寸縮小4倍，再利用UG造型的數據（對外部分修改）根據水斗曲面、截面變化率分成多個截面，周邊加放3～5 mm數控加工余量，結合工藝試驗數據（如焊槍擺放角度，行走角度，行走軌跡，焊接規范等）離線編制了水斗機器人自動焊接程序。

（3）采用冷弧焊新技術，通過精確地控制和調節焊接過程中電弧電壓和電流，使電弧在短弧焊接狀態下穩定地焊接，實現焊縫的精確快速成形。

（4）試驗后通過三維檢測，尺寸精度與修改后UG造型一致。

通過上述步驟的實施，解決了相關技術難題，圓滿完成水都模型件的機器人自動焊接，機器人堆焊效果如圖8所示。

圖8 機器人自動堆焊的水斗

3.3 異形曲面定量堆焊技術的開發應用

3.3.1 異形曲面定量堆焊技術的研究對象

水電產品中的一些部件因處于特殊的服役工況，通常有表面耐磨耐蝕等性能的要求，需要在普通材料基體表面堆焊一定厚度的高性能材料，并且是在特定區域（多為異形曲面）定量堆焊，以最低的成本滿足產品的性能要求。

目前，已在貫流式機組導葉內環、轉輪體的制造中開發并應用機器人異型曲面定量堆焊技術。根據不同類型的曲面、機器人工作站的適應性、焊接要求和加工要求將機器人示教編程、離線編程以及不銹鋼堆焊工藝、快速成型技術相結合，即為機器人異型曲面定量堆焊技術。

轉輪體主要由球面與法蘭組成，其表面堆焊是為滿足其過流面的耐磨要求。全表面堆焊不銹鋼15 mm厚，其中球面部分因5個開孔而成為異性曲面，占50%以上的堆焊量。結構簡圖（三維圖）及堆焊部位如圖9所示。

3.3.2 異形曲面定量堆焊技術的開發

機器人堆焊作業的特點為空間開放、可重復性強，對焊道規劃及焊接試驗的要求不迫切，可以根據現場實施情況隨時調整熔敷方案，焊炬姿態、焊接參數相對固化，可實現程序的模板化和重復利用。以堆焊快速成形工藝為基礎，將焊縫熔寬作為堆焊厚度，利用機器人的運動控制，精準路徑規劃配合焊炬的定長擺動，在機器人強大柔性的保證下實現焊縫的定量成形。

圖9 轉輪體表面堆焊

通過分析工件結構，確立了兩種機器人工作方案。一是六軸站立式機器人協同外部運動系統的工作站模式，二是弧形導軌十軸聯動機器人工作站。前者適用于工件尺寸相對較小，焊接路徑為規則圓周運動，如導葉內環的堆焊；后者適用對象為工件尺寸相對較大、曲面不連續、焊接路徑變化頻繁，如轉輪體的堆焊。轉輪體堆焊如圖10所示，導葉內環堆焊如圖11所示。

圖10 轉輪體機器人自動堆焊

異性曲面定量技術充分利用弧焊機器人自動焊接代替人力、高質量焊縫成形的優勢，為產品制造創造很高的附加值，將在更多的產品中得到應用并不斷優化。

3.4 半封閉空間厚板多層多道異形曲線機器人焊接

3.4.1 半封閉空間厚板多層多道異形曲線機器人焊接的研究對象

圖11 導葉內環機器人自動堆焊

水電產品結構多為回轉結構，極易形成半封閉甚至封閉的非開放空間，采用焊條電弧焊和半自動焊時無法同時滿足焊接的可達性、可視性及可操作性；由于水電產品結構突出材料焊接性差、焊接質量要求高、板厚等特點，工件多需預熱，對焊工要求高；非開放空間內煙塵等有毒有害物質不能有效排出，威脅焊工身體健康，故開發針對非開放空間結構工件的機器人焊接具有重大意義。

半封閉結構空間轉輪如圖12所示。

圖12 半封閉空間結構轉輪

3.4.2 半封閉空間厚板多層多道異形曲線機器人焊接技術的開發

（1）狹小空間內防碰撞與防限位。雖然使用重新設計過的焊炬，機器人能夠無障礙地抵達焊接位置，但機器人本體有4個軸進入流道，若有意外，極易發生碰撞或限位。因此，須仿真模擬焊接程序，并依據仿真結果判斷在狹小空間內機器人在不碰撞不限位的情況下所能運動的空間，為后續程序修正提供依據，運動仿真如圖13所示。

