集箱短管接頭機器人自動裝焊工藝及設備

2018-01-18 13:22:30，，

電焊機 2017年12期

關鍵詞：焊縫

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（1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢643001；2.中國東方電氣集團有限公司，四川成都 611731）

0 前言

集箱是鍋爐的重要部件之一，其結構簡圖如圖1所示。筒身上布置有大量與受熱面相焊的短管接頭，材質為碳鋼、低合金和高合金耐熱鋼；外徑φ31.8～76.2 mm，內徑 φ14～64 mm。其特點是材質種類多、數量大、規格多，沿軸向或環向成排布置在集箱筒身上，而且管接頭之間間距小（最小僅為12.7 mm）。受焊接操作位置限制，該類短管接頭的施焊難度大，通常采用焊條電弧焊或半自動氣體保護焊進行施焊。不僅焊接工作量大、自動化程度低、勞動強度大，而且焊接質量受人為因素影響較大，質量不易保證。由于集箱短管接頭的焊接占整個集箱焊接的30%以上，因此，集箱短管接頭的焊接自動化程度、效率以及焊接質量明顯影響著整個集箱的焊接自動化程度、焊接質量和生產周期。

圖1 集箱結構示意

1 集箱短管接頭自動焊接技術

1.1 現有焊接技術

1.1.1 埋弧焊技術

該工作站在國外以德國Babcock公司為代表，武漢鍋爐廠在20世紀70年代進口了一套TIG內孔焊+細絲埋弧焊集箱短管接頭焊接工作站，如圖2所示，在一些特定的結構上得到了較好的應用，但由于該公司已倒閉，現已不再生產短管接頭細絲埋弧自動焊工作站。國內中電華強公司在借鑒德巴經驗的基礎上，從2005年開始在細絲埋弧焊的設備研制和工藝開發上進行了大量工作，已研制出工作站（見圖3）和單機兩種樣機（見圖4），并在國內鍋爐廠進行試驗及應用。

圖2 武鍋集箱短管接頭細絲埋弧焊工作站

中電華強埋弧焊工作站的優點是：焊接熔深大，焊縫外觀干凈，成形美觀；沒有弧光，焊工施焊環境好；焊接材料不受限制，能適應所有材質集箱產品的焊接。缺點為：難以實現自動布道和連續施焊；焊接過程中需要鋪設和回收焊劑、人工清渣及回收；自動化程度不高。

1.1.2 氣體保護焊技術

國內鍋爐制造廠在20世紀90年代引進了2套日本三菱公司和BHK公司的機器人MAG焊接設備，但一直未能在產品上大規模使用。主要原因是：管接頭的坡口加工精度和裝配精度不能滿足機器人焊接要求；引進焊接設備時沒有引進與之相配套的集箱轉動設備，無法保證集箱定位準確，焊接位置再現性差，焊接效率低；設備自身存在一些問題，對操作人員要求高等。

該技術路線的優點是：可自動布道、連續施焊，實現自動化焊接；焊縫外觀成形美觀；可根據焊接變形等預設誤差；分段控制焊接參數，以適應不同的填充量；明弧便于觀察和人為干預。缺點為：對坡口加工以及裝配精度要求高；定位準確度低，再現性差，輔助時間長，效率低。

圖3 埋弧焊工作站

圖4 單頭埋弧焊

1.2 集箱短管接頭自動焊接技術選擇

隨著機器人自身技術的發展與完善、三維視覺識別系統的成熟以及新型數字脈沖氣保焊焊接電源的應用，能夠較好地解決上述機器人焊接存在的定位不準、再現性差、效率低等問題。另外，應用集箱三軸數控鉆等自動化鉆孔設備后，也能很好地保證集箱管孔和坡口加工精度和一致性。

此外，采用機器人自動熔化極氣體保護焊可以實現自動布道（層），而且無需布置焊劑和清渣，能實現多層多道連續施焊，具有高度的自動化和智能化，因此，選擇該技術路線符合“中國制造2025”對電力裝備制造的要求。

2 機器人自動焊接設備研發

2.1 重點及難點

（1）管座為成排布置，且管座間凈間距小（最小19 mm）、壁厚大（最大22 mm），焊槍既要有氣體保護系統和水冷保護系統保證保護效果和冷卻效果，又要保證槍體大小符合間距及壁厚要求，其設計制造難度很大。

（2）集箱及管座規格較多，管孔及坡口加工存在一定偏差，采用何種簡便、快捷、可靠的方式定位是設備研制的難點，也是保證焊接效率的關鍵。

（3）管座焊接時本身存在變形，而且焊接后筒身產生變形或筒身本身存在撓度，如何保證管座垂直度以及成排性問題是設備研制的難點和重點。

（4）焊接過程為多層多道，隨著焊層或焊道的變化，焊槍角度會發生一定的變化，并且坡口加工也存在一定的誤差，如何實現焊接過程自動焊接（包括布道、換層和焊槍移動等）是設備機械部分和控制系統研制的難點。

