CN103464870B - 水轮机座环焊接方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水轮机座环焊接方法及其装置，首先生成焊接轨迹：根据各部件的尺寸、装配和位置关系建立水轮机座环的三维模型，在固定导叶与上、下环板的相贯线上每隔50~100mm取特征点作为控制点，并将所有控制点拟合得到连续的单个固定导叶的焊接轨迹；在水轮机座环的三维模型上，将单个固定导叶的焊接轨迹整体平移，并进行局部修正，连续生成整个水轮机座环的焊接轨迹；装配水轮机座环；焊前预热；采用机器人焊枪进行自动焊接。本发明机器人焊接过程连续、稳定，显著改进了座环组焊的焊接质量稳定性，焊接效率提高至手工焊的3~4倍；降低了焊接操作者的劳动强度和安全风险；产生的焊缝成形规则、美观，探伤合格率高于同类型手工焊缝。

Description

水轮机座环焊接方法及其装置

技术领域

本发明涉及水轮发电机座环的生产制造技术领域，具体说是一种水轮机座环的机器人自动焊方法及其装置。

背景技术

座环是水轮发电机中的重要埋设部件，将承受机组重量、混凝土重量及转轮的轴向水推力和蜗壳的内水压力，应具备足够的强度、刚度和稳定性，因此对制造过程提出了极高的要求。座环主要由上环板、下环板和一定数量的固定导叶组焊而成，每一个固定导叶和上下环板之间通过焊接连接。座环结构比较复杂，焊接难度大，焊缝质量等级高，对焊接技术提出了很高的要求。

从目前已公开和发表的技术资料来看，目前座环焊接过程中普遍采用手工气体保护焊和手工焊条电弧焊方法。在陈志强等人发表于《机电工程技术》2009年第11期的文章‘大型水轮机座环的焊接制造研究’，以及闫洵等人发表于《金属加工》2010年第12期的‘大型水电座环制作的工艺改进’等文献中，均指出了座环手工焊过程的一些困难。对于座环结构，焊接过程的主要难点在于以下几个方面：

（1）上、下环板与固定导叶装配后形成半封闭的盒装结构，固定导叶和上下环板之间的焊缝进行焊接时，操作空间小，焊接难度大；

（2）焊接预热温度高。座环焊接时至少应保证100℃以上的预热温度，通常达到130℃以上。在狭小的半封闭空间内，高温极大影响操作者的安全和焊接水平；

（3）座环零部件均为厚板，焊接填充量大，持续时间长。

由于座环焊接操作空间小、温度高、工作量大的特点，采用手工焊接的方法一方面工作效率低，劳动强度大；另一方面不利于焊接操作者的劳动安全保护，亦无法保证稳定的焊接质量。

闫洵等人发表于《金属加工》2010年第12期的‘大型水电座环制作的工艺改进’的文献中，提出了采用埋弧焊方法改进工艺的方法。但是，该方案中埋弧焊的过程仅用于上环板、下环板单个部件的拼焊，不适用于座环结构装配后固定导叶和上下环板之间的连接焊缝，所以并未解决上述的座环组焊困难。在上、下环板与固定导叶之间大量焊缝的实施过程中，文献中仍采用了手工焊的方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种水轮机座环焊接方法及其装置，实现了机器人对水轮机座环的高效自动焊接。

本发明所采用的技术方案是：

水轮机座环焊接方法，是采用机器人焊枪将固定导叶焊接在水轮机座环的上环板和下环板之间，所述焊接方法的具体步骤为：

（1）生成焊接轨迹：根据各部件的尺寸、装配和位置关系建立水轮机座环的三维模型，在固定导叶与上、下环板的相贯线上每隔50~100mm取特征点作为控制点，并将所有控制点拟合得到连续的单个固定导叶的焊接轨迹；在水轮机座环的三维模型上，将单个固定导叶的焊接轨迹整体平移，并进行局部修正，连续生成整个水轮机座环的焊接轨迹；

（2）装配水轮机座环：将上环板、下环板和固定导叶按照设计尺寸要求装配，保证装配精度；

（3）焊前预热：对被焊工件的底层焊道进行预热，预热温度根据座环部件的材料和板厚确定，为80-150℃；

（4）采用机器人焊枪进行自动焊接：预热后工件位置保持不变，调整机器人焊枪、使其焊丝端部对准固定导叶与上、下环板接合部位的焊接坡口，按照步骤（1）中设定的焊接轨迹进行焊接。

