CN103111730A - 一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，包括以下工序：（1）获取工件参数；（2）设定焊道截面参数和装配间隙G；（3）坡口加工：按照等截面坡口角度设计原则确定接管与母管相贯线不同位置处的坡口角度，并对所述接管的接头处进行切削加工；（4）将焊道截面参数、装配间隙G、工件参数、坡口角度、以及拟采用的焊接工艺的相关工艺参数输入数控焊接系统，计算出焊枪末端的位姿数据；（5）由数控焊接系统根据位姿数据控制焊枪在坡口区域进行连续分层焊接。本发明能实现了不同管径情况下的自动、快速、连续相贯线轨迹焊接，焊道排布合理，接头质量良好、外形美观、排列有序；工艺方法适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于集箱焊接技术领域，具体涉及一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法。
背景技术
集箱（又称联箱）是在汽、水系统中用于汇集或分配工质的圆筒形压力容器，通常包括构成集箱主体的母管以及焊接在母管上的接管。锅炉压力容器是一种常见的集箱，锅水由锅筒经下降管流入下面的箱体中，由箱体分配给各管束，这些管束中的水不断吸收热能，汇集到上面的箱体中再流回锅筒内。
在锅炉压力容器集箱的焊接中，时常会遇到的母管（管座）--接管垂直相交连接的情况，此时在接管与母管弧形壁面的相交处会形成一道由空间曲线--相贯线（又称马鞍形曲线）构成的焊口，这道焊口由于接管壁厚、体积大，焊口既深又长，通常需要连续多层多道填充才能完成；尤其是焊缝呈空间曲线，在焊接过程中焊枪须循空间轨迹行走并要求分段不断调整姿态，焊接难度非常大。一般工厂仍由手工焊完成这类焊接，制造周期长，劳动强度高，生产效率低且焊接质量难以保证。另外，常规的厚壁马鞍形焊接工件均采用等角度坡口，通过焊接电流或焊速的变化来适应坡口填充量的变化，但由于厚壁管焊口各位置熔敷比最大可达到或超过3:1，且沿着相贯线各个位置熔敷比值呈非线性变化，加之实际加工、装配的公差，通过电流的改变是不可实现自动化连续焊接的。
目前的机器人焊接技术，可以在示教状态下对焊口进行焊接，或者可以通过离线编程作出连续的多圈焊接动作，但对于厚壁管形成的几十道甚至上百道的焊道，机器人根本无从知道具体的焊接位姿，因此目前国内外都没有一套能应用于厚壁管马鞍口连续多层多道焊的机器人装备。为此需要建立一套合适的焊接工艺，该工艺能利用机器人自动焊接的动作特点，采用合适的焊接参数、坡口设计以及多层多道的排布方法，实现厚壁管马鞍口的连续焊接。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种能大大提高焊接质量、焊接效率且适应范围广的集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，包括以下工序：
（1）获取工件参数，包括母管和与其相连的接管的外径、厚度；
（2）设定焊道截面参数以及母管与接管之间的装配间隙G；
（3）坡口加工：根据焊道截面参数和装配间隙G按照等截面坡口角度设计原则，确定接管与母管相贯线不同位置处的坡口角度，根据不同的坡口角度，对所述接管的接头处进行切削加工，以符合焊接装配要求；
（4）将步骤（1）中的工件参数、步骤（2）中的焊道截面参数和装配间隙G、步骤（3）中的坡口角度以及拟采用的焊接工艺的相关工艺参数输入数控焊接系统，计算出采用多层多道焊时焊枪末端的位姿数据；
（5）在步骤（4）所述的焊接工艺条件下，由数控焊接系统根据步骤（4）得到位姿数据控制焊枪在坡口区域进行连续分层焊接。
进一步，步骤（3）中，坡口加工包括以下步骤：
a）确定接管与母管相贯线的肩部的最小V形坡口角度；
b）根据焊道截面参数和装配间隙G确定肩部坡口截面积，以该肩部坡口截面积作为标准截面积，确定接管与母管的相贯线的不同位置处接管的坡口角度；
c）根据不同位置处的坡口角度的大小，对接管的连接处进行切削加工。
