大型抽水蓄能機組座環機器人窄間隙焊接技術應用研究

金寶 馮濤 鐘磊 郭中才 范瀟 付永貴 彭謝宜

摘要：隨著抽水蓄能機組單機容量的不斷增大，機組關鍵部件座環用鋼板厚度和焊接量越來越大。為實現大型抽水蓄能機組座環的機器人焊接，降低人工勞動強度，對座環固定導葉焊接結構進行創新設計，將復雜不規則的異形焊道改為簡單的直線形焊道，將常規K型坡口設計為窄間隙I型坡口，通過對適用于T型接頭窄間隙坡口焊接的L型窄間隙MAG焊槍系統進行設計與參數試驗研究，并集成機器人窄間隙焊接系統，開發出了一套成熟的多機器人窄間隙MAG焊接工藝，成功應用于大型抽水蓄能機組座環的焊接，提高了座環機器人焊接效率及質量可靠性，降低了焊接勞動強度。

關鍵詞：抽水蓄能;座環;機器人焊接;窄間隙焊接

中圖分類號：TG409? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0075-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.15

0? ? 前言

隨著計算機技術、微電子技術和網絡技術等的快速發展，機器人技術也取得了飛速發展。機器人在各個領域的應用日益廣泛，其中工業機器人的應用最廣，如焊接機器人、裝配機器人、搬運機器人和噴涂機器人等。據不完全統計，全世界大約有超過50%的在役工業機器人應用于各種形式的焊接加工領域[1-2]。機器人焊接以其高效、精準、優質等優勢替代傳統的低效人工焊接，有效保證了焊接產品質量和外觀一致性，在焊接生產中發揮著重要作用。

近年來，隨著水輪發電機組不斷向高參數、大容量方向發展，鋼板厚度和焊接量越來越大，極大地加大了人工勞動量，而焊接質量難以保證，且由于高強鋼應用日益廣泛，對焊接過程和焊工技能要求愈發嚴格，而高技能焊工的短缺造成了嚴重的產品交貨壓力。因此，機器人焊接在發電設備中的應用研究越來越迫切。文中基于大型抽水蓄能機組座環的焊接，開展了機器人窄間隙MAG焊接研究，并在該座環產品中成功應用。

1 大型抽水蓄能機組座環結構及焊接特點

1.1 抽水蓄能機組座環結構

座環是水輪機中的剛強度部套，承受機組和混凝土質量，以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，因此對其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，如圖1所示。其中上、下環板都是超厚板，固定導葉截面為紡錘形非規則結構，如圖2所示，導葉厚度變化大，最厚達230 mm。某大型抽水蓄能機組座環尺寸如表1所示，分兩瓣制造，每瓣由8個固定導葉以及上、下環板組成的16個T型接頭焊接而成。

1.2 座環機器人焊接特點

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[3]，其應用對象的特點為：尺寸和質量較小、批量成形、裝配精度較高、工件易于實現變位、焊縫坡口形式簡單。

與上述應用對象相比，大型抽水蓄能機組座環焊接主要有以下特點：

（1）座環尺寸大、質量重，很難通過專用工裝實現快速變位和協同工作。

（2）座環結構用鋼板厚，焊接量大。采用常規K型坡口（見圖3）焊接時，隨著板厚的增大，焊接量急劇增加，焊接周期長。

（3）座環結構復雜，焊道軌跡規劃及編程復雜。座環固定導葉為紡錘狀，焊接軌跡呈弧形特征，常規機器人焊接時，需多點擬合軌跡，焊道軌跡規劃復雜。且加工、裝配精度和焊接過程中的變形造成機器人離線編程與實際工況的適應能力差，常見的自動跟蹤方法也很難在多層多道焊接中發揮作用，人工現場軌跡糾偏較困難，機器人焊接效率低。

（4）座環結構為半封閉空間，常規機器人焊接可達性差，如圖4所示。

為提高機器人焊接效率、保證焊接質量，文中基于大型抽水蓄能機組座環固定導葉的焊接，開發了一種機器人窄間隙焊接工藝。

2 基于機器人窄間隙焊接的工藝結構設計

人工焊接座環固定導葉時，采用K型坡口（見圖5a），單臺座環熔敷量約2.8 t。常規機器人焊接時由于姿態受限，其焊接坡口角度略大于人工坡口（見圖5b），熔敷量超過3.0 t，焊接工作量大。且由于座環焊道為不規則弧形，軌跡規劃復雜，機器人焊接效率無法滿足生產需求。

