1    序言

        焊接機器人是一種高度自動(dòng)化的焊接設備，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(kāi)辟了一種新的柔性自動(dòng)焊接方法。另外，機器人代替手工焊接是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢，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。焊接機器人的出現解決了這個(gè)問(wèn)題。盾構是一種隧道掘進(jìn)的專(zhuān)用工程機械，現代盾構機集機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開(kāi)挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能[1]。盾構具有自動(dòng)化程度高、施工速度快、施工過(guò)程中對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用[2]。盾構機主要由刀盤(pán)、盾體、主驅動(dòng)、螺旋輸送機、管片拼裝機、后配套等多個(gè)部件組成。主驅動(dòng)是盾構機的關(guān)鍵核心部件，為刀盤(pán)提供支撐力及回轉動(dòng)力、傳遞刀盤(pán)推進(jìn)力。而驅動(dòng)箱是盾構機主驅動(dòng)的主要結構件，用于承載主軸承、刀盤(pán)法蘭、減速機等其他部件，同時(shí)提供主軸承潤滑系統的齒輪油容納空間，為前部密封及油脂潤滑系統提供油脂通道[3]。

 

        隨著(zhù)工業(yè)智能制造程度的深入，實(shí)現焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為必然趨勢，而機器人焊接成為焊接技術(shù)自動(dòng)化的主要標志[4]。機器人焊接具有提高焊接質(zhì)量、保證焊接質(zhì)量的穩定性和均一性、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弧焊焊接機器人為基礎，建立盾構機驅動(dòng)箱焊接工作站，探索研究機器人焊接參數，形成驅動(dòng)箱機器人焊接數據庫，實(shí)現驅動(dòng)箱機器人焊接，提高焊接質(zhì)量及效率，提升工業(yè)智能制造水平。

 

2     驅動(dòng)箱結構

        驅動(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(pán)驅動(dòng)系統的其他組件提供安裝基座，對結構的剛度和強度要求很高，所以驅動(dòng)箱的焊縫質(zhì)量及結構強度安全對刀盤(pán)驅動(dòng)系統具有非常重要的意義。

 

 

圖1  驅動(dòng)箱三維結構

        驅動(dòng)箱人工焊接時(shí)，對于全熔透焊縫坡口背面需要碳弧氣刨清根，噪音及勞動(dòng)強度大，且驅動(dòng)箱環(huán)焊縫焊接時(shí)需要焊接人員對稱(chēng)焊接，存在焊縫質(zhì)量不穩定、焊接速度慢、生產(chǎn)周期長(cháng)的問(wèn)題。

 

3    焊接工作站構成

        驅動(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，焊縫應對稱(chēng)焊接，焊接過(guò)程驅動(dòng)箱結構件需要多次翻身。

 

       根據驅動(dòng)箱焊接結構尺寸特點(diǎn)和要求分析，焊接工作站為雙機器人雙工位機器人焊接工作站，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器人，兩機器人可獨立工作或者一同工作，如圖2所示?；『笝C器人采用QRC-E-350型號關(guān)節型手臂機器人，其所有軸都有一個(gè)極大的旋轉范圍，使其具有非常大的靈巧性能和工作范圍。機器人的手臂設計細長(cháng)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焊，采用80%Ar+20%CO2的富氬混合氣體保護，氣體流量為15~25L/min；選用伊薩焊絲，型號為ISO 14341-A:G 46 4 M21 4Si1。

 

        機器人焊接系統中有五種焊接模式，即S-pluse（速度脈沖焊接）、Normal（普通焊接）、RAPID（深熔焊接）、RPCA（大間隙小參數焊接），焊接過(guò)程根據零件的板厚與坡口尺寸、組對間隙、焊接位置（打底/填充焊）等因素選擇焊接模式。

4.2  焊接試驗

        根據驅動(dòng)箱結構特點(diǎn)，制定機器人焊接工藝試驗方案，試驗件（T形焊接接頭）結構如圖3所示，試驗確定焊接參數。試驗材料為Q355B，方案設計中針對背面焊縫不清根、焊接位置（橫焊/立焊）、不同鈍邊及組對間隙尺寸進(jìn)行焊接試驗，其中鈍邊尺寸分別為0、2mm、5mm，組對間隙分別為0、2mm、5mm。焊前對坡口及其周邊100mm進(jìn)行預熱，預熱溫度為100~150℃。焊后對焊縫進(jìn)行超聲波（UT）檢測，按照GB/T 11345 B級檢驗、GB/T 29712 2級驗收，并對焊接接頭進(jìn)行宏觀(guān)腐蝕觀(guān)察。如圖4所示。

圖3  機器人焊接接頭坡口及試件

圖4  機器人焊接接頭宏觀(guān)金相

 

        根據焊接接頭的探傷結果及宏觀(guān)腐蝕觀(guān)察，分析試驗過(guò)程中焊接接頭存在的缺欠。針對性?xún)?yōu)化試驗焊接參數，進(jìn)而得到驅動(dòng)箱機器人焊接數據庫，數據庫關(guān)鍵參數見(jiàn)表1。試驗結果表明，在其他焊接參數相同、且不進(jìn)行背面清根的條件下，鈍邊及組對間隙尺寸為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(guò)大、組對間隙過(guò)小時(shí)，打底焊縫熔透效果不佳，無(wú)法得到全熔透焊接接頭；鈍邊尺寸過(guò)小、組對間隙過(guò)大時(shí)，正面打底焊接時(shí)形成的焊縫金屬會(huì )過(guò)多地透過(guò)坡口背面，在背面坡口底部形成凸起，導致背面打底焊接時(shí)容易形成未熔合缺欠。