（5）坡口加工精度的高低直接影響產品焊接質量，對自動化焊接而言，由于設備自適應性差，影響將更大，而且還會影響焊接定位。因此，保證坡口加工精度是實現自動化的前提條件。

（6）效率問題（包括焊前準備和整個焊接過程）。如果焊接效率低，達不到現有焊接工藝水平，實際生產中無法推廣應用。

2.2 設備組成及功能

（1）機器人系統。該系統包括兩臺通用機器人，一臺用于管接頭的裝配，一臺用于管接頭的焊接。兩臺機器人均配置三維視覺傳感器，用于管孔的定位和管接頭的裝配及焊接。同時，裝配機器人配置了管接頭抓手和力覺傳感器，用于保證管接頭的有效抓取。

（2）焊接系統。包括焊接電源、窄間距焊槍、剪絲站和防碰傳感器。焊接電源采用福尼斯最新TPSi500脈沖電源，具有精確送絲控制、多功能脈沖控制以及恒熔深功能；窄間距焊槍用于適應凈間距較小管接頭的焊接；剪絲站主要用于自動焊過程中焊絲的自動修剪和焊槍的自動清理；防碰傳感器主要用于在焊槍發生碰撞時停止程序，保護機器人和焊槍。

（3）工件支撐及轉動系統。該系統由變位機、滾輪架和管孔焊接位置檢測裝置組成。工作時，采用變位機卡盤夾持工件一端，保證工件的旋轉；采用滾輪架隨動支撐工件；管孔焊接位置檢測裝置，確保工件管孔能夠轉動到焊接位置。

（4）機器人軌道系統及移動平臺。機器人行走軌道由直線導軌和齒輪齒條組成，要求具備良好的剛性、耐磨性和機械強度，保證工作狀態中設備的穩定性。焊接機器人、控制柜、焊接電源等安裝在焊接移動平臺上；裝配機器人、控制柜、料盤等安裝在裝配移動平臺上。

（5）控制系統。控制系統配置了工控機和PLC，工控機主要負責計算部分，PLC主要用于數據通信和部分邏輯。

（6）軟件系統。主要包括Web端、現場管理和自動焊接工藝專家系統。Web端實現集箱數據的維護、查詢以及焊接參數歷史追溯等；現場管理軟件實現現場焊接作業管理，包括過程監控、報警等；自動焊接工藝專家系統實現焊接工藝規劃以及自動焊接工藝數據的導入等。

設備整體外觀如圖5所示。

圖5 設備整體外觀

2.3 工作流程及模式

2.3.1 總體工作流程

工作時先設置集箱參數，包括焊接工藝參數；然后將待焊集箱筒體吊裝到支撐系統上，將待焊管接頭擺放到料盤上；啟動裝焊流程，機器人自動定位、裝配、焊接，直至單個管接頭焊接完成；機器人自動移動到下一個管接頭，重復上述裝焊工序，直至整排管接頭裝焊完成；如果環向是多排管接頭，則筒體主動轉到下一排待焊管排，機器人自動移至下一排待焊管接頭，然后重復上述管排裝焊工序，直至該管排焊接完成；重復下一管排裝焊工序，直至所有管排及管接頭裝焊完成。總體工作流程如圖6所示。

圖6 總體工作流程

2.3.2 工作模式

（1）單個全自動模式。

系統自動完成單個管座定位、裝配、點焊、焊接的全部過程后，再按數據庫中預定義的焊接順序進行下一個管座的裝焊，直至整排管座焊完。工作流程如圖7a所示。

（2）分段裝焊模式。

系統完全自動，預先將該排管座進行分段，段內按管座位置依次裝配完成后，再依次進行每一道的焊接，直至該段管座完全焊完，一段管座焊完后，系統按設定的段間裝焊順序移至下一段管座，重復上述過程，直至該排管座焊完。工作流程如圖7b所示。

圖7 全自動工作流程

3 機器人自動焊工藝試驗

3.1 試驗件結構

根據集箱產品實際結構形式，設計了如圖8所示的結構形式進行自動焊接工藝試驗。試件筒身環向布置6排、軸向布置24排，共計144個管接頭，管接頭與筒身的連接坡口形式見圖9。筒身及管接頭材質、規格為：12Cr1MoVG，φ325×36+15CrMoG，φ57×8；SA-106C，φ368.3×36+SA-210C，φ51×7。

為了保證管孔及坡口加工精度和一致性，采用三軸數控鉆加工筒身管孔及盆型坡口，采用車床加工管接頭坡口。