為提高機器人焊接效率，對座環固定導葉焊接結構的數學模型進行簡化。一方面將K型坡口設計為I型窄間隙坡口，根部14 mm，上部16 mm，坡口根部留4 mm左右鈍邊，窄間隙坡口焊接完成后，人工對鈍邊部位進行清根再焊接（見圖5c），較K型坡口減少68%的熔敷量，并將多層多道焊接簡化為一層一道或兩道的窄間隙焊接;另一方面，通過加工方式將坡口端紡錘形截面改為矩形，從而將復雜不規則的弧形焊道改為簡單的直線形焊道，如圖6所示。機器人焊接完成后，再將坡口端的矩形部分修磨至與產品紡錘狀一致。通過對導葉焊接結構的創新設計，一是通過降低焊接量，提高了機器人焊接效率;二是在簡化導葉焊接結構的數學模型、焊道排布及軌跡規劃后，軌跡出現偏差時，校準點及校準時間大幅減少，從而大幅提高機器人的有效焊接時間和焊接效率。

3 適合于T型接頭深窄坡口焊接的焊槍設計

雖然座環焊接結構的創新設計可大幅提高機器人焊接效率，但是常規焊槍無法伸入該形式的深窄坡口，需配合設計特殊焊槍以實現深窄坡口的窄間隙焊接[4-5]。

座環固定導葉與上、下環板組成半封閉T型結構，常規焊槍極易與環板發生干涉。為滿足T型深窄坡口焊接要求，設計了L型窄間隙焊槍，如圖7所示。焊槍主體采用扁形結構，厚度不大于I型窄間隙坡口寬度，焊槍與機器人連接部位及其他部分垂直于焊槍主體，保證焊槍伸入至固定導葉坡口而不與環板發生干涉。為保證窄間隙坡口側壁熔合良好，將導電嘴與焊槍主體設置一定偏心角度，焊接時電弧指向側壁。

焊槍內部設有主導電桿，其一端連接偏心導電嘴，另一端連接齒輪，通過伺服電機控制齒輪與主導電桿的旋轉可控制偏心導電嘴末端焊絲與側壁之間的角度和距離，上、下熔合線焊接時，焊絲指向坡口上、下側壁，從而保證電弧對側壁的熔合質量，避免側壁熔合不良問題。

保護氣體是影響窄間隙MAG焊接質量的重要因素，與常規焊槍的保護氣體位于焊槍中心不同，該窄間隙焊槍的保護氣體位于焊槍導電嘴兩側。一方面，設計噴嘴的尺寸和結構避免保護氣體形成紊流;另一方面，設計窄間隙坡口時充分考慮氣體保護，在保證焊槍伸入和焊接操作的前提下，盡量采用小坡口，使保護氣體與窄間隙坡口形成聯合保護，保證氣體保護效果。

4 多位置機器人窄間隙MAG焊接工藝

機器人窄間隙MAG焊接是一種高效節能的焊接方法，尤其適合厚板焊接，但同時存在側壁熔合不良、焊接飛濺等問題。因此需要選擇合適的焊接設備及工藝參數來保證被焊工件底部和側壁焊接良好，以及焊接過程中電弧穩定，避免產生大顆粒飛濺，從而保證每道焊縫質量和成形良好，故采用熔化極氣體保護焊，并用熔滴噴射過渡獲得穩定焊接過程。焊接電流是影響焊縫成形的關鍵因素，尤其是橫焊位置焊接，電流過大極易引起熔池流淌造成咬邊或假焊，因此電流選擇180～230 A，平焊位置焊接電流可根據焊接速度匹配選擇240～280 A。電壓是影響側壁熔合的重要參數，過大易造成側壁咬邊，過小易引起未熔合。保護氣體是焊縫成形的關鍵，選用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，流量20～25 L/min。本研究針對橫焊與平焊位置的機器人窄間隙MAG焊焊縫成形，通過對焊接參數進行試驗研究，找出匹配的工藝規范，對試件解剖后進行宏觀金相檢測，未發現未熔合等缺陷，如圖9所示，焊接質量完全滿足要求。