所述步骤（4）中，先焊接固定导叶一侧与上环板或下环板的焊缝，机器人焊枪由内圆侧向外圆侧进行退步焊；当焊接坡口内焊料的填充量的厚度达到焊接坡口的1/2时，调整机器人焊枪、焊接固定导叶另一侧与上环板或下环板的焊缝。

水轮机座环焊接装置，包括机器人焊枪、运动导向装置、控制系统、焊接电源和焊接送丝机构，所述运动导向装置包括弧形导轨和十字滑架变位机，弧形导轨与水轮机座环同心设置，十字滑架变位机包括配套的立柱和横梁，立柱底部与弧形导轨配合安装、并沿弧形导轨运动，机器人焊枪设置在横梁的一端；控制系统内部存储有机器人焊枪的预设焊接轨迹，并向运动导向装置和机器人焊枪发送控制信号，使按预设焊接轨迹动作。

所述弧形导轨设置在水轮机座环的外侧或内侧。

所述机器人焊枪端部设置有防碰撞传感器，与控制系统实时通信。

所述焊接电源为数字化脉冲焊接电源，通过电缆连接焊接送丝机构和机器人焊枪。

所述机器人焊枪包括机器人本体和焊枪，机器人本体的操作臂握持焊枪。

本发明所产生的有益效果是：

本发明针对水轮机座环的结构特点和焊接难点，规划了适合于座环结构的弧形机器人外部行走平台，配置了适用于座环半开放空间的加长机器人焊枪和防碰撞传感器，改善了焊接机器人在座环不同导叶间焊缝的空间可达性，解决了普通机器人焊枪在座环内部焊缝焊接时遇到的焊接姿态受限问题，降低了机器人在座环焊接中发生碰撞的风险。同时，本方案利用计算机控制系统和座环三维CAD模型实现机器人焊接轨迹规划，制定了适合于机器人自动焊过程的座环装配、预热、焊接工艺措施，实现了机器人对水轮机座环的高效自动焊接。

本发明的技术方案与目前座环焊接中应用的手工焊方法相比，机器人焊接过程连续、稳定，显著改进了座环组焊的焊接质量稳定性，焊接效率提高至手工焊的3~4倍。而且由于机器人操作臂代替焊接操作者进入半开放高温空间进行焊接，明显降低了焊接操作者的劳动强度和安全风险。本发明产生的焊缝成形规则、美观，探伤合格率高于同类型手工焊缝。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

图1为本发明水轮机座环机器人自动焊系统的结构示意图。

图2为水轮机座环结构的示意图，反映座环各部件之间的装配关系。

图3为水轮机座环与机器人外部行走平台之间的平面图，反映座环与机器人工作平台的位置关系。

图4为水轮机座环机器人自动焊接的一种工艺布局。

图5为水轮机座环机器人自动焊接的另一种工艺布局。

图中标记：1--控制系统；2--焊接送丝机构；3--焊接电源；4--机器人本体；5--防碰撞传感器；6--焊枪；7--十字滑架变位机；8--弧形导轨；9--水轮机座环。

具体实施方式

如图1～5所示，本发明是一种水轮机座环焊接方法，采用机器人焊枪将固定导叶焊接在水轮机座环9的上环板和下环板之间，本焊接方法的具体步骤为：

（1）生成焊接轨迹：根据各部件的尺寸、装配和位置关系建立水轮机座环9的三维模型，在固定导叶与上、下环板的相贯线上每隔50~100mm取特征点作为控制点，并将所有控制点拟合得到连续的单个固定导叶的焊接轨迹；在水轮机座环9的三维模型上，将单个固定导叶的焊接轨迹整体平移，并进行局部修正，连续生成整个水轮机座环9的焊接轨迹。

