何天英，余圣甫，王雄文，王洪運(yùn)
（1.華中科技大學(xué)，材料成形與模具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430000；
2.湖北洪城通用機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434000）
在化工、能源、電力等眾多行業(yè)中，閥門是重要的結(jié)構(gòu)件，其中大型蝶閥以其良好的性能也獲得了廣泛的應(yīng)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(guān)注中厚板蝶閥焊接工藝參數(shù)優(yōu)化、接頭形式改良以及開發(fā)新的焊接工藝方法等。辛海波等人[5]利用正交試驗(yàn)的方法對(duì)20 mm 厚的Q420E 鋼焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了其最佳焊接工藝窗口。葉建雄等人[6]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與全局尋優(yōu)算法研究了焊接工藝參數(shù)優(yōu)化方法，可得到不同焊接工藝下的最優(yōu)焊接工藝組合。柳紅衛(wèi)等人[7]提出了一種中厚板埋弧焊時(shí)的高效焊接工藝方法，通過(guò)采用直徑較大的絲材，使用較高的焊接電流，可實(shí)現(xiàn)中厚板不開坡口焊接，提高了焊接質(zhì)量與焊接效率。在簡(jiǎn)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(jiǎn)化了焊接工藝。通過(guò)窄間隙焊接[9]的方法減少焊接接頭截面積，進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度大、焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定性差、自動(dòng)化程度較低，無(wú)法滿足大型蝶閥構(gòu)件的高效率、湖北省揭榜制科技項(xiàng)目（2019AEE 021）高質(zhì)量焊接的需求。
隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人焊接技術(shù)逐漸取代手工焊接技術(shù)。郝福江等人[10]利用松下弧焊機(jī)器人，采用三元混合保護(hù)氣對(duì)壓縮機(jī)蓋板上的環(huán)形焊縫進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)了120 cm/min 的高速焊接。馬輝等人[11]研究了焊接機(jī)器人在冶金閥門制造中的應(yīng)用，可獲得焊接穩(wěn)定性高、質(zhì)量良好的焊縫。機(jī)器人焊接提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善了勞動(dòng)條件，在保證焊接質(zhì)量的前提下降低了生產(chǎn)成本[12]。目前，弧焊機(jī)器人在焊接過(guò)程中大多采用在線示教法，示教過(guò)程中需要手工調(diào)制焊接路徑和起弧熄弧點(diǎn)位置，同時(shí)在前一道焊縫焊接完成前無(wú)法對(duì)下一道焊縫進(jìn)行示教[13]。對(duì)于中厚板的多層多道焊接，示教編程會(huì)極大的降低生產(chǎn)效率。因此，在使用機(jī)器人焊接蝶閥中的環(huán)形焊縫時(shí)，需要對(duì)其多層多道路徑進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)提高焊接效率。
文中采用6 軸機(jī)器人與2 軸變位機(jī)協(xié)同的機(jī)器人焊接裝備對(duì)蝶閥構(gòu)件進(jìn)行焊接；
通過(guò)建立大型蝶閥環(huán)形角焊縫K 形坡口機(jī)器人多層多道焊接路徑規(guī)劃模型，計(jì)算了不同位置焊縫的焊槍位置、焊槍角度參數(shù)，避免了焊接過(guò)程中的碰撞，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形角焊縫多層多道路徑離線規(guī)劃。最終對(duì)蝶閥構(gòu)件中的環(huán)形角焊縫進(jìn)行焊接，并對(duì)其接頭的力學(xué)性能與微觀組織進(jìn)行分析。
大型閥門及其環(huán)形焊縫機(jī)器人焊接裝備包括機(jī)器人、福尼斯弧焊電源與雙軸變位機(jī)。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(cè)坡口深度20 mm，內(nèi)側(cè)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(huán)形角焊縫，首先焊接環(huán)形焊縫外側(cè)坡口，然后使用袒護(hù)氣刨對(duì)內(nèi)側(cè)坡口清根，最后填充內(nèi)側(cè)坡口。當(dāng)閥門焊接完成后，區(qū)金相試樣對(duì)其組織進(jìn)行分析；
