CN117773286A - 一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锅炉焊接技术领域，公开了一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，本方法采用整圈焊接和小段焊接结合的特殊焊接顺序，较好地避免了非平焊位置下焊缝成形不良的问题，焊接过程中工件不需变位联动，不仅节约了设备成本，而且为多工位并行高效作业提供了前提条件。本发明大管接头采用等角度坡口设计，对加工设备的要求低，经济性好，特别适用于小筒径比规格等不能加工为等截面坡口的集箱大管接头。

Description

一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法

技术领域

本发明涉及锅炉焊接技术领域，具体涉及一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法。

背景技术

集箱是锅炉的重要承压部件之一，长度通常在数米到十余米不等，其筒身上布置有大量的与受热面和连接管相焊的管接头（又称管座），管接头与集箱筒身采用坡口焊接的方式连接，其材质为碳钢、低合金和高合金耐热钢，外径为Φ28mm～Φ355.6mm，壁厚为4～80mm。其特点是管接头材质种类和规格多，外径范围宽，壁厚大，管接头沿轴向和环向成排布置在集箱筒身上。对于集箱上外径为Φ100mm～Φ355.6mm的管接头（通常称为大管接头，如说明书附图1所示），由于其壁厚通常超过20mm，焊道数量多，焊缝马鞍落差大，肩部到腹部的焊缝横截面剧烈变化，焊接填充量极不均匀，加之腹部通常需要横焊，焊缝成形控制要求高，施焊及焊接质量的保证难度很大。目前仍大量采用手工焊或半自动的焊接操作方式，自动化程度低，劳动强度大，施焊环境差，焊接质量的好坏完全依赖于焊工的操作技能。

目前行业内自动化程度较高的集箱管接头焊接设备和方法主要包括半自动机械焊和机器人自动焊两类，采用的焊接工艺有埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气保焊三种。例如公开号为CN111014905A的发明专利公开了一种用于集箱密排管接头的机械焊接方法的发明专利，采用简易工装把工件固定后，人工进行焊枪位置的调整再利用数控设备实施机械化焊接。但其自动化程序较低，每个管接头均需要机械+人工手动定位，操作繁琐，不能多工位连续作业。

又例如公开号为CN103111730A的发明专利公开了一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法的发明专利，先利用数学方法对焊道排布进行焊前整体规划，然后使用电弧跟踪进行第一层焊接并记录实际马鞍形轨迹，再在此基础上结合焊前规划结果逐道施加偏移量完成后续多层多道焊接。但该方法规划的所有焊道均是360度整圈焊接，为了规避大管接头腹部和肩部坡口填充量差异较大时焊接困难的问题，要求前道工序必须使用成本较高的数控设备把管接头和集箱之间的坡口加工为等截面，经济性差，而且对于小筒径比规格（集箱外径/大管接头外径<1.5）的大管接头，这种等截面坡口在工艺上根本无法实现；并且该方法要求焊接的时候转动整个集箱，使熔池处于水平，故无法支持多台设备多工位并行作业。

再例如公开号为CN111872524A的发明专利公开了一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法的发明专利，先把待焊的变截面坡口离散化为多个二维横截面，然后采用软件算法来规划每个横截面的焊道排布，再根据焊道排布自动推理出与之匹配的焊接电流、焊接速度和焊枪角度，最后把所有横截面的规划结果输出为机器人自动焊接程序。该方法的每层每道均要焊接整圈360度，通过转圈过程中连续变参数、变速度、变姿态来解决变截面焊接问题，但对于小筒径比大管接头，腹部与肩部的填充量之比往往高达180%-220%，超出了焊接工艺允许的调整范围，焊接质量难以保证。

发明内容

为解决现有集箱大管接头焊接方法操作繁琐、对设备要求高、经济性差、适用范围窄、焊接大管接头可行性差等问题，本发明提供一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，主要焊接方法包括以下步骤：

