1    序言

        焊接機(jī)器人是一種高度自動(dòng)化的焊接設(shè)備，是焊接自動(dòng)化的重要發(fā)展。它改變了剛性自動(dòng)焊接方式，開辟了一種新的柔性自動(dòng)焊接方法。另外，機(jī)器人代替手工焊接是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，可以提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低成本。另外，由于焊接環(huán)境惡劣，工人很難工作。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。盾構(gòu)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)集機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能[1]。盾構(gòu)具有自動(dòng)化程度高、施工速度快、施工過程中對(duì)地面建筑物及交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此，在地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程得到廣泛應(yīng)用[2]。盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、盾體、主驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、后配套等多個(gè)部件組成。主驅(qū)動(dòng)是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵核心部件，為刀盤提供支撐力及回轉(zhuǎn)動(dòng)力、傳遞刀盤推進(jìn)力。而驅(qū)動(dòng)箱是盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)件，用于承載主軸承、刀盤法蘭、減速機(jī)等其他部件，同時(shí)提供主軸承潤滑系統(tǒng)的齒輪油容納空間，為前部密封及油脂潤滑系統(tǒng)提供油脂通道[3]。

 

        隨著工業(yè)智能制造程度的深入，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為必然趨勢(shì)，而機(jī)器人焊接成為焊接技術(shù)自動(dòng)化的主要標(biāo)志[4]。機(jī)器人焊接具有提高焊接質(zhì)量、保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和均一性、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)。本文以CLOOS弧焊焊接機(jī)器人為基礎(chǔ)，建立盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)箱焊接工作站，探索研究機(jī)器人焊接參數(shù)，形成驅(qū)動(dòng)箱機(jī)器人焊接數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)箱機(jī)器人焊接，提高焊接質(zhì)量及效率，提升工業(yè)智能制造水平。

 

2     驅(qū)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)

        驅(qū)動(dòng)箱是由不同厚度的鋼板焊接形成的半封閉圓形箱體，如圖1所示，為刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其他組件提供安裝基座，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度要求很高，所以驅(qū)動(dòng)箱的焊縫質(zhì)量及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有非常重要的意義。

 

 

圖1  驅(qū)動(dòng)箱三維結(jié)構(gòu)

        驅(qū)動(dòng)箱人工焊接時(shí)，對(duì)于全熔透焊縫坡口背面需要碳弧氣刨清根，噪音及勞動(dòng)強(qiáng)度大，且驅(qū)動(dòng)箱環(huán)焊縫焊接時(shí)需要焊接人員對(duì)稱焊接，存在焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接速度慢、生產(chǎn)周期長的問題。

 

3    焊接工作站構(gòu)成

        驅(qū)動(dòng)箱是由多個(gè)厚板零件拼接而成的組焊件，需要進(jìn)行多層多道焊接，且為了減少焊接變形，焊縫應(yīng)對(duì)稱焊接，焊接過程驅(qū)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)件需要多次翻身。

 

       根據(jù)驅(qū)動(dòng)箱焊接結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)和要求分析，焊接工作站為雙機(jī)器人雙工位機(jī)器人焊接工作站，兩條平行的12m有效行程地面軌道上各安裝有一個(gè)三維伸縮臂，每套伸縮臂上配有一套七軸弧焊機(jī)器人，兩機(jī)器人可獨(dú)立工作或者一同工作，如圖2所示。弧焊機(jī)器人采用QRC-E-350型號(hào)關(guān)節(jié)型手臂機(jī)器人，其所有軸都有一個(gè)極大的旋轉(zhuǎn)范圍，使其具有非常大的靈巧性能和工作范圍。機(jī)器人的手臂設(shè)計(jì)細(xì)長而緊湊，且各軸的動(dòng)態(tài)性能高，保證了優(yōu)良的焊接精度、速度和可重復(fù)性。

圖2  焊接工作站三維布局圖

 

4    焊接關(guān)鍵技術(shù)

4.1  焊接方法

        機(jī)器人焊接工作站選用脈沖一元化QINEO Pulse A 600焊接電源，焊接方法為熔化極氣體保護(hù)焊，采用80%Ar+20%CO2的富氬混合氣體保護(hù)，氣體流量為15~25L/min；選用伊薩焊絲，型號(hào)為ISO 14341-A:G 46 4 M21 4Si1。

 

