钢管柱环形焊缝焊接机器人的设计与应用

张文龙，左文建

（1.中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西 太原 030024；2.中铁三局集团投资有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

研究发现，在高层建筑施工中钢管混凝土柱对接焊是影响其施工质量的重要因素，人工焊接难以完全杜绝质量缺陷。国外对于环形焊缝技术进行了大量的研究，也将最新的焊接技术和设备投入到焊接施工当中，我国对于焊接机器人的研究起步较晚，但是需求量较大，环形焊缝焊接机器人对于我国的管道工程有着重要的战略意义。目前我国的焊接机器人分为固定型和移动型，存在的问题有体型较大、自动化水平低、运动稳定性差等，这些问题对于焊接质量有着严重的影响。本文设计了体型较小、质量较轻和运动稳定的机器人，为自动化焊接奠定了基础。

1 全自动焊接工艺

环形焊缝自动焊接的方法是基于对传统手工和半自动焊焊接工艺的改良，传统工艺效率低而且质量得不到保证。环形焊缝自动焊接主要适用于直径大于800mm 的钢管柱焊接，根据厚度的变化可以选择不同直径的焊条和焊接电流，本文采用的管道厚度为10～12mm，焊接电流在160～210A，采用上向焊工艺实现大型管道的打底层、填充层和盖面层的自动焊接，坡口采用V型坡口。

1.1 打底层的自动焊接

打底层焊接之前需要对管道进行空间分段，参照钟表的空间分段分为四段，分别为0 点～3 点区段、3 点～6 点区段、6点～9 点区段和9 点～12 点区段。在人工焊接时传统的工艺是分为两个区间，3点～9 点区间需要控制焊枪走折线，使得电弧融化的铁水向上运动，因此自动焊接也应当模仿人工焊接设计出折线轨迹；9 点～3 点的区间因为铁水容易下坠，为了减少焊枪电弧穿透管道，焊接的折线需要转变为弧形，每段弧线的完成时间控制在0.2～0.6s，研究发现焊枪运行轨迹近似半月形。焊缝之间如果距离较小可以增加电流以及拐点处的停留时间，保证电弧能够融化钝边。

1.2 填充层的自动焊接

填充层的焊接情况比较复杂，因此需要详细的区段划分，主要是将11 点～1点的区域划分出来，再细分三段。与打底层的焊接相比，焊缝的宽度有所增加，因此手工焊接的时候轨迹有所变化，坡口和前一道焊缝的夹角的焊接位置容易发生未熔合的现象，因此需要留有足够的时间熔化母材，焊道两侧0.5～3.0mm的范围需要焊枪短暂停留，能够将铁水外引以及增加焊层的宽度和厚度，减少焊接的层数，提高效率。与打底层相同，3 点～6 点和6 点～9 点的区段需要考虑铁水的下坠，因此需要减小电流；9 点～11点以及1 点～3 点的区域，熔池比较容易控制，所以可以适当加大电流和加快焊道前进速度。11 点～1 点之间是平焊区域，铁水有前进的趋势，阻挡电弧对前层焊道的穿透，容易造成未熔合，因此焊层以3mm 为限，大于3mm 改为多层焊接，小于3mm 则将焊接轨迹变为三角形，保证根部的熔合。

1.3 盖面层的自动焊接

盖面层的焊接运动轨迹和填充层基本一样，因为盖面层厚度较小，所以比前一道焊缝增加较小的焊接宽度，但是单层焊道过宽会降低焊接的速度，增加电弧对焊缝的热输入，所以可以用多道焊缝合并成一道焊缝。在焊接的时候也可以与填充层进行同步设计，通过微调整的方法实现焊道的转移和衔接。

2 环形焊缝焊接机器人的设计

因为焊接机器人主要是针对钢管混凝土柱，所以通过上述研究，机器人应当能够满足对打底层、填充层和盖面层的焊接。依据实际的焊接方法，环形焊缝机器人应当体积小、重量轻、效率高、简单操作和便于维修，能够根据焊接的高度进行细微调节，因为钢管柱一般在工程中是固定的，因此机器人还需要实现在钢管柱上的绕周焊接。

对焊接机器人的机械系统进行设计，保证焊接绕管的速度为300～3000mm/min，焊枪的轴向调节速度为30～500mm/min、送丝速度为8000～12000mm/min，焊接机器人模块对送丝和其他辅助设施进行直接选用，首先是行走系统，在管道外侧设置轨道保证机器人在轨道上行走的效率和稳定性；焊枪轴向运行可以采用带传动、齿轮传动等，需要把旋转转变为直线运动，要求占用空间小、传动精度高，因此采用螺旋传动；焊枪的径向运动出于成本考虑，采用手动调整，在机器人高度的方向能够进行调整，降低设计的复杂度。

焊接机器人的电控系统设计需要保证机器人对焊缝进行扫描后就能够开始焊接工作，按照设计的参数启动机器人的行走系统、轴向系统以及送丝系统等，按照程序进行工作。本次机器人采用STM32F103单片机进行控制，能够保证机器人的体积、成本，并降低设计的难度。