具体的：利用三维CAD软件的实体建模功能，在计算机控制系统1中对机器人焊接的轨迹进行规划。根据座环模型中焊接坡口形状和尺寸参数，生成焊缝轨迹。以水轮机座环9中固定导叶与上下环板的相贯线为第一条焊接轨迹线的参考，在相贯线上每隔50~100mm进行分段并生成控制点。通过确定三维模型中一系列空间控制点，然后通过直线或圆弧等近似拟合方式得到连续的焊枪6行走轨迹。在第一条焊接轨迹线的基础上，通过整体轨迹平移和局部轨迹修正的方式，连续生成整个导叶坡口焊缝的机器人焊接轨迹。

（2）装配水轮机座环9：将上环板、下环板和固定导叶按照设计尺寸要求装配，保证装配精度。因为，机器人的自动焊接依赖焊枪6与工件之间的相对轨迹位置关系，而运动轨迹是根据三维实体建模而来的，因此工件装配应满足图纸和本工艺文件要求，保证划线精度、装配精度和工件摆放精度。

（3）焊前预热：对被焊工件的底层焊道进行预热，预热温度根据水轮机座环9部件的材料和板厚确定，为80-150℃。具体的：本发明是利用远红外电加热装置或者火焰对被焊工件的底层焊道进行预热。

（4）采用机器人焊枪进行自动焊接：预热后工件位置保持不变，调整机器人焊枪、使其焊丝端部对准固定导叶与上、下环板接合部位的焊接坡口，按照步骤（1）中设定的焊接轨迹进行焊接。本发明中，机器人焊枪采用退步焊的方法进行焊接。具体的：

先焊接固定导叶一侧与上环板或下环板的焊缝，机器人焊枪由内圆侧向外圆侧进行退步焊；当焊接坡口内焊料的填充量的厚度达到焊接坡口的1/2时，调整机器人焊枪、焊接固定导叶另一侧与上环板或下环板的焊缝。

更进一步说明：预热后工件位置保持不变，调整机器人外部移动平台的位置和机器人本体4的姿态，使机器人焊枪的焊丝端部对准焊接坡口，并且焊枪6的姿态与焊接轨迹规划时保持一致。执行步骤（1）中规划的机器人自动焊轨迹，实现快速高效焊接。

对固定导叶正面侧与上下环板之间的焊缝，在水轮机座环9外围进行机器人焊接，由内圆侧向外圆侧进行退步焊。对固定导叶背面侧与上下环板之间的焊缝，在水轮机座环9内围进行机器人焊接，由外圆侧向内圆侧进行退步焊。当固定导叶一侧坡口的焊接填充量达到坡口约1/2厚度后，调整焊接机器人的焊接位置，对另一侧坡口进行焊接。通过坡口两侧焊缝的交替焊接对水轮机座环9组焊的焊接变形进行控制。

单个固定导叶的焊缝完成后，通过机器人外部行走平台移动焊枪6至下一个固定导叶的焊接坡口，按照预先规划的机器人焊接轨迹和焊接顺序进行快速高效焊接，直至水轮机座环9上所有焊缝全部完成。

本发明按照水轮机座环9的结构特点和焊接工艺流程设计机器人自动焊工作站，设计了一种水轮机座环焊接装置。该水轮机座环焊接装置包括机器人焊枪、运动导向装置、控制系统1、焊接电源3和焊接送丝机构2。

运动导向装置包括弧形导轨8和十字滑架变位机7，弧形导轨8与水轮机座环9同心设置，十字滑架变位机7包括配套的立柱和横梁，立柱底部与弧形导轨8配合安装、并沿弧形导轨8运动，机器人焊枪设置在横梁的一端。弧形导轨8可以设置在水轮机座环9的外侧，也可以设置在水轮机座环9的内侧。

具体的：根据水轮机座环9整体呈环状、体积较大的结构特点，在水轮机座环9外围建立机器人外部行走平台（即运动导向装置），由一个十字滑架变位机7和地面弧形导轨8组成。十字滑架变位机7垂直安装于地面弧形导轨8之上。通过十字滑架变位机7实现水平和高度方向的位置调节，通过弧形导轨8实现水轮机座环9圆周方向的位置调节。机器人本体4安装在十字滑架变位机7的横梁上，其操作端夹持一把特制的焊枪6。