        機(jī)器人焊接系統(tǒng)中有五種焊接模式，即S-pluse（速度脈沖焊接）、Normal（普通焊接）、RAPID（深熔焊接）、RPCA（大間隙小參數(shù)焊接），焊接過程根據(jù)零件的板厚與坡口尺寸、組對(duì)間隙、焊接位置（打底/填充焊）等因素選擇焊接模式。

4.2  焊接試驗(yàn)

        根據(jù)驅(qū)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定機(jī)器人焊接工藝試驗(yàn)方案，試驗(yàn)件（T形焊接接頭）結(jié)構(gòu)如圖3所示，試驗(yàn)確定焊接參數(shù)。試驗(yàn)材料為Q355B，方案設(shè)計(jì)中針對(duì)背面焊縫不清根、焊接位置（橫焊/立焊）、不同鈍邊及組對(duì)間隙尺寸進(jìn)行焊接試驗(yàn)，其中鈍邊尺寸分別為0、2mm、5mm，組對(duì)間隙分別為0、2mm、5mm。焊前對(duì)坡口及其周邊100mm進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100~150℃。焊后對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波（UT）檢測(cè)，按照GB/T 11345 B級(jí)檢驗(yàn)、GB/T 29712 2級(jí)驗(yàn)收，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀腐蝕觀察。如圖4所示。

圖3  機(jī)器人焊接接頭坡口及試件

圖4  機(jī)器人焊接接頭宏觀金相

 

        根據(jù)焊接接頭的探傷結(jié)果及宏觀腐蝕觀察，分析試驗(yàn)過程中焊接接頭存在的缺欠。針對(duì)性優(yōu)化試驗(yàn)焊接參數(shù)，進(jìn)而得到驅(qū)動(dòng)箱機(jī)器人焊接數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵參數(shù)見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他焊接參數(shù)相同、且不進(jìn)行背面清根的條件下，鈍邊及組對(duì)間隙尺寸為2mm左右時(shí)，更易獲得探傷合格的全熔透焊接接頭。鈍邊尺寸過大、組對(duì)間隙過小時(shí)，打底焊縫熔透效果不佳，無法得到全熔透焊接接頭；鈍邊尺寸過小、組對(duì)間隙過大時(shí)，正面打底焊接時(shí)形成的焊縫金屬會(huì)過多地透過坡口背面，在背面坡口底部形成凸起，導(dǎo)致背面打底焊接時(shí)容易形成未熔合缺欠。

 

        在機(jī)器人焊接參數(shù)試驗(yàn)過程中，經(jīng)對(duì)焊接接頭超聲波探傷檢測(cè)及宏觀腐蝕觀察，接頭中較易出現(xiàn)的焊接缺欠是氣孔。氣孔產(chǎn)生的原因是氣體在熔化的焊縫金屬凝固過程中來不及逸出所造成的[5]。產(chǎn)生氣孔一般與氣體保護(hù)效果不好、環(huán)境風(fēng)速過大、氣體流量過小、氣體不純、干伸長度過長等因素有關(guān)。通過不同參數(shù)條件下焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人焊接試驗(yàn)過程中產(chǎn)生氣孔的主要原因是干伸長度、氣體流量不匹配。

 

        通過試驗(yàn)確定的干伸長度、氣體流量為：打底焊時(shí)干伸長度為（20±2）mm，填充/蓋面時(shí)干伸長度為18mm；氣體流量則應(yīng)根據(jù)坡口角度、焊接模式及噴嘴直徑調(diào)整，具體見表2。

 

5    焊縫傳感及跟蹤

        由于工件在制造、組對(duì)拼點(diǎn)過程中存在偏差等原因，驅(qū)動(dòng)箱部件的焊道會(huì)存在差異，所以焊接時(shí)不能直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫內(nèi)已編好的程序，需要采用噴嘴接觸傳感器、激光傳感器和電弧實(shí)時(shí)跟蹤等對(duì)焊接工件的組對(duì)拼點(diǎn)、坡口尺寸及定位偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保焊接質(zhì)量。

 

        噴嘴接觸傳感器是通過噴嘴接觸工件，瞬間短路形成電流回路信號(hào)，經(jīng)傳感器發(fā)送回機(jī)器人，記錄工件接觸點(diǎn)的位置。重復(fù)接觸工件三個(gè)面，可獲得工件的坐標(biāo)位置。利用噴嘴接觸傳感器可得到坡口位置、方向及起始點(diǎn)，從而獲得當(dāng)前焊縫的位置信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