取力學(xué)性能試樣，用W300B 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和JB-300B 沖擊試驗(yàn)機(jī)，對(duì)室溫拉伸和-20 ℃沖擊力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量。
表1 焊絲堆積金屬與母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
圖1 大型閥門及其環(huán)形焊縫機(jī)器人焊接裝備尺寸圖
目前，弧焊機(jī)器人在焊接生產(chǎn)中大多采用在線示教法。示教過(guò)程需要手工調(diào)整焊接路徑與起弧點(diǎn)、息弧點(diǎn)位置，同時(shí)，在前一道焊縫焊接完成之前無(wú)法對(duì)下一道焊縫進(jìn)行示教。中厚板多采用開坡口多層多道焊接，對(duì)于多層多道焊接來(lái)說(shuō)，在每一條焊道焊接前進(jìn)行示教將大大降低生產(chǎn)效率。
2.1 焊槍位置計(jì)算
閥門環(huán)形焊縫K 形坡口橫截面填充如圖2 所示。設(shè)板厚為L(zhǎng)，外側(cè)坡口深度為L(zhǎng)1，外側(cè)坡口角度為θ，外側(cè)坡口高度為H，假設(shè)法蘭和筒體在焊接過(guò)程中完全拘束，建立如圖2(a)所示的坐標(biāo)系。采用等高圓弧填充策略規(guī)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(shè)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(huán)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(shí)心點(diǎn)表示起弧位置，對(duì)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(duì)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(duì)于扇環(huán)焊縫，焊槍位于扇環(huán)頂點(diǎn)處，焊槍沿扇環(huán)中線傾斜，如圖3(c)所示。
圖2 閥門環(huán)形焊縫橫截面填充
圖3 焊槍位姿與起弧點(diǎn)位置示意圖
等高圓弧填充策略首先需要根據(jù)焊接材料與工藝參數(shù)確定每一層焊縫的高度h，然后根據(jù)坡口尺寸計(jì)算出坡口填充所需要的總層數(shù)。因此將焊縫形狀簡(jiǎn)化成扇形、等腰圓弧梯形與扇環(huán)，確定堆積層高和堆積層數(shù)之后，每一道焊縫的截面積也隨之確定。最后通過(guò)坡口總截面積與每一道焊縫的截面積既可計(jì)算出填充外側(cè)坡口所需要的焊縫總層數(shù)與總道數(shù)。焊接路徑規(guī)劃流程圖如圖4 所示。
圖4 焊接路徑規(guī)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(zhǎng)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(jì)算式為
假設(shè)坡口填充時(shí)焊接層數(shù)為n，扇形焊縫有且僅有1 道；
圓弧梯形焊縫有n-1 道；
扇環(huán)焊縫有n(n-1)/2道，則所有填充焊縫的截面之和的計(jì)算式為
將式（2）～式（4）代入式（5）中，即可計(jì)算出填充焊縫的總面積與堆積層數(shù)n之間的數(shù)學(xué)關(guān)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(huì)過(guò)多導(dǎo)致坡口產(chǎn)生凸起余高，因此堆積層數(shù)n必須滿足以下關(guān)系，且取滿足條件的最小整數(shù)。
按照上述方法即可計(jì)算出填充蝶閥環(huán)形焊縫外側(cè)坡口所需的填充焊縫堆積層數(shù)n，即確定了扇形焊縫1 條，等腰圓弧梯形焊縫n-1 條，扇環(huán)焊縫n(n-1)/2 條。
多層多道焊接坡口的焊槍的起弧點(diǎn)位置如圖3中標(biāo)記位置所示，對(duì)于扇形焊縫，焊槍在其圓弧中心處；
對(duì)于等腰梯形焊縫，焊槍在其底部圓弧中心處；
對(duì)于扇環(huán)焊縫，焊槍位于焊縫頂點(diǎn)處。設(shè)坡口最深處的頂點(diǎn)A 的坐標(biāo)為（x1，y1，z1），則根據(jù)等高圓環(huán)填充策略可以計(jì)算出每一道焊縫的焊槍位置Pnj的坐標(biāo)值。通過(guò)計(jì)算可得第n層第j道焊縫的焊槍位置的y坐標(biāo)和焊槍位置的x坐標(biāo)式為
2.2 焊槍角度計(jì)算
為了保證每一道焊縫都具有良好的成形，焊槍在焊接時(shí)必須具有一定的傾角。對(duì)于等高圓弧填充路徑規(guī)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(shí)際焊接中焊槍的傾角示意圖如圖5～圖6所示。當(dāng)焊接第一層第一道時(shí)，焊槍傾斜角度與水平面的夾角為θ/2，此時(shí)焊絲方向沿扇形中軸線，如圖6(a)所示。當(dāng)焊接第二層第一道時(shí)，焊槍傾斜角度與水平面的夾角為θ/4，此時(shí)焊絲方向沿等腰圓弧梯形中軸線；
