基于機(jī)器人視覺(jué)的風(fēng)管彎頭焊接工藝研究

劉金平，陳鵬，王象元，馮英超，潘國(guó)偉，董赟華，張健，李作慧

1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101300

1 序言

根據(jù)國(guó)家“十四五”規(guī)劃和“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)，核電行業(yè)將迎來(lái)新的快速增長(zhǎng)。核電領(lǐng)域的企業(yè)只有通過(guò)加大科研能力和科技成果應(yīng)用，提升實(shí)效，降低成本，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，才能繼續(xù)保持行業(yè)領(lǐng)先地位。對(duì)中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中核二三公司”）來(lái)說(shuō)，面臨的既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)“雙碳”目標(biāo)，中核二三公司大力推廣自動(dòng)化焊接技術(shù)，以推動(dòng)先進(jìn)焊接施工技術(shù)的應(yīng)用與普及。項(xiàng)目部通過(guò)梳理現(xiàn)場(chǎng)施工量發(fā)現(xiàn)，風(fēng)管預(yù)制具有數(shù)量多、規(guī)格少、結(jié)構(gòu)及焊接工藝相對(duì)簡(jiǎn)單但焊接質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，具備采用自動(dòng)化焊接設(shè)備的條件。

為此，本文將對(duì)VVER堆型風(fēng)管彎頭智能化焊接技術(shù)進(jìn)行研究，采用集成式智能化焊接裝備配套風(fēng)管彎頭自動(dòng)焊工藝，提高公司焊接自動(dòng)化水平，在一定程度上實(shí)現(xiàn)縮短施工周期、降低施工成本的目的。此外，在創(chuàng)造可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，提升企業(yè)品牌價(jià)值，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某核電站3號(hào)、4號(hào)機(jī)組碳素鋼風(fēng)管展開(kāi)面積超4萬(wàn)m2，比第一代俄標(biāo)田灣核電站3號(hào)、4號(hào)機(jī)組多出近1萬(wàn)m2，風(fēng)管對(duì)接和彎頭數(shù)量多，且每個(gè)彎頭包含多條焊縫。

2 風(fēng)管彎頭焊接簡(jiǎn)介

2.1 風(fēng)管自動(dòng)焊技術(shù)

目前，中核二三公司自主研發(fā)的非核級(jí)風(fēng)管直焊縫MAG自動(dòng)焊技術(shù)于2020年3月首次應(yīng)用于核電建造安裝領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)管焊接在效率和質(zhì)量上質(zhì)的飛躍。以某項(xiàng)目部應(yīng)用情況為例，非核級(jí)風(fēng)管自動(dòng)焊效率比手工焊提升5倍以上，焊接合格率均在98%以上。應(yīng)用范圍涵蓋φ200～φ1000mm、板厚2～3mm的風(fēng)管預(yù)制長(zhǎng)直縱焊縫。

雖然風(fēng)管自動(dòng)焊技術(shù)在項(xiàng)目上得到了成功應(yīng)用，效率得到明顯提升（見(jiàn)表1），但僅適用于長(zhǎng)直風(fēng)管對(duì)接焊縫，并未覆蓋圓風(fēng)管環(huán)焊縫、彎頭環(huán)焊縫和方風(fēng)管角焊縫等[1]，導(dǎo)致風(fēng)管自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用覆蓋率較低。

2.2 風(fēng)管彎頭信息統(tǒng)計(jì)

經(jīng)焊接數(shù)據(jù)分析，風(fēng)管焊接中彎頭的困難程度最大，因此本文將針對(duì)風(fēng)管彎頭進(jìn)行工藝研究。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某核電站3號(hào)、4號(hào)機(jī)組碳素鋼風(fēng)管彎頭的長(zhǎng)度大部分為1500mm以?xún)?nèi)，直徑為200～800mm，厚度大部分為1.5mm、2mm（見(jiàn)圖1）。

表1 某項(xiàng)目非核級(jí)風(fēng)管焊接效率對(duì)比

圖1 風(fēng)管彎頭示意

2.3 風(fēng)管彎頭組對(duì)形式

如圖2所示，風(fēng)管焊縫主要為對(duì)接I形坡口，采用單面焊雙面成形工藝，組對(duì)間隙為0～1mm。

圖2 風(fēng)管坡口形式

2.4 自動(dòng)焊風(fēng)管彎頭預(yù)制流程

自動(dòng)焊風(fēng)管彎頭預(yù)制流程：先決條件檢查→劃線下料→剪切→折方或卷圓→組對(duì)→自動(dòng)焊接（風(fēng)管自轉(zhuǎn)）→框架加固→清理焊縫→焊后無(wú)損檢測(cè)[2]。