通常水轮机座环9体积和重量都比较大，通过十字滑架变位机7实现水轮机座环9的整体变位比较困难。水轮机座环9的机器人自动焊接过程中，焊枪6在不同焊缝之间的移动通过机器人外部行走平台实现。外部行走平台中弧形导轨8的半径范围为1.5-8m，大于水轮机座环9外圆半径；十字滑架变位机7的垂直行程范围为1-8m，大于水轮机座环9的最大高度；十字滑架变位机7的水平行程范围为1-10m，使机器人焊接工作站的工作范围覆盖水轮机座环9尺寸。

水轮机座环9组焊过程的大部分焊缝位于上、下环板和固定导叶之间，焊道大部分处于半开放的盒装空间内部。采用普通焊枪焊接时，机器人的操作臂需要跟随焊枪进入狭小空间，设备与工件碰撞几率增大，机器人动作和焊接姿态受限。机器人自动焊接的焊枪6采用特制的机器人焊枪6，将焊枪6长度延长至250mm-1000mm。

控制系统1内部存储有机器人焊枪的预设焊接轨迹，并向运动导向装置和机器人焊枪发送控制信号，使按预设焊接轨迹动作。焊接电源3为数字化脉冲焊接电源3，通过电缆与焊接送丝机构2和焊枪6之间实现连接。机器人本体4、外部行走平台、焊接电源3、焊枪防碰撞传感器5通过各自的线缆与计算机控制系统1连接。

机器人焊枪端部设置有防碰撞传感器5，与控制系统1实时通信。防碰撞传感器5配置于机器人本体4和焊枪6之间。在水轮机座环9半开放空间内进行焊接，当操作意外情况发生时，焊枪6存在与水轮机座环9碰撞和损坏的风险。防碰撞传感器5能够为碰撞提供一定缓冲，并与计算机控制系统1实时通讯，在发生意外碰撞时停机，保护机器人焊接工作。

实施例1：

从图1可知，本发明按照水轮机座环9的结构特点和焊接工艺流程设计机器人自动焊接系统，主要由机器人本体4、机器人外部行走平台7、8、计算机控制系统1、焊接电源3、焊接送丝机构2、机器人焊枪6、防碰撞传感器5等几部分组成。

根据水轮机座环9整体呈环状、体积较大的结构特点，在水轮机座环9外围建立机器人外部行走平台，由一个十字滑架变位机7和弧形导轨8组成。十字滑架变位机7垂直安装于弧形导轨8之上，通过十字滑架变位机7实现水平和高度方向的位置调节，通过弧形导轨8实现圆周方向的位置调节。机器人本体4安装在十字滑架变位机架7的横梁上，其操作端夹持一把特制的机器人焊枪6。焊接电源为数字化脉冲焊接电源3，通过电缆与焊接送丝机构2和焊枪6之间实现连接。机器人本体4、外部行走平台7、8、焊接电源3、焊枪防碰撞传感器5通过各自的线缆与计算机控制系统1连接。

为了适应水轮机座环9的结构尺寸，外部行走平台中弧形导轨8的半径范围为1.5m-8m，大于水轮机座环9外圆半径；十字滑架变位机7的垂直行程范围为1m-8m，大于水轮机座环9的最大高度，十字滑架变位机的水平行程范围为1-10m，使机器人焊接工作站的工作范围覆盖水轮机座环9。

机器人焊枪6为特制焊枪，其焊枪长度延长至250mm-1000mm，在半开放的座环焊接空间中可达性好，降低了机器人在焊接中发生碰撞的风险。

水轮机座环9主要由上环板、下环板和一定数量的固定导叶组焊而成，体积和重量比较大。为了减小运输体积，在实际制造过程中通常采用分瓣式结构，分两瓣制造，如附图2所示。

水轮机座环9的焊接工位与机器人自动焊接系统的摆放相对位置关系如图3所示。水轮机座环9摆放于机器人弧形导轨8的内侧。十字滑架变位机7带动焊接机器人部分4、5、6，在弧形导轨8上往复圆周运动，焊枪6能够到达水轮机座环9中不同导叶上的焊缝。

根据水轮机座环9各部件的尺寸、装配、位置关系，利用三维CAD软件的实体建模功能，在计算机控制系统1中对机器人焊接的轨迹进行规划。每道焊缝轨迹的生成是通过确定三维模型中一系列空间点，然后通过直线或圆弧等近似拟合方式得到连续的焊枪行走轨迹。