 

        激光遠(yuǎn)距離傳感是激光以一定的角度發(fā)射到工件表面并反射，傳感單元接收到反射光束并計(jì)算工件高度和輪廓。機(jī)器人通過激光傳感測(cè)量結(jié)果判斷工件位置，分析修正，最終獲得優(yōu)化的焊縫位置。

 

        電弧實(shí)時(shí)跟蹤是通過焊絲干伸長控制，對(duì)工件制造、組對(duì)拼點(diǎn)及焊接過程的變形等所造成的工件坡口及焊接線的誤差，進(jìn)行迅速精確和動(dòng)態(tài)地做出反應(yīng)、修正軌跡，保證焊槍運(yùn)行在焊道的中央、且與焊道的根部保持確定的高度。

 

6    驅(qū)動(dòng)箱焊接

        根據(jù)驅(qū)動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保證焊縫可達(dá)性及焊接空間，制定驅(qū)動(dòng)箱拼點(diǎn)焊接順序。焊接過程中驅(qū)動(dòng)箱零件分多次組對(duì)拼點(diǎn)，工件組對(duì)間隙保證在2mm左右。

 

        驅(qū)動(dòng)箱拼點(diǎn)焊接順序?yàn)椋汉附有》ㄌm連接焊縫→焊接部分筋板焊縫→焊接大法蘭連接焊縫→焊接筋板剩余焊縫→焊接減速機(jī)座焊縫。為保證大、小法蘭連接環(huán)焊縫的質(zhì)量，法蘭之間的筋板分兩次進(jìn)行組對(duì)焊接。如圖5所示。

 

         為控制焊接變形，筋板和環(huán)焊縫同時(shí)焊接時(shí)，應(yīng)先將筋板打底焊接，再依次焊接環(huán)筋外環(huán)焊縫、筋板剩余焊縫、環(huán)筋內(nèi)環(huán)焊縫。

 

圖5  驅(qū)動(dòng)箱機(jī)器人焊接

        驅(qū)動(dòng)箱零件組對(duì)拼點(diǎn)后，進(jìn)行定位焊接，由于焊接機(jī)器人正式焊接時(shí)不能有效識(shí)別定位焊縫，若定位焊縫尺寸較大，焊接容易產(chǎn)生缺欠。因此，在正式焊接前需要對(duì)定位焊縫兩端10~15mm打進(jìn)行磨處理，圓滑過渡，保證能夠與正式焊縫良好結(jié)合。定位焊縫要求焊透，不允許存在裂紋、未熔合、氣孔等缺欠。

 

        對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度100~150℃；焊接參數(shù)見表1。焊接過程中，噴嘴接觸傳感器、激光傳感器和電弧實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)焊縫位置進(jìn)行定位及實(shí)時(shí)跟蹤，確保焊縫的焊接質(zhì)量。如圖6為機(jī)器人焊接驅(qū)動(dòng)箱的環(huán)焊縫圖。

圖6  驅(qū)動(dòng)箱機(jī)器人焊接環(huán)焊縫圖

        該焊接工作站實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)箱部件的自動(dòng)化焊接，焊縫成形美觀，焊接穩(wěn)定性高。且全熔透焊縫在背面坡口不進(jìn)行碳弧氣刨清根處理的條件下，單面焊雙面成形，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

7    結(jié)束語   

        1）根據(jù)盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)箱部件的焊接特點(diǎn)，以CLOOS弧焊機(jī)器人為核心，研制出盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)箱部件自動(dòng)化焊接工作站；

        2）針對(duì)驅(qū)動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)機(jī)器人焊接試驗(yàn)方案，對(duì)T形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件進(jìn)行焊接試驗(yàn)及分析，得到驅(qū)動(dòng)箱機(jī)器人焊接數(shù)據(jù)庫；

        3）利用焊接機(jī)器人焊縫位置的傳感及實(shí)時(shí)跟蹤等功能，所研制的焊接工作站實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)箱部件的自動(dòng)化焊接，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了焊接穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 馬偉江.盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)箱焊接工藝[J].金屬加工（熱加工），2019(9)：33-34.

[4] 張冬梅. 基于動(dòng)力學(xué)的移動(dòng)焊接機(jī)器人建模與焊縫跟蹤研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

來源：金屬加工（熱加工）