3 弧焊機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)

選用安川AR2010機(jī)器人，其具有以下特點(diǎn)：重復(fù)定位精度高，誤差為±0.08m m，動(dòng)態(tài)范圍2010mm；適用于弧焊，預(yù)留通信接口，并能與常用焊接電源和激光傳感器等通信。

選用松下YD-350GS系列焊接電源進(jìn)行風(fēng)管彎頭MAG自動(dòng)焊單面焊雙面成形工藝的研究。該系列焊接電源具有以下特點(diǎn)：數(shù)字焊接電源，最大焊接電流350A，且能適用于不同厚度的碳素鋼、不銹鋼材料焊接；具有專(zhuān)門(mén)針對(duì)用戶(hù)焊接材料的專(zhuān)家程序；配備高速脈沖軟件；焊接效率高，熔深大，飛濺小，焊縫成形美觀；預(yù)留數(shù)字通信接口，精準(zhǔn)控制焊接參數(shù)。

視覺(jué)傳感器需完成圓風(fēng)管對(duì)接環(huán)焊縫識(shí)別和圓風(fēng)管彎頭內(nèi)外角焊縫的高速識(shí)別，選用型號(hào)為DRROBOT-LT01的視覺(jué)傳感器，主要參數(shù)見(jiàn)表2，可識(shí)別焊縫形式如圖3所示。

表2 DR-ROBOT-LT01視覺(jué)傳感器主要參數(shù)

圖3 DR-ROBOT-LT01視覺(jué)傳感器可識(shí)別焊縫形式

4 焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響研究

4.1 材料及工藝選擇

試驗(yàn)選用Q235B碳素鋼板材，焊接材料為碳素鋼實(shí)芯焊絲ER50-6（GB/T 8110—2008），規(guī)格φ 1.0m m，母材力學(xué)性能見(jiàn)表3，E R50-6的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表4、表5。保護(hù)氣體選用80%Ar+20%CO2混合氣體。

本文選用智能焊接機(jī)器人匹配專(zhuān)用工裝進(jìn)行工藝的研發(fā)，因此焊接位置為平焊位置，并采用單一變量法進(jìn)行工藝試驗(yàn)理論分析研究[3]。

表3 Q235B碳素鋼力學(xué)性能 （MPa）

表4 ER50-6化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 ER50-6力學(xué)性能

4.2 焊接電流對(duì)焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對(duì)接試板，在同一組對(duì)條件下，采用單一變量的方式研究焊接電流對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置的單面焊雙面成形時(shí)，在電弧電壓為17V、焊接速度為0.8m/min、組對(duì)間隙為0.5mm的情況下，焊接電流在90～170A內(nèi)變化。不同焊接電流下焊縫正面宏觀形貌如圖4所示，焊縫背面宏觀形貌如圖5所示。

4.3 電弧電壓對(duì)焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對(duì)接試板，在同一組對(duì)條件下，采用單一變量的方式研究電弧電壓對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置單面焊雙面成形時(shí)，在焊接電流為110A、焊接速度為0.8m/min、組對(duì)間隙為0.5mm的情況下，電弧電壓在13～23V內(nèi)變化。不同的電弧電壓下焊縫正面宏觀形貌如圖6所示，焊縫背面宏觀形貌如圖7所示。

4.4 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對(duì)接試板，在同一組對(duì)條件下，采用單一變量的方式研究焊接速度對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置單面焊雙面成形時(shí)，在焊接電流為110A、電弧電壓為19.2V、組對(duì)間隙為0.5mm的情況下，焊接速度在0.4～1.4m/min之間變化。不同焊接速度下的焊縫正面宏觀形貌如圖8所示，焊縫背面宏觀形貌如圖9所示。

圖4 不同焊接電流下的焊縫正面宏觀形貌

圖5 不同焊接電流下的焊縫背面宏觀形貌

圖6 不同電弧電壓下的焊縫正面宏觀形貌

圖7 不同電弧電壓下的焊縫背面宏觀形貌

圖8 不同焊接速度下的焊縫正面宏觀形貌

4.5 組對(duì)間隙對(duì)焊縫成形的影響

選用厚度為1.5mm的對(duì)接試板，在同一焊接參數(shù)條件下，采用單一變量的方式研究組對(duì)間隙對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。平焊位置單面焊雙面成形時(shí)，在焊接電流為110A、電弧電壓為19.2V、焊接速度為1.0m/min時(shí)，組對(duì)間隙在0～2mm內(nèi)變化。不同組對(duì)間隙下焊縫正背面宏觀形貌分別如圖10、圖11所示。