（2）焊接姿態的變換。程序仿真除規避碰撞與限位，還為支持程序修正，程序修正在此主要為焊接姿態的變換。由于坡口隨流道扭曲，為隨時保證在狹小空間內的最佳焊接姿態，焊槍必須不停地進行焊接姿態（主要為工作角與行進角）的變換，因此某一焊道各個節點的焊接姿態定義并不一致，但由于對焊接姿態影響焊道成形的定量化不精確，并不希望各個節點的姿態急劇變換。同時，由于焊接姿態直接影響焊縫成形，亦影響下一焊道的排布，為避免焊接姿態的不斷變換帶來焊道排布困難，盡可能地使多個焊道的焊接姿態具有一致性。

圖13 運動仿真

（3）焊道排布。焊道排布須在保證焊接質量的前提下易于實現。焊縫靠葉片一側熔合的保證難度大，因此，每層焊道皆從葉片一側開始排布，如圖14所示，在葉片一側的焊道只需保證該側的熔合而無需顧忌另一側。同時將焊道規劃為薄而寬的焊道也有利于焊道排布，能很好地避免最后在上冠一側形成深而窄的焊接填充區域。

圖14 焊道排布

（4）焊接參數的選擇。焊接參數中的焊接位置和姿態受狹小空間的限制，基本沒有選擇余地，本研究中焊接參數的選擇特指焊接電流、電壓等電源參數及焊接速度、擺動等運動參數。依據已有的焊道排布，調整焊接參數以實現焊道排布需要經驗豐富的焊工指導，機器人轉輪焊接如圖15所示。

圖15 機器人轉輪焊接

4 結論

（1）機器人焊接應用于發電設備行業，在焊接效率和質量、制造成本和周期、操作安全環境、特殊位置焊接等方面具有不可替代的優勢，是基礎裝備制造業提升焊接技術水平的關鍵。

（2）以座環、轉輪、轉輪體等的智能化焊接技術為研究對象，進行機器人焊接的模擬仿真、焊道規劃和試驗研究。通過大量的焊接工藝試驗，獲得焊縫的成形規律和焊接參數，以焊縫的位置、道序數和層序數為劃分對象，整合、歸類對應的焊接參數，制定多層多道橫焊的焊道規劃原則，完成焊接過程的離線編程和運動仿真。

（3）機器人焊接過程平穩，相對人工操作體現出很好的柔性，充分利用機器人的規則擺動，焊縫成形美觀，熔合良好，達到預期研究結果。

[1]林尚揚，陳善本，李成桐.焊接機器人及其應用[M].北京：機械工業出版社，2000：1-11.

[2]陳善本.智能化機器人焊接技術研究進展[J].機器人技術及應用，2007（3）：8-11.

[3]趙君.機器人焊接仿真在汽車焊裝中的應用[J].現代零部件，2011（9）：12-15.

[4]陳志強，姜輝.大型水輪機座環焊接制造研究[J].機電工程技術，2009（11）：69-71.

[5]閻洵，王延峰，張永明.大型水電座環制作的工藝改進[J].金屬加工，2010（12）：35-37.

[6]楊學謙.橫焊擺動軌跡的研究[J].焊接學報，1980（4）：19-23.

Application of the robot welding technology for the parts of large hydropower

YAN Zhiyong，FAN Xiao，FENG Tao，LIN Song，YAN Jing，JIN Bao，WANG Nengqing
（Dong Fang Electrical Machinery Co.，Ltd，Deyang 618000，China）

The robot welding has irreplaceable advantages in efficiency，quality，cost and cycle time ways，safe operating environment and special position welding.The multi-pass welding is researched about the parts of large hydropower，offline programming and movement simulation are successfully applied to the welding of the parts of large hydropower，it is a very important significance to the application and research of the robot welding technology.

robot welding；multi-pass welding；welding structure

TG409

C

1001－2303（2017）11－0045-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.09

本文參考文獻引用格式：鄢志勇，范瀟，馮濤，等.智能化機器人焊接技術在大型水電部件中的應用[J].電焊機，2017，47（11）：45-51.

2017-09-07

鄢志勇（1970—），男，高級工程師，碩士，主要從事水電、火電、核電的焊接工藝和試驗開發。E-mail：976021752@qq.com。