大型閥門環形焊縫變姿態焊接路徑規劃

何天英，余圣甫，王雄文，王洪運

（1.華中科技大學，材料成形與模具國家重點實驗室，武漢 430000；2.湖北洪城通用機械有限公司，湖北 荊州 434000）

0 前言

在化工、能源、電力等眾多行業中，閥門是重要的結構件，其中大型蝶閥以其良好的性能也獲得了廣泛的應用[1-3]。目前大型蝶閥的焊接，主要有手工電弧焊、埋弧焊等焊接方法[4]。并且許多研究人員關注中厚板蝶閥焊接工藝參數優化、接頭形式改良以及開發新的焊接工藝方法等。辛海波等人[5]利用正交試驗的方法對20 mm 厚的Q420E 鋼焊接工藝參數進行優化，得到了其最佳焊接工藝窗口。葉建雄等人[6]基于神經網絡與全局尋優算法研究了焊接工藝參數優化方法，可得到不同焊接工藝下的最優焊接工藝組合。柳紅衛等人[7]提出了一種中厚板埋弧焊時的高效焊接工藝方法，通過采用直徑較大的絲材，使用較高的焊接電流，可實現中厚板不開坡口焊接，提高了焊接質量與焊接效率。在簡化焊接工藝方面，雙面雙弧焊[8]可以免去焊后清根等中間工序，極大的簡化了焊接工藝。通過窄間隙焊接[9]的方法減少焊接接頭截面積，進而減少焊接熔覆量與道次，提高焊接效率。目前，閥門的焊接方法勞動強度大、焊接接頭質量穩定性差、自動化程度較低，無法滿足大型蝶閥構件的高效率、湖北省揭榜制科技項目（2019AEE 021）高質量焊接的需求。

隨著工業機器人技術的發展，機器人焊接技術逐漸取代手工焊接技術。郝福江等人[10]利用松下弧焊機器人，采用三元混合保護氣對壓縮機蓋板上的環形焊縫進行焊接，實現了120 cm/min 的高速焊接。馬輝等人[11]研究了焊接機器人在冶金閥門制造中的應用，可獲得焊接穩定性高、質量良好的焊縫。機器人焊接提高了勞動生產率、改善了勞動條件，在保證焊接質量的前提下降低了生產成本[12]。目前，弧焊機器人在焊接過程中大多采用在線示教法，示教過程中需要手工調制焊接路徑和起弧熄弧點位置，同時在前一道焊縫焊接完成前無法對下一道焊縫進行示教[13]。對于中厚板的多層多道焊接，示教編程會極大的降低生產效率。因此，在使用機器人焊接蝶閥中的環形焊縫時，需要對其多層多道路徑進行自動規劃，在保證焊接質量的同時提高焊接效率。

文中采用6 軸機器人與2 軸變位機協同的機器人焊接裝備對蝶閥構件進行焊接；通過建立大型蝶閥環形角焊縫K 形坡口機器人多層多道焊接路徑規劃模型，計算了不同位置焊縫的焊槍位置、焊槍角度參數，避免了焊接過程中的碰撞，實現了環形角焊縫多層多道路徑離線規劃。最終對蝶閥構件中的環形角焊縫進行焊接，并對其接頭的力學性能與微觀組織進行分析。

1 試驗方法

大型閥門及其環形焊縫機器人焊接裝備包括機器人、福尼斯弧焊電源與雙軸變位機。裝備尺寸如圖1 所示，蝶閥法蘭與筒體組成，在蝶閥連接處開有雙面K 形坡口，坡口角度均為60°，外側坡口深度20 mm，內側坡口深度10 mm，所使用的金屬絲材為直徑1.2 mm 的藥芯絲材，其成分見表1。采用上述裝備焊接閥門環形角焊縫，首先焊接環形焊縫外側坡口，然后使用袒護氣刨對內側坡口清根，最后填充內側坡口。當閥門焊接完成后，區金相試樣對其組織進行分析；取力學性能試樣，用W300B 型萬能試驗機和JB-300B 沖擊試驗機，對室溫拉伸和-20 ℃沖擊力學性能進行測量。

表1 焊絲堆積金屬與母材化學成分(質量分數，%)