进一步，所述焊道截面参数包括焊道截面在接管上的宽度a以及焊道截面在母管上的宽度b；其中，b为接管厚度的2.5倍。
进一步，步骤（4）中，数控焊接系统按照以下方法计算焊枪末端的位姿数据：
将整个焊道截面按三角形计算，其中第一层焊道截面按三角形计算，后续各层最上一道焊道截面为不等边梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等边菱形计算，由焊接工艺的相关工艺参数计算得到单个焊道的截面积，由此得到焊道总数，而后按照等差数列求和的方式计算得到焊道层数，并将每个菱形或梯形的左下角点位置作为焊枪焊接时焊丝尖端的坐标，从而得到与第一层焊道平行的不同层道上的焊接轨迹；每层焊道上最上一道焊道的焊枪角度为坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道的焊枪角度为（50-γ）度，γ是依据经验值设定的常量，其余各道焊道的焊枪角度为50度，最终得到焊枪末端的位姿数据。
进一步，数控焊接系统采用焊接机器人系统。
进一步，焊接工艺为直流反接条件下的MAG焊，相关工艺参数为：焊丝直径1.2mm，焊接电流280-300A，焊接电压29-31V,焊接速度500mm/min。
再进一步，MAG焊保护气成分为Ar：CO2，气体流量22-25L/min。
进一步，步骤（5）中，使用电弧跟踪传感器矫正第一层焊道轨迹，以矫正后的第一层焊道轨迹为多层多道焊的基本轨迹，然后在此基本轨迹上进行轨迹的偏移，形成多层多道焊的其他实际轨迹。
再进一步，焊接时，在焊抢的移动同时转动母管，使熔池处于水平位置。
进一步，接管内设有10-15mm厚的衬管。
本发明通过坡口设计、焊接工艺设定以及利用mat lab软件所计算的焊接轨迹数据，结合机器人的离线编程技术和电弧传感跟踪技术，最终实现了不同管径情况下的自动、快速、连续相贯线轨迹焊接，解决了常规方法无法处理的厚壁管马鞍形轨迹自动化连续焊接；根据本发明的工艺进行焊接，焊道排布合理，焊缝层间温度适宜，接头质量良好、外形美观、排列有序；另外，本发明的工艺方法适用范围广，可覆盖目前集箱所有的规格。
附图说明
图1示出了本发明方法的流程图；
图2示出了本发明方法中接管和母管的相贯线的模型坐标系及相关参数；
图3示出了本发明多层多道焊接模型的坐标系，其中α1表示接管接头端部的坡口角度，α2表示接管横截面与水平面的夹角，α3表示水平面与代表焊道截面在母管上的宽度b的弦的夹角，ωt表示图1中母管开孔处圆周上的点与原点的连线投影在X2-Y2平面上相对于X2轴的夹角，G表示装配间隙；
图4是本发明焊枪位姿规划的示意图，其中A、B、C表示焊道，β1表示每层最上一道焊道（即A焊道）焊枪的径向倾斜角，β2表示每层自上向下第二道焊道（即B焊道）焊枪的径向倾斜角，α表示焊口的张角，l表示焊口表面的实际宽度，c表示等边菱形的边长，γ表示焊口表面与代表焊道截面在母管上的宽度b的弦的夹角；
图5是采用本发明的方法得到的焊接轨迹曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，包括以下工序：
第一步：获取工件参数，包括：母管的外径φ1和厚度δ1，与母管相连的接管的外径φ2和厚度δ2。
必要时，可在接管内设置用于打底焊接的衬管（厚度为10-15mm），应获取衬管的厚度、长度等。
优选情况下，b为接管厚度δ2的2.5倍，装配间隙G为2-3mm。
第二步：设定焊道截面参数以及母管与接管之间的装配间隙G（相关参数标示在图2中，下同）。
焊道截面参数包括焊道截面在接管上的宽度a和焊道截面在母管上的宽度b。
第三步：坡口加工。
本发明中，接管采用坐骑式与母管连接，坡口为V形口。
坡口角度设计原则采用等截面原则，即焊后焊道纵剖面上填充金属量相等。因此在实施焊接工艺之前，需要根据提前设定的焊道截面参数和装配间隙G来确定接管和母管的相贯线不同位置处的接管的坡口角度,然后对接管的连接处进行加工。
坡口加工具体包括以下步骤：
