薄壁鈦管管頭機器人焊接技術探究

李權 朱強

摘要：傳統手工氬弧焊速度慢，質量不穩定，現有的機器人焊接技術不能滿足薄壁鈦管管頭焊接要求。本文提出一種利用三維模型信息技術，根據管頭形狀和高度模型信息動態控制焊接參數，實現薄壁鈦管管頭機器人自動焊接。

關鍵詞：機器人;薄壁鈦管;焊接;動態控制

一、引言

機器人焊接是一種高度自動化的焊接技術，目前，采用機器人代替手工焊接作業是焊接技術的總體發展趨勢，是提高焊接質量、降低成本、改善工作環境的重要手段。機器人焊接作為現代制造技術發展的重要標志己被國內外許多工廠所接受。機器人焊接，焊接速度快，焊槍過程不會振動，焊接過程中速度不會忽快忽慢，能得到均勻、漂亮的焊縫，所以能提高焊接效率和質量。

二、背景技術

鈦是一種對海水、酸、堿等有極強的防腐能力的材料，工業純鈦強度與鋼差不多，密度約為鋼的一半，用于制造換熱器，具有重量輕、防腐能力強的優點。然而，薄壁鈦管管頭焊接是一項難度極高的工作，因為鈦是一種活躍金屬，換熱器用鈦管（TA2）在350℃以上會強烈吸氣、脆化、產生氣孔及開裂，性能嚴重下降，TA2鈦管熔點較高，比熱小，焊接線能量大時，冷卻慢，易使晶體粗大，塑性降低，線能量小時，冷卻快，又會出現a相 （鈦馬氏體），塑性下降。

近年來，由于世界上鈦管產能提高，價格下降，越來越多地被用來生產電力、化工、海水淡化等裝備中的耐腐蝕換熱器。鈦管換熱器的管頭與管板需要密封，使兩邊流體不串通，密封方法通常為貼脹加密封焊。由于鈦管很簿，采用加絲焊極易熔穿，以目前僅使用鎢極氬氣保護自熔焊（圖1）。焊接時，管頭先用脹管機貼脹，切除多余鈦管管頭同時時預留1-2mm高度，清洗后全位置熔焊接一圈，使管頭融化與管板熔合成光滑的環形焊縫。

薄壁鈦管焊接現在的技術分別是手工氬弧焊（包括手工操作的半自動機械焊接）和機器人焊接。薄壁鈦管焊接前需要切除多余的鈦管管頭，切除后的管頭受到刀具刃口變化和機械振動的影響，其切口的形狀、留下管頭的高度是不規則的。手工氬弧焊焊接時，工人可以根據經驗調整焊接參數和焊槍方位，保證焊接質量。手工氬弧焊的缺點是對工人技術要求較高，焊槍會振動，焊接速度會改變，造成焊縫不光滑均勻，焊接速度慢，質量不穩定。機器人焊接的核心技術是示教-再現模式：首先操作機器人動作，并讓機器人記住這個過程，然后讓機器人根據需要重復上述動作過程。示教再現的優點是動作準確，沒有偏差，并可以自動反復不斷地工作，適合大批量的生產。但是，示教再現對于一些需要根據外部信息進行實時決策的應用無能為力。目前很多的機器人焊接采用焊縫視覺跟蹤，也只能自動保持焊絲與焊縫的相對位置不變，但不能識別切口的形狀和管頭的高度，不能在焊接中途調整電流參數和焊槍距離，指所以不能滿足薄壁鈦管管頭焊接的要求。

三、技術方案

針對鈦管管頭形狀和高度不規則的特性，我們通過研究發現，可以利用三維信息控制技術來動態控制焊接，使問題得以解決。信息控制邏輯見圖2。

本技術的關鍵是利用三D攝像頭對換熱管的管頭進行三維分析，得到管頭模型信息參數，動態控制機器人的位置和姿態，并根據三維信息調用焊接數據包，動態設定氬弧焊機的焊接參數，實現薄壁鈦管管頭機器人自動焊接。技術方案如圖3所示。

焊接操作過程：

1）用六軸機器人的腕部法蘭安裝好氬弧焊機，把三D攝像機固定在支架上，連接好數據線，把六軸機器人與三D攝像機的信號同時連接到計算機。

2）編寫六軸機器人的運動程序，使氬弧焊機的焊槍鎢極移動到換熱管的正前方。

3）啟動三D攝像機，對換熱管的管頭進行三維分析。

4）計算機根據換熱管的管頭形狀和高度模型信息，動態控制六軸機器人的位置和姿態，并根據焊接數據包，動態設定氬弧焊機的焊接參數。

5）用計算機調用六軸機器人的焊接程序，使氬弧焊機對管板上的換熱管管頭進行自動焊接。焊接全過程設置氬氣氣壓報警裝置，在氣壓不足時自動停機并發出相應報警訊號。

四、應用前景

鈦管換熱器在中國沿海的使用量非常大，海邊的石油化工廠、火力發電廠和核電站常用的海水換熱器，如凝汽器、閉式水換熱器、油冷卻器，以及海水制鹽多效蒸發器、海水淡化裝置、船用換熱器等，大都使用鈦管。例如利用我國自主研發的第三代核電技術“華龍一號”建設的的福清核電站、巴基斯坦卡拉奇核電站，就使用了大量的鈦管換熱器。本技術可以解決鈦管換熱器工業生產中的技術瓶頸，使該行業擺脫對高水平焊工的依賴，提高作業自動化水平、提升產品的焊接效率和成形質量，將大大促進鈦管換熱器行業的技術進步。

參考文獻：

[1]工業機器人焊接關鍵技術分析及應用分析[J].楊宏偉，呂建新，王娜，張偉.電子世界.2021（03）

[2]中國工業機器人數據統計[J].梁文莉.機器人技術與應用.2015（02）

[3]焊接工業機器人的動力學研究[J].李琚陳，吳剛.西安文理學院學報（自然科學版）.2017（03）

[4]工業機器人在制造業中的應用[J].黃曉輝.信息記錄材料.2018（08）

[5]焊接機器人技術研究現狀與發展趨勢探索[J].張元良，顧俊。2017（26）

作者簡介：李權（1972.5- ），男，漢族，廣東茂名市人，本科/學士（東南大學），教授級高級工程師，研究方向為節能環保技術、壓力容器和熱交換器研發、工業機器人技術等。工作單位為廣東理工職業學院

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