圖1 大型閥門及其環形焊縫機器人焊接裝備尺寸圖

2 閥門環形焊縫多層多道路徑規劃

目前，弧焊機器人在焊接生產中大多采用在線示教法。示教過程需要手工調整焊接路徑與起弧點、息弧點位置，同時，在前一道焊縫焊接完成之前無法對下一道焊縫進行示教。中厚板多采用開坡口多層多道焊接，對于多層多道焊接來說，在每一條焊道焊接前進行示教將大大降低生產效率。

2.1 焊槍位置計算

閥門環形焊縫K 形坡口橫截面填充如圖2 所示。設板厚為L，外側坡口深度為L1，外側坡口角度為θ，外側坡口高度為H，假設法蘭和筒體在焊接過程中完全拘束，建立如圖2(a)所示的坐標系。采用等高圓弧填充策略規劃多層多道焊接路徑，其中每一道填充焊縫的高度均相等，設為h；焊縫邊緣采用圓弧擬合，如圖2(b)所示。第1 層第1 道焊縫采用半徑為h，圓心角為θ的扇形擬合；第2 層及以上的初始焊縫采用等腰弧形梯形擬合，中間焊縫及最末焊縫采用扇環擬合。不同形狀、不同位置的焊縫的焊槍位置如圖3所示，圖中實心點表示起弧位置，對于扇形焊縫，焊槍位于扇形圓弧中心處，焊槍方向沿圓弧中軸線，如圖3(a)所示；對于等腰弧形梯形，焊槍位移弧形梯形底邊圓弧中心處，焊槍沿弧形梯形中軸線，如圖3(b)所示；對于扇環焊縫，焊槍位于扇環頂點處，焊槍沿扇環中線傾斜，如圖3(c)所示。

圖2 閥門環形焊縫橫截面填充

圖3 焊槍位姿與起弧點位置示意圖

等高圓弧填充策略首先需要根據焊接材料與工藝參數確定每一層焊縫的高度h，然后根據坡口尺寸計算出坡口填充所需要的總層數。因此將焊縫形狀簡化成扇形、等腰圓弧梯形與扇環，確定堆積層高和堆積層數之后，每一道焊縫的截面積也隨之確定。最后通過坡口總截面積與每一道焊縫的截面積既可計算出填充外側坡口所需要的焊縫總層數與總道數。焊接路徑規劃流程圖如圖4 所示。

圖4 焊接路徑規劃流程圖

如圖2(b)所示，坡口中需要填充的面積為圓心角為θ，半徑為坡口斜邊長度的扇形，則坡口總面積為

如圖3 所示，坡口填充焊縫中3 種不同形狀的焊縫截面積計算式為

假設坡口填充時焊接層數為n，扇形焊縫有且僅有1 道；圓弧梯形焊縫有n-1 道；扇環焊縫有n(n-1)/2道，則所有填充焊縫的截面之和的計算式為

將式（2）～式（4）代入式（5）中，即可計算出填充焊縫的總面積與堆積層數n之間的數學關系，為

為了保證坡口被填充焊縫填充完畢，并且填充焊縫不會過多導致坡口產生凸起余高，因此堆積層數n必須滿足以下關系，且取滿足條件的最小整數。

按照上述方法即可計算出填充蝶閥環形焊縫外側坡口所需的填充焊縫堆積層數n，即確定了扇形焊縫1 條，等腰圓弧梯形焊縫n-1 條，扇環焊縫n(n-1)/2 條。

多層多道焊接坡口的焊槍的起弧點位置如圖3中標記位置所示，對于扇形焊縫，焊槍在其圓弧中心處；對于等腰梯形焊縫，焊槍在其底部圓弧中心處；對于扇環焊縫，焊槍位于焊縫頂點處。設坡口最深處的頂點A 的坐標為（x1，y1，z1），則根據等高圓環填充策略可以計算出每一道焊縫的焊槍位置Pnj的坐標值。通過計算可得第n層第j道焊縫的焊槍位置的y坐標和焊槍位置的x坐標式為