4.6 小結(jié)

通過(guò)對(duì)1.5mm風(fēng)管平板開(kāi)展對(duì)接試驗(yàn)，分析了焊接電流、電弧電壓、焊接速度和組對(duì)間隙對(duì)焊縫外觀形貌的影響規(guī)律，并確定了風(fēng)管1G位置對(duì)接最佳焊接參數(shù)。當(dāng)焊接電流為100～140A、電弧電壓為17～23V、焊接速度為0.6～1.2m/min、組對(duì)間隙為0～1.0mm時(shí)，焊接過(guò)程最穩(wěn)定，焊縫成形最好，可為后續(xù)對(duì)接試件的熱輸入探究提供參數(shù)范圍值與理論研究依據(jù)。

圖9 不同焊接速度下的焊縫背面宏觀形貌

圖10 不同組對(duì)間隙下的焊縫正面宏觀形貌

5 焊接參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

5.1 1.5mm厚風(fēng)管試板焊接熱輸入對(duì)力學(xué)性能的影響

針對(duì)厚度為1.5m m的試板，在熱輸入為11～32kJ/cm內(nèi)等梯度選取8個(gè)試件，各進(jìn)行2次常溫拉伸試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)分析其抗拉強(qiáng)度，見(jiàn)表6。依據(jù)ПЭНАГ-7-010—1989《核動(dòng)力裝置的設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊層的檢驗(yàn)規(guī)程》，要求抗拉強(qiáng)度≥460MPa。

由表6可知，熱輸入為11kJ/cm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為440MPa，低于要求值，且斷在熱影響區(qū)位置。由此表明，當(dāng)熱輸入＜14kJ/cm時(shí)，出現(xiàn)焊接力學(xué)性能不合格的概率增加；當(dāng)熱輸入為14～32kJ/cm時(shí)，在該范圍內(nèi)隨熱輸入的增大，抗拉強(qiáng)度上下浮動(dòng)范圍較小，均為512～536MPa，拉伸性能無(wú)明顯變化。因此，焊接熱輸入取值最好為14～32kJ/cm。

表6 1.5mm厚風(fēng)管不同熱輸入下的焊接參數(shù)

5.2 2.0mm厚風(fēng)管試板焊接熱輸入對(duì)力學(xué)性能的影響

針對(duì)厚度為2.0m m的試板，在熱輸入為12～36kJ/cm內(nèi)等梯度選取8個(gè)試件，各進(jìn)行2次常溫拉伸試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)分析其抗拉強(qiáng)度值，見(jiàn)表7。依據(jù)ПЭНАГ-7-010—1989《核動(dòng)力裝置的設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊層的檢驗(yàn)規(guī)程》，要求抗拉強(qiáng)度≥460MPa。

表7 2.0mm厚風(fēng)管不同熱輸入下的焊接參數(shù)

由表7可知，當(dāng)熱輸入為12～36kJ/cm時(shí)，在該范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度呈先增加后穩(wěn)定最后降低的趨勢(shì)。在熱輸入為12kJ/cm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為416MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，且斷在焊縫處，出現(xiàn)部分氣孔及夾渣現(xiàn)象。在熱輸入為16～32kJ/cm時(shí)，隨著熱輸入的增大，抗拉強(qiáng)度上下浮動(dòng)范圍較小，其拉伸性能無(wú)明顯變化。當(dāng)熱輸入為36kJ/cm時(shí)，抗拉強(qiáng)度略有下降，但仍高于要求值。因此，基于穩(wěn)定性考慮，焊接熱輸入最好選擇16～32kJ/cm。

5.3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)1.5mm和2.0mm厚的試板進(jìn)行焊接熱輸入與拉伸性能的影響規(guī)律分析，得出最佳的熱輸入范圍值，1.5mm厚風(fēng)管對(duì)接接頭的最佳焊接熱輸入為14～32kJ/cm，2.0mm厚風(fēng)管對(duì)接接頭的最佳焊接熱輸入為16～32kJ/cm。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)選用合適的焊接電源和焊接機(jī)器人，引入智能焊縫視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)并自主設(shè)計(jì)風(fēng)管彎頭專(zhuān)用工裝，解決了風(fēng)管彎頭復(fù)雜工件的焊接路徑規(guī)劃問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了VVER堆型風(fēng)管彎頭自動(dòng)焊工藝?yán)碚撗芯?，得出焊縫雙面成形好、質(zhì)量?jī)?yōu)的焊接參數(shù)范圍，驗(yàn)證了研發(fā)工藝的適用性，成功研發(fā)出風(fēng)管彎頭智能化自動(dòng)焊工藝。