5 適合于抽水蓄能機組座環焊接的機器人窄間隙焊接系統集成

根據抽水蓄能機組座環尺寸大、質量大、變位困難的特點，集成多自由度、重型機器人系統，使機器人的工作半徑和高度均能保證大型座環在無需變位的情況下完成焊接，如圖10所示。其中十軸機器人帶有弧形固定導軌以增加機器人的可達范圍，特別適用于大尺寸環形結構（如座環）的焊接，九軸機器人為移動式機器人，可根據活動范圍需要移動至所需位置。

座環單瓣裝配后，兩瓣再疊裝至一起，并用拉筋搭焊牢。采用雙機器人焊接，每臺機器人各焊8個固定導葉和16條T型接頭焊縫，通過焊接順序規劃，保證機器人互不干涉，焊接電源選用SAF脈沖電源，每臺機器人末端夾持一套L型窄間隙焊槍。

該系統的優勢為：（1）多自由度機器人工作范圍滿足大型座環的各位置焊接。（2）通過焊接結構設計與焊接工藝研究，在焊接固定導葉與上、下環板的T型接頭間切換時，座環無需變位即可完成固定導葉上下側坡口的焊接。避免了翻轉后座環定位及軌跡糾偏帶來的問題，提高了焊接效率。（3）機器人焊接軌跡為直線，軌跡規劃簡單，焊接過程出現偏差時，軌跡糾偏容易。（4）機器人窄間隙焊接時，是一層兩道焊接，即上、下熔合線各一道，焊道規劃簡單，避免了多層多道焊帶來的焊道規劃難題。

該系統的建立可大幅提高焊接效率，保證大型抽水蓄能機組座環的高效、高質生產。

6 機器人窄間隙焊接技術在大型抽水蓄能機組座環焊接中的應用及效果

6.1 座環機器人窄間隙焊接難點分析

座環機器人窄間隙焊接主要難點有：（1）座環固定導葉為超厚板，開單面窄間隙坡口后，坡口深度大，其可視性和可操作性差，若焊接過程中出現缺陷，修復困難，須保證每一道焊縫的質量;（2）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;（3）座環焊接時，需嚴格控制焊接變形，一方面保證開檔等尺寸公差;另一方面控制坡口收縮，以避免坡口過小造成夾槍。

6.2 座環固定導葉的機器人窄間隙焊接應用

通過焊接工藝研究，焊前進行預反變形，焊接座環固定導葉時，監測坡口及座環開檔尺寸變化，通過對稱焊接固定導葉與上、下環板之間T型接頭焊縫，有效地控制座環開檔尺寸與坡口尺寸收縮，保證焊接過程的順利進行。焊接時嚴格控制焊接參數，確保焊縫性能及質量，結果表明，焊縫成形良好，過程穩定。兩臺機器人同時焊接，保證了焊接效率，滿足產品生產周期，座環現場焊接如圖11所示。

6.3 實施效果

目前，機器人窄間隙焊接技術已在多臺套抽水蓄能機組中成功應用，座環一次UT探傷合格率超過95%，焊后尺寸檢查滿足公差要求。通過大量的焊接應用，達到以下效果：

（1）通過坡口設計，坡口焊接量減少了68%，機器人焊接效率為人工的3～5倍，焊接成本降低了50%，大幅降低勞動強度，改善焊接操作環境。

（2）通過對導葉焊接結構設計、窄間隙焊槍設計及多機器人窄間隙焊接系統集成，實現了抽水蓄能機組座環機器人焊接的標準化和系列化，解決了高強鋼焊接對高技能焊工的依賴。

（3）該技術的成功實施為厚板、超厚板的機器人焊接提供了方向，解決了多層多道焊接時的焊道排布、軌跡規劃及軌跡糾偏難題。

7 結論

（1）通過簡化抽水蓄能機組座環固定導葉焊接結構的數學模型，將固定導葉常規K型坡口設計為窄間隙I型坡口，弧形焊道設計為直線形，大幅減少焊接量，同時簡化了座環機器人焊接軌跡規劃與過程控制。

（2）通過對適用于T型接頭窄間隙坡口焊接的L型窄間隙MAG焊槍進行設計及工藝研究，并集成機器人窄間隙焊接系統，實現了座環T型接頭深窄坡口的高效、高質量焊接。

（3）機器人窄間隙MAG焊接技術在大型抽水蓄能機組座環中的成功應用，大幅減少了座環焊接量，提高了焊接效率及探傷合格率，降低了焊接作業強度，改善了焊接作業環境。

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