2.2 焊槍角度計算

為了保證每一道焊縫都具有良好的成形，焊槍在焊接時必須具有一定的傾角。對于等高圓弧填充路徑規劃策略中的3 種不同擬合形狀的焊縫，焊槍的角度并不一致。

在實際焊接中焊槍的傾角示意圖如圖5～圖6所示。當焊接第一層第一道時，焊槍傾斜角度與水平面的夾角為θ/2，此時焊絲方向沿扇形中軸線，如圖6(a)所示。當焊接第二層第一道時，焊槍傾斜角度與水平面的夾角為θ/4，此時焊絲方向沿等腰圓弧梯形中軸線；當焊接第2 層第2 道時，焊槍傾斜角度與水平面的夾角為θ/4，此時焊絲方向沿扇環對角線，如圖6(b)所示。當焊接第3 層與第4 層時，焊槍傾斜角度均為θ/4，焊絲方向分別沿等腰圓弧梯形中軸線與扇環對角線，如圖6(c)、圖6(d)所示。

圖5 坡口道次圖

圖6 多層多道焊接的焊槍傾角示意

在厚板坡口內焊接時，焊槍易于坡口側壁產生干涉碰撞，焊槍的可達性較差。在蝶閥環形角焊縫坡口焊接時，焊槍在焊接每一層的起始焊縫與終止焊縫易于與坡口側壁發生干涉，因此在按照圖6 所示的焊槍傾角進行焊接前，需要對起始焊縫與終了焊縫的焊槍傾角進行一定的修正。焊槍修正模型示意圖如圖7 所示，當焊槍噴嘴邊緣恰好與坡口下側接觸時，此時為焊槍的傾斜臨界角，設此時的焊槍傾角為α，焊絲伸出長度為L干，噴嘴直徑為D。根據2.1 章節中的計算此時焊絲末端的坐標Pnj（xP，yP，zP），計算可知噴嘴處M 點的坐標為xM=xP+L干sinα，yM=yP+L干cosα。并且此時M 點到y軸的距離為的D/2。因此，傾角必須滿足式（9）的關系，并依此計算出焊槍的臨界傾角。

圖7 焊槍干涉示意圖

當焊槍實際傾角θ/4 大于α，則焊槍不會發生干涉；當焊槍實際傾角小于α，則焊槍會發生碰撞干涉，此時焊槍需逆時針旋轉δ角，且δ=α-θ/4。

2.3 焊槍擺動幅度計算

在焊接過程中增加焊槍擺動，可以有效增加焊縫寬度，避免焊縫成形不均勻的現象；同時焊槍擺動可以改變單道焊縫的寬高比，降低寬高比，有利于多層多道搭接，減少搭接缺陷。在擺動過程中，擺動幅度必須合適，當擺動幅度過大時，焊槍與坡口側壁發生碰撞干涉，當擺動幅度過小，會形成側壁未熔合缺陷，因此對于蝶閥環形角焊縫的焊接必須規劃一個合適的擺動幅度，如圖8 所示。

圖8 不同形狀焊縫擺動幅度示意圖

在等高圓弧填充策略中，對于扇形焊縫，焊槍位于其中軸線，擺動幅度如圖8(a)所示，其擺幅取扇形半徑h/2 處的長度。因此扇形焊縫的擺幅R為

對于等腰圓弧梯形焊縫，焊槍位于其中軸線，擺動幅度如圖8(b) 所示，其擺動幅度取等腰圓弧梯形高度h/2 處的寬度。因此等腰圓弧梯形的擺幅R為

對于扇環焊縫，焊槍位于其對角線，擺動幅度如圖8(c)所示，其擺動幅度取扇環對角線長度。因此扇環焊縫的擺幅R為

2.4 焊槍擺動幅度計算

通過上述計算可得焊絲末端的位置坐標，焊槍傾角。蝶閥環形焊縫在焊接過程中，焊槍在固定區域進行勻速擺動，蝶閥構件安裝在變位機上，變位機勻速旋轉，對內外側坡口進行焊接。為了實現蝶閥環形焊縫的機器人自動焊接，需要將焊絲末端坐標、焊槍傾角、變位機實時轉動角與轉速轉換為機器人可識別的程序。焊接試驗平臺中的機器人中$WORLD為世界坐標系，$ROBROOT 為足部坐標系，$BASE 為用戶坐標系，$TOOL 為工具坐標系。