當(dāng)焊接第2 層第2 道時(shí)，焊槍傾斜角度與水平面的夾角為θ/4，此時(shí)焊絲方向沿扇環(huán)對(duì)角線，如圖6(b)所示。當(dāng)焊接第3 層與第4 層時(shí)，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(huán)對(duì)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(nèi)焊接時(shí)，焊槍易于坡口側(cè)壁產(chǎn)生干涉碰撞，焊槍的可達(dá)性較差。在蝶閥環(huán)形角焊縫坡口焊接時(shí)，焊槍在焊接每一層的起始焊縫與終止焊縫易于與坡口側(cè)壁發(fā)生干涉，因此在按照?qǐng)D6 所示的焊槍傾角進(jìn)行焊接前，需要對(duì)起始焊縫與終了焊縫的焊槍傾角進(jìn)行一定的修正。焊槍修正模型示意圖如圖7 所示，當(dāng)焊槍噴嘴邊緣恰好與坡口下側(cè)接觸時(shí)，此時(shí)為焊槍的傾斜臨界角，設(shè)此時(shí)的焊槍傾角為α，焊絲伸出長(zhǎng)度為L(zhǎng)干，噴嘴直徑為D。根據(jù)2.1 章節(jié)中的計(jì)算此時(shí)焊絲末端的坐標(biāo)Pnj（xP，yP，zP），計(jì)算可知噴嘴處M 點(diǎn)的坐標(biāo)為xM=xP+L干sinα，yM=yP+L干cosα。并且此時(shí)M 點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離為的D/2。因此，傾角必須滿足式（9）的關(guān)系，并依此計(jì)算出焊槍的臨界傾角。
圖7 焊槍干涉示意圖
當(dāng)焊槍實(shí)際傾角θ/4 大于α，則焊槍不會(huì)發(fā)生干涉；
當(dāng)焊槍實(shí)際傾角小于α，則焊槍會(huì)發(fā)生碰撞干涉，此時(shí)焊槍需逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)δ角，且δ=α-θ/4。
2.3 焊槍擺動(dòng)幅度計(jì)算
在焊接過(guò)程中增加焊槍擺動(dòng)，可以有效增加焊縫寬度，避免焊縫成形不均勻的現(xiàn)象；
同時(shí)焊槍擺動(dòng)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(dòng)過(guò)程中，擺動(dòng)幅度必須合適，當(dāng)擺動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)，焊槍與坡口側(cè)壁發(fā)生碰撞干涉，當(dāng)擺動(dòng)幅度過(guò)小，會(huì)形成側(cè)壁未熔合缺陷，因此對(duì)于蝶閥環(huán)形角焊縫的焊接必須規(guī)劃一個(gè)合適的擺動(dòng)幅度，如圖8 所示。
圖8 不同形狀焊縫擺動(dòng)幅度示意圖
在等高圓弧填充策略中，對(duì)于扇形焊縫，焊槍位于其中軸線，擺動(dòng)幅度如圖8(a)所示，其擺幅取扇形半徑h/2 處的長(zhǎng)度。因此扇形焊縫的擺幅R為
對(duì)于等腰圓弧梯形焊縫，焊槍位于其中軸線，擺動(dòng)幅度如圖8(b) 所示，其擺動(dòng)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(duì)于扇環(huán)焊縫，焊槍位于其對(duì)角線，擺動(dòng)幅度如圖8(c)所示，其擺動(dòng)幅度取扇環(huán)對(duì)角線長(zhǎng)度。因此扇環(huán)焊縫的擺幅R為
2.4 焊槍擺動(dòng)幅度計(jì)算
通過(guò)上述計(jì)算可得焊絲末端的位置坐標(biāo)，焊槍傾角。蝶閥環(huán)形焊縫在焊接過(guò)程中，焊槍在固定區(qū)域進(jìn)行勻速擺動(dòng)，蝶閥構(gòu)件安裝在變位機(jī)上，變位機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)，對(duì)內(nèi)外側(cè)坡口進(jìn)行焊接。為了實(shí)現(xiàn)蝶閥環(huán)形焊縫的機(jī)器人自動(dòng)焊接，需要將焊絲末端坐標(biāo)、焊槍傾角、變位機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可識(shí)別的程序。焊接試驗(yàn)平臺(tái)中的機(jī)器人中$WORLD為世界坐標(biāo)系，$ROBROOT 為足部坐標(biāo)系，$BASE 為用戶坐標(biāo)系，$TOOL 為工具坐標(biāo)系。
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令為
式中：x，y，z為機(jī)器人TCP 的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，即焊絲末端坐標(biāo)；