a）首先确定接管与母管相贯线的肩部的最小V形坡口角度α1i，通常为45度。
b）根据焊道截面参数和装配间隙G确定肩部坡口截面积，以该肩部坡口截面积作为标准截面积，确定接管与母管相贯线的不同位置处接管的坡口角度。
一般，可以对接管的圆周进行16-36等分，确定等分位置处的坡口角度即可。
c）根据不同位置处的坡口角度的大小，通过solidworks对接管作图，输入数控加工中心，对接管的接头处进行切削加工。
第四步：将工件参数、焊道截面参数、装配间隙G、坡口角度和以及拟采用的焊接工艺的相关工艺参数等输入数控焊接系统，利用软件或程序计算出采用多层多道焊时焊枪末端的位姿数据。
优选情况下，数控焊接系统采用机器人焊接系统。焊接机器人可以采用motoman公司的A1400型机器人。
根据拟采用的焊接工艺，根据多层多道焊的焊道排布方法和焊道计算方法可以计算出焊接位置的坐标，即可找到对应的焊枪末端的位姿数据。具体的焊道排布方法及焊接位置的坐标的计算方法如下：
本发明中采用的焊道排布方法为：第一层焊道是接管与母管的实际相贯线的交线，通过软件计算出母管与接管相贯线的位置坐标，作为第一层焊道的实际初始位置。理论计算位置与实际焊道的偏差可以通过机器人上常用的电弧传感跟踪器予以纠正，即可找到初始位置坐标，并将矫正后的第一层焊道轨迹作为多层多道焊的基本轨迹，然后在此基本轨迹上进行轨迹的偏移，形成多层多道焊的其他实际轨迹。第一层焊道之上的其他各层焊道的第一道焊道紧密地围绕接管的圆周行走，第二道焊道在本层第一道焊道的基础上作偏移，后续各道焊道依次作偏移，形成每层的自上而下的多道焊道（见图4）。
如图4所示，焊道计算方法为：将整个焊道截面按三角形计算，其中第一层焊道截面按三角形计算，后续各层最上一道焊道截面为不等边梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等边菱形（边长为c）计算。
由焊接工艺的相关工艺参数可以计算得到单个焊道的截面积，由此得到焊道总数，而后按照等差数列求和的方式计算得到焊道层数，并将每个菱形或梯形的左下角点位置作为焊枪焊接时焊丝尖端的坐标，从而得到与第一层焊道平行的不同层道上的焊接轨迹。
焊接时，每层焊道上最上一道焊道的焊枪角度为坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道的焊枪角度为（50-γ）度，γ是依据经验值设定的常量（如γ可设为10度），其余各道焊道的焊枪角度为50度，最终得到焊枪末端的位姿数据。
第五步：在第四步所述的焊接工艺条件下，由数控焊接系统根据第四步得到的焊枪末端的位姿数据控制焊枪在坡口区域进行连续分层焊接，得到的焊接轨迹见图5。
通常，焊接工艺采用直流反接条件下的MAG焊，相关工艺参数为：焊丝直径1.2mm，焊接电流280-300A，焊接电压29-31V,焊接速度500mm/min。MAG焊保护气成分为Ar：CO2，气体流量22-25L/min。
焊接时，在焊抢的移动同时转动母管，使焊接位置始终处于最高点，从而使熔池处于水平位置，以便得到外形美观、排列有序的高质量焊接接头。
本发明方法中，数控焊接系统可以采用任何适当的软件或程序计算焊枪的末端的位姿数据。优选地，焊道排布方法可以采用matlab进行编程，结合motoman机器人的离线语言输入相贯线轨迹上多层多道的所有位置点的坐标与姿态，指导机器人完成计算轨迹的行走。
本发明提供的集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法可适应工件的范围如下：母管外径300～1500mm，厚度≤100mm，长度大于6m，接管外径159～600mm，接管厚度20-100mm，接管伸出母管筒体高度≤800mm，该范围覆盖了目前集箱所有的规格。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，包括以下工序：
（1）获取工件参数，包括母管和与其相连的接管的外径、厚度；
（2）设定焊道截面参数以及母管与接管之间的装配间隙G；