機器人的運動指令為

式中：x，y，z為機器人TCP 的實時坐標，即焊絲末端坐標；A，B，C為機器人工具坐標系相對于用戶坐標系的旋轉角，A為繞x軸的轉角，B為繞y軸的轉角，C為繞z軸的轉角；E1，E2為變位機的實時翻轉角與回轉角。在試驗開始前，通過控制機器人六軸使得工具坐標系與用戶坐標系重合，此時A，B，C的初始值均為0。由圖6 可以看出焊槍在不同道次時均是繞著z軸旋轉，因此在程序中將C值置為焊槍傾角即可實現焊槍姿態變化。E1為翻轉角，此時蝶閥構件水平放置，因此E1為0；通過控制E2的實時角度和轉速即可實現蝶閥構件的焊接速度的控制。

3 閥門環形焊縫焊接及組織性能

采用上述等高圓弧填充策略對蝶閥環形角焊縫進行多層多道路徑規劃，并進行焊接試驗，通過對焊接接頭的質量來驗證路徑規劃方式的可靠性。焊絲采用直徑為1.2 mm 的ER50-6，保護氣體為80%Ar +20%CO2，氣體流量為15 L/min。焊接過程中，筒體和法蘭均固定拘束，減小焊接變形。

3.1 閥門環形焊縫焊接

在焊接前，首先沿著環形焊縫圓周方向間隔60°對圓筒和法蘭進行點焊固定；隨后使用等高圓弧填充策略對坡口外側進行焊接；然后使用碳弧氣刨從內側坡口進行清根打磨；最后使用等高圓弧填充策略對內側坡口進行焊接，完成蝶閥環形坡口的焊接。

蝶閥環形焊縫焊接過程中，外側坡口焊接完畢后進行清根打磨，然后進行內側坡口的焊接，最終形成環形角焊縫。按照等高圓弧填充策略可以實現蝶閥角焊縫的焊接，焊縫表面質量良好，無表面缺陷，焊接過程穩定，無槍體干涉碰撞情況發生。

3.2 焊縫組織與性能

從蝶閥環形焊縫焊接接頭中取樣制作金相試樣觀察焊縫組織，圖9 為500 倍放大倍數下的焊縫組織圖像，微觀組織由鐵素體和珠光體組成，組織晶粒為細小的等軸晶，平均晶粒尺寸約為10 μm。小晶粒尺寸提供了更大面積的晶界，依據Hall-Petch 公式，平均晶粒尺寸的減小，提升了焊縫的強度，且等軸晶具有各向同性的特點，因此焊接接頭具有較高的力學性能，焊接接頭的拉伸和沖擊試驗結果見表2。機器人自動化蝶閥焊接接頭的抗拉強度為536 MPa，屈服強度為468 MPa，斷后伸長率為14%，0 ℃沖擊吸收能量為36 J。焊接接頭經過超聲探傷，其焊縫合格率為100%。因此焊接接頭的性能滿足閥門使用需求。

表2 焊接接頭力學性能

4 結論

（1）基于等高圓弧填充路徑規劃策略建立了大型閥門環形焊縫的多層多道焊接路徑規劃，可以實現機器人閥門焊接中的離線編程，避免了焊接過程中的機器人干涉碰撞，提高了大型閥門的焊接效率。

（2）對于閥門角焊縫K 形坡口，將焊縫擬合成扇形焊縫、等腰圓弧梯形焊縫與扇環焊縫，分別計算出每一道焊縫的焊槍位置、焊槍角度、擺動幅度，并對焊縫進行干涉判斷，計算其偏轉角，實現了閥門變姿態焊接。

（3）實現了大型蝶閥的焊接，焊接接頭表面平面，無裂紋、未熔合的缺陷。焊接接頭組織由珠光體和鐵素體組織，晶粒細小均勻，其抗拉強度為536 MPa，屈服強度為468 MPa，斷后伸長率為14%，0 ℃沖擊吸收能量為36 J。經過超聲探傷，其缺陷合格率為98%，焊接接頭性能滿足使用需求。