3 环形焊缝焊接机器人关键技术的研究

焊接机器人的机械和电控系统是比较容易实现的，但是如何能够实现环形焊缝焊接机器人对环境的识别和智能化是当前需要重点考虑和研究的。机器人进行焊接主要通过视觉传感器、电弧传感和声学传感等手段让机器人感知焊接的变化，并实现焊接质量的控制，因此需要引导焊接的初始位置、跟踪焊缝、监测熔池以及对缺陷进行识别等。电弧传感器能够利用电弧能量的变化感知熔池状态和焊接质量，也能预测焊接的熔透和分析缺陷。视觉传感器能够使用辅助光源利用结构光等进行焊缝定位和跟踪。

3.1 焊缝初始位置引导

焊缝引导是利用传感器空间坐标定位初始焊接点，为机器人解决加工、装配误差等可能导致起弧点较高的问题，目前采用的视觉引导技术也解决了焊接复杂的问题，实现了一定程度的自主焊接。机器人利用视觉传感器和空间坐标来实现试件的起始点定位，然后移动到起始点开始焊件的焊接工作。

3.2 焊缝跟踪技术

在焊接过程中可以利用焊缝跟踪技术来实现机器人位置的调整，有效保证焊接的质量，通过采用被动视觉传感器提取焊缝的边缘和熔池图像，然后对焊接轨迹进行纠正，在保证传感器高精度的同时，能够有效避免飞溅、烟尘等干扰。目前的焊缝跟踪技术可以实现焊接的精准对接，保证焊接时的电流满足要求，不会出现未焊透及烧伤等问题。

3.3 熔池监控技术

熔池既能够反映焊接过程，也能够反映焊接工艺参数是否符合实际情况，与焊缝成型的质量以及熔池的宽和深都直接关联，通过监控熔池的变化也可以实时调整焊接工艺保证焊接的质量。视觉传感器也能够用来监测焊接的缺陷，提高焊缝的质量可靠性。机器人可以采用传感器对熔池的温度以及热影响区的范围进行主动判定，然后对存在缺陷的部位进行实时调整与修复，保证焊接的外观以及质量。

4 环形焊缝焊接机器人的应用实况

依据上述的机械系统和电控系统的设计以及焊接工艺中关键技术的研究，对环形焊缝焊接机器人的样机进行了生产，样机的主体结构采用铝合金，焊枪的轴向运动范围为0～220mm，满足设计中要求焊枪轴向运动距离不少于150mm 的条件，焊枪的径向运动调节范围在0～120mm，也能够满足设计要求不小于150mm 的要求。焊接之前为了满足条件，采用Q235 的钢材，制作160×100 的试件，送丝的速度设定为6000mm/min，焊丝的直径为1.2mm，工件厚度为12.0mm，焊接方式采用上向焊的方式。由于V 型坡口适用于机器人自动焊接，也能够保证焊接的质量，因此本次采用V 型坡口并用角磨机打磨光滑。

在实验中防止冷却设施、换气和保护气配比以及送丝的设备，将控制系统和电机的驱动器安装在控制柜里面，把环形焊缝焊接机器人安装在轨道上，手动控制机器人的行走，相关的运行装置能够保证机器人稳定、顺滑地移动；然后对机器人控制焊枪的轴向和径向运动进行观察，保证范围和稳定性，看传动机构是否能够满足焊接要求。最后将机器人的位置调整到焊接起始位置，查看机器人是否能够自动辨认起点并开始焊接。机器人能够识别起始点并开始工作，按照打底层的顺序启动，开启保护气体，然后查看是否能够捕捉熔池的边缘以及熔池的状态，对相关的参数和位置进行自动调整。本文中的焊接机器人均能够满足相关的设定和要求进行焊接，填充层和盖面层也通过了相关的检测，能够达到设计的要求。经过反复试验，试件的打底层、填充层和盖面层的焊接均已经达到了相关设计的要求，焊接效果能够满足相关规范要求，见图1。

焊接的外观比较平整，也没有气孔和裂缝，但是还需要采用无损探伤的方法对焊缝的内部缺陷进行检测，保证焊接质量。本文通过超声波以及X 射线拍照的方法结合起来进行缺陷检测，焊缝波形未发现不符合要求的缺陷，而且从图片上可以看出焊缝的内部不存在气泡、未熔合、未焊透和裂纹的情况，说明环形焊缝焊接机器人能够高效、保质保量地完成焊接工作，保证焊接质量达到相关标准。

5 结束语

本文对环形焊缝焊接机器人进行了设计，并对关键技术进行了探究与探讨。由于打底层、填充层和盖面层的不同特点，设计了焊枪的移动曲线，并对机械系统和电气系统进行了设计，采用传感器实现机器人的智能化。通过对样机进行试验与检测，发现焊接机器人能够实现设计的初衷，保证焊缝的质量，也实现了焊接的高效化，有一定的现实意义。由于我国的机器人产量低，核心技术仍存在缺陷，因此在后期还需要提升传感技术的应用，开发机器人的核心部件并积极应用人工技术。随着机器人的普及，还需要开设焊接智能工厂来实现焊接的流水作业，保证焊接质量。