A，B，C為機(jī)器人工具坐標(biāo)系相對(duì)于用戶坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角，A為繞x軸的轉(zhuǎn)角，B為繞y軸的轉(zhuǎn)角，C為繞z軸的轉(zhuǎn)角；
E1，E2為變位機(jī)的實(shí)時(shí)翻轉(zhuǎn)角與回轉(zhuǎn)角。在試驗(yàn)開始前，通過(guò)控制機(jī)器人六軸使得工具坐標(biāo)系與用戶坐標(biāo)系重合，此時(shí)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(shí)均是繞著z軸旋轉(zhuǎn)，因此在程序中將C值置為焊槍傾角即可實(shí)現(xiàn)焊槍姿態(tài)變化。E1為翻轉(zhuǎn)角，此時(shí)蝶閥構(gòu)件水平放置，因此E1為0；
通過(guò)控制E2的實(shí)時(shí)角度和轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)蝶閥構(gòu)件的焊接速度的控制。
采用上述等高圓弧填充策略對(duì)蝶閥環(huán)形角焊縫進(jìn)行多層多道路徑規(guī)劃，并進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)焊接接頭的質(zhì)量來(lái)驗(yàn)證路徑規(guī)劃方式的可靠性。焊絲采用直徑為1.2 mm 的ER50-6，保護(hù)氣體為80%Ar +20%CO2，氣體流量為15 L/min。焊接過(guò)程中，筒體和法蘭均固定拘束，減小焊接變形。
3.1 閥門環(huán)形焊縫焊接
在焊接前，首先沿著環(huán)形焊縫圓周方向間隔60°對(duì)圓筒和法蘭進(jìn)行點(diǎn)焊固定；
隨后使用等高圓弧填充策略對(duì)坡口外側(cè)進(jìn)行焊接；
然后使用碳弧氣刨?gòu)膬?nèi)側(cè)坡口進(jìn)行清根打磨；
最后使用等高圓弧填充策略對(duì)內(nèi)側(cè)坡口進(jìn)行焊接，完成蝶閥環(huán)形坡口的焊接。
蝶閥環(huán)形焊縫焊接過(guò)程中，外側(cè)坡口焊接完畢后進(jìn)行清根打磨，然后進(jìn)行內(nèi)側(cè)坡口的焊接，最終形成環(huán)形角焊縫。按照等高圓弧填充策略可以實(shí)現(xiàn)蝶閥角焊縫的焊接，焊縫表面質(zhì)量良好，無(wú)表面缺陷，焊接過(guò)程穩(wěn)定，無(wú)槍體干涉碰撞情況發(fā)生。
3.2 焊縫組織與性能
從蝶閥環(huán)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(shù)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(xì)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(jù)Hall-Petch 公式，平均晶粒尺寸的減小，提升了焊縫的強(qiáng)度，且等軸晶具有各向同性的特點(diǎn)，因此焊接接頭具有較高的力學(xué)性能，焊接接頭的拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。機(jī)器人自動(dòng)化蝶閥焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為536 MPa，屈服強(qiáng)度為468 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為14%，0 ℃沖擊吸收能量為36 J。焊接接頭經(jīng)過(guò)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(xué)性能
（1）基于等高圓弧填充路徑規(guī)劃策略建立了大型閥門環(huán)形焊縫的多層多道焊接路徑規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人閥門焊接中的離線編程，避免了焊接過(guò)程中的機(jī)器人干涉碰撞，提高了大型閥門的焊接效率。
（2）對(duì)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(huán)焊縫，分別計(jì)算出每一道焊縫的焊槍位置、焊槍角度、擺動(dòng)幅度，并對(duì)焊縫進(jìn)行干涉判斷，計(jì)算其偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)了閥門變姿態(tài)焊接。
（3）實(shí)現(xiàn)了大型蝶閥的焊接，焊接接頭表面平面，無(wú)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(xì)小均勻，其抗拉強(qiáng)度為536 MPa，屈服強(qiáng)度為468 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為14%，0 ℃沖擊吸收能量為36 J。經(jīng)過(guò)超聲探傷，其缺陷合格率為98%，焊接接頭性能滿足使用需求。
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