 

        在機器人焊接參數試驗過(guò)程中，經(jīng)對焊接接頭超聲波探傷檢測及宏觀(guān)腐蝕觀(guān)察，接頭中較易出現的焊接缺欠是氣孔。氣孔產(chǎn)生的原因是氣體在熔化的焊縫金屬凝固過(guò)程中來(lái)不及逸出所造成的[5]。產(chǎn)生氣孔一般與氣體保護效果不好、環(huán)境風(fēng)速過(guò)大、氣體流量過(guò)小、氣體不純、干伸長(cháng)度過(guò)長(cháng)等因素有關(guān)。通過(guò)不同參數條件下焊接試驗，發(fā)現機器人焊接試驗過(guò)程中產(chǎn)生氣孔的主要原因是干伸長(cháng)度、氣體流量不匹配。

 

        通過(guò)試驗確定的干伸長(cháng)度、氣體流量為：打底焊時(shí)干伸長(cháng)度為（20±2）mm，填充/蓋面時(shí)干伸長(cháng)度為18mm；氣體流量則應根據坡口角度、焊接模式及噴嘴直徑調整，具體見(jiàn)表2。

 

5    焊縫傳感及跟蹤

        由于工件在制造、組對拼點(diǎn)過(guò)程中存在偏差等原因，驅動(dòng)箱部件的焊道會(huì )存在差異，所以焊接時(shí)不能直接調用數據庫內已編好的程序，需要采用噴嘴接觸傳感器、激光傳感器和電弧實(shí)時(shí)跟蹤等對焊接工件的組對拼點(diǎn)、坡口尺寸及定位偏差進(jìn)行補償，從而確保焊接質(zhì)量。

 

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

 

        激光遠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算工件高度和輪廓。機器人通過(guò)激光傳感測量結果判斷工件位置，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(guò)焊絲干伸長(cháng)控制，對工件制造、組對拼點(diǎn)及焊接過(guò)程的變形等所造成的工件坡口及焊接線(xiàn)的誤差，進(jìn)行迅速精確和動(dòng)態(tài)地做出反應、修正軌跡，保證焊槍運行在焊道的中央、且與焊道的根部保持確定的高度。

 

6    驅動(dòng)箱焊接

        根據驅動(dòng)箱的結構特點(diǎn)，為保證焊縫可達性及焊接空間，制定驅動(dòng)箱拼點(diǎn)焊接順序。焊接過(guò)程中驅動(dòng)箱零件分多次組對拼點(diǎn)，工件組對間隙保證在2mm左右。

 

        驅動(dòng)箱拼點(diǎn)焊接順序為：焊接小法蘭連接焊縫→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)筋內環(huán)焊縫。

 

圖5  驅動(dòng)箱機器人焊接

        驅動(dòng)箱零件組對拼點(diǎn)后，進(jìn)行定位焊接，由于焊接機器人正式焊接時(shí)不能有效識別定位焊縫，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定位焊縫兩端10~15mm打進(jìn)行磨處理，圓滑過(guò)渡，保證能夠與正式焊縫良好結合。定位焊縫要求焊透，不允許存在裂紋、未熔合、氣孔等缺欠。

 

        對焊接區域進(jìn)行預熱，預熱溫度100~150℃；焊接參數見(jiàn)表1。焊接過(guò)程中，噴嘴接觸傳感器、激光傳感器和電弧實(shí)時(shí)跟蹤對焊縫位置進(jìn)行定位及實(shí)時(shí)跟蹤，確保焊縫的焊接質(zhì)量。如圖6為機器人焊接驅動(dòng)箱的環(huán)焊縫圖。

圖6  驅動(dòng)箱機器人焊接環(huán)焊縫圖

        該焊接工作站實(shí)現了盾構機驅動(dòng)箱部件的自動(dòng)化焊接，焊縫成形美觀(guān)，焊接穩定性高。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)強度，保證了焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

7    結束語(yǔ)   

        1）根據盾構機驅動(dòng)箱部件的焊接特點(diǎn)，以CLOOS弧焊機器人為核心，研制出盾構機驅動(dòng)箱部件自動(dòng)化焊接工作站；

        2）針對驅動(dòng)箱的結構特點(diǎn)，設計機器人焊接試驗方案，對T形結構試驗件進(jìn)行焊接試驗及分析，得到驅動(dòng)箱機器人焊接數據庫；

        3）利用焊接機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)現了盾構機驅動(dòng)箱部件的自動(dòng)化焊接，減少了勞動(dòng)強度，提高了焊接穩定性。

參考文獻：

[1] 陳饋，等.盾構施工關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社有限公司，2005.

[2] 劉杰.盾構機構件機器人焊接軌跡可達性研究[D].天津：天津大學(xué)，2017.

[3] 馬偉江.盾構機驅動(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：機械工業(yè)出版社，2012.

來(lái)源：金屬加工（熱加工）