（3）坡口加工：根据焊道截面参数和装配间隙G，按照等截面坡口角度设计原则，确定接管与母管相贯线不同位置处的坡口角度，根据不同的坡口角度，对所述接管的接头处进行切削加工，以符合焊接装配要求；
（4）将步骤（1）中的工件参数、步骤（2）中的焊道截面参数和装配间隙G、步骤（3）中的坡口角度以及拟采用的焊接工艺的相关工艺参数输入数控焊接系统，计算出采用多层多道焊时焊枪末端的位姿数据；
（5）在步骤（4）所述的焊接工艺条件下，由数控焊接系统根据步骤（4）得到位姿数据控制焊枪在坡口区域进行连续分层焊接。
2.根据权利要求1所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，步骤（3）中，坡口加工包括以下步骤：
a）确定接管与母管相贯线的肩部的最小V形坡口角度；
b）根据焊道截面参数和装配间隙G确定肩部坡口截面积，以该肩部坡口截面积作为标准截面积，确定接管与母管相贯线的不同位置处接管的坡口角度；
c）根据不同位置处的坡口角度的大小，对接管的连接处进行切削加工。
3.根据权利要求2所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，所述焊道截面参数包括焊道截面在接管上的宽度a以及焊道截面在母管上的宽度b；其中，b为接管厚度的2.5倍。
4.根据权利要求1所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，步骤（4）中，数控焊接系统按照以下方法计算焊枪末端的位姿数据：
将整个焊道截面按三角形计算，其中第一层焊道截面按三角形计算，后续各层最上一道焊道截面按不等边梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等边菱形计算，由焊接工艺的相关工艺参数计算得到单个焊道的截面积，由此得到焊道总数，而后按照等差数列求和的方式计算得到焊道层数，并将每个菱形或梯形的左下角点的位置坐标作为焊枪焊接时焊丝末端的坐标，从而得到与第一层焊道平行的不同层道上的焊接轨迹；每层焊道上最上一道焊道焊枪角度为坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道焊枪角度为（50-γ）度，γ是依据经验值设定的常量，其余各道焊道焊枪角度为50度，最终得到焊枪末端的位姿数据。
5.根据权利要求1或4所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，数控焊接系统采用焊接机器人系统。
6.根据权利要求1或4所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，焊接工艺为直流反接条件下的MAG焊，相关工艺参数为：焊丝直径1.2mm，焊接电流280-300A，焊接电压29-31V,焊接速度500mm/min。
7.根据权利要求6所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，MAG焊保护气成分为Ar：CO2，气体流量为22-25L/min。
8.根据权利要求1所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，步骤（5）中，使用电弧跟踪传感器矫正第一层焊道轨迹，以矫正后的第一层焊道轨迹为多层多道焊的基本轨迹，然后在此基本轨迹上进行轨迹的偏移，形成多层多道焊的其他实际轨迹。
9.根据权利要求8所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，焊接时，在焊抢的移动同时转动母管，使熔池处于水平位置。
10.根据权利要求1所述的一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法，其特征在于，接管内设有10-15mm厚的衬管。
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