将水轮机座环9的上环板、下环板和固定导叶等组件按照设计尺寸要求进行装配。机器人的自动焊接依赖焊枪6与工件9之间的相对轨迹位置关系，而运动轨迹是根据三维实体建模而来的，因此工件装配应尽可能满足图纸和本工艺文件要求，尽量提高划线精度、装配精度和工件摆放精度。

利用远红外电加热装置或者火焰对被焊工件的底层焊道进行预热，预热温度根据水轮机座环9部件的材料和板厚确定，达到80-150℃。

预热后水轮机座环9位置保持不变。在水轮机座环9的外围调整机器人外部移动平台7、8的位置和机器人本体4的姿态，如图4所示。机器人焊枪6的焊丝端部对准焊接坡口，并且焊枪6的姿态与焊接轨迹规划时保持一致，执行机器人自动焊轨迹，实现快速高效焊接。

水轮机座环9的固定导叶与上环板、下环板之间的坡口为双面坡口。按照正面坡口1/3厚度→背面坡口2/3厚度→正面坡口焊接填充满→背面坡口焊接填充满的顺序进行交替焊接，对水轮机座环9组焊的焊接变形进行控制。当正面坡口的焊接填充量达到该侧坡口深度的1/3后，通过机器人外部行走平台8、9调整机器人焊接位置至固定导叶背面，对背面坡口进行焊接，至该侧坡口深度的2/3。其余焊接顺序下的机器人焊接位置调整和焊接轨迹执行以此类推。

机器人自动焊接过程的稳定性远高于手工焊接过程，焊接工艺参数选择范围较大。焊接电流为80-350A，焊接电压为15-35V，焊接速度为150-500mm/min，焊接保护气流量为6-25L/min。

单个固定导叶的焊缝完成后，通过机器人外部行走平台7、8移动焊枪至下一个固定导叶的焊接坡口，按照预先规划的机器人焊接轨迹和焊接顺序进行快速高效焊接，直至水轮机座环9上所有固定导叶的焊缝全部完成。

与手工焊方法相比，机器人自动焊接过程连续、稳定，显著改进了座环组焊的焊接质量稳定性，焊接效率提高至3~4倍。而且由于机器人操作臂代替焊接操作者进入半开放高温空间进行焊接，明显降低了焊接操作者的劳动强度和安全风险。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处是机器人自动焊接系统采用了另一种工艺布局，如图5所示。调整机器人外部移动平台7、8的位置和机器人本体4的姿态，在水轮机座环9的内圆一侧执行机器人自动焊接过程。对于水轮机座环9的某些焊缝，从内侧执行焊接具有更好的焊枪可达性和焊接可操作性，比如水轮机座环9的固定导叶的背面焊缝。

Claims (2)

1. 水轮机座环焊接方法，是采用机器人焊枪将固定导叶焊接在水轮机座环的上环板和下环板之间，其特征在于：所述焊接方法的具体步骤为：

（1）生成焊接轨迹：根据各部件的尺寸、装配和位置关系建立水轮机座环的三维模型，在固定导叶与上、下环板的相贯线上每隔50~100mm取特征点作为控制点，并将所有控制点拟合得到连续的单个固定导叶的焊接轨迹；在水轮机座环的三维模型上，将单个固定导叶的焊接轨迹整体平移，并进行局部修正，连续生成整个水轮机座环的焊接轨迹；

（2）装配水轮机座环：将上环板、下环板和固定导叶按照设计尺寸要求装配，保证装配精度；

（3）焊前预热：对被焊工件的底层焊道进行预热，预热温度根据座环部件的材料和板厚确定，为80-150℃；

（4）采用机器人焊枪进行自动焊接：预热后工件位置保持不变，调整机器人焊枪、使其焊丝端部对准固定导叶与上、下环板接合部位的焊接坡口，按照步骤（1）中设定的焊接轨迹进行焊接。

2.根据权利要求1所述水轮机座环焊接方法，其特征在于：所述步骤（4）中，先焊接固定导叶一侧与上环板或下环板的焊缝，机器人焊枪由内圆侧向外圆侧进行退步焊；当焊接坡口内焊料的填充量的厚度达到焊接坡口的1/2时，调整机器人焊枪、焊接固定导叶另一侧与上环板或下环板的焊缝。