步骤a.将大管接头设计并加工为V形等角度坡口；

步骤b.使用支撑架将集箱支承固定，使集箱筒身上的待焊管孔朝上；

步骤c.人工将大管接头与集箱筒身上的待焊管孔组对，使用焊条点焊固定后，采用手工焊完成第一层打底焊接；

步骤d.使用视觉传感设备对已组对的大管接头和集箱进行识别定位，在大管接头轴线与集箱轴线的交点处建立坐标系；

步骤e.使用自动焊接设备基于步骤d的坐标基准，通过示教编程、离线编程或自主编程的方式，以特定的焊接顺序创建多层多道焊接程序；

步骤f.执行步骤e）中的焊接作业程序，对已组对的大管接头逐道进行多层多道自动焊接；

步骤g.大管接头焊接完成后，使自动焊接设备移至下一个工位，重复步骤d重新扫描定位、步骤f直接执行步骤e中先前编写的焊接程序，进行下一个大管接头的自动焊接。

在本发明中，所述特定的焊接顺序为：从坡口根部向坡口外侧逐层焊接，对于每一层焊缝，在马鞍线的最低处焊接第一道，然后自下而上逐道进行焊接。

进一步地，在焊接时，当腹部和肩部的坡口开口宽度相差10mm以上，从开口较大的腹部最低处开始先进行小段焊接而不焊接到肩部；当腹部和肩部剩余的坡口开口宽度相差在10mm以内，该层焊缝的剩余道次实施360度整圈焊接。

在本发明中，所述自动焊接设备为工业机器人或自动焊接专机，并且设备通常具有至少6个自由度。

在本发明中，所述用于支撑固定集箱的支撑架通常为滚轮架。

在本发明中，所述第一层打底焊的厚度通常为3-4mm。

在本发明中，自动焊接设备多层多道焊接时，焊接工艺方法可以是熔化极气体保护焊或钨极氩弧焊。

本发明的有益效果：

1、本发明采用整圈焊接和小段焊接结合的特殊焊接顺序，较好地避免了非平焊位置下焊缝成形不良的问题，焊接过程中工件不需变位联动，不仅节约了设备成本，而且为多工位并行高效作业提供了前提条件。

2、本发明采用视觉扫描定位建立坐标基准，同种规格的焊接程序只需编程一次，即可多工位适用，自动化程度高。

3、本发明采用等角度坡口设计，对加工设备的要求低，经济性好，适用范围广，特别适用于小筒径比规格等不能加工为等截面坡口的集箱大管接头。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1是本发明集箱大管接头结构示意图；

图2是本发明大管接头等角度坡口示意图；

图3是本发明集箱支承固定示意图；

图4是本发明集箱大管接头装配组对和打底焊接示意图；

图5是本发明采用的自动焊接作业基准示意图；

图6是本发明采用的单层焊接顺序示意图；

图7是本发明典型截面位置处的焊前轮廓线示意图；

图8是本发明实施例2多层多道焊前规划时的等分截面位置示意图；

图9是本发明截面焊道规划时的焊缝表面线计算示意图；

图10是本发明肩部截面的焊层等距分割示意图；

图11是本发明其它二维截面的焊层等距分割示意图；

图12是本发明典型截面位置处最后一层的焊道分割示意图；

图13是本发明典型截面位置处的多层多道整体规划结果示意图；

图14是本发明单个焊道的工艺参数规划示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

集箱是锅炉的重要承压部件之一，长度通常在数米到十余米不等，其筒身上布置有大量的与受热面和连接管相焊的管接头（又称管座），管接头与集箱筒身采用坡口焊接的方式连接，其材质为碳钢、低合金和高合金耐热钢，外径为Φ28mm～Φ355.6mm，壁厚为4～80mm。其特点是管接头材质种类和规格多，外径范围宽，壁厚大，管接头沿轴向和环向成排布置在集箱筒身上。对于集箱上外径为Φ100mm～Φ355.6mm的管接头（通常称为大管接头，如说明书附图1所示），由于其壁厚通常超过20mm，焊道数量多，焊缝马鞍落差大，肩部到腹部的焊缝横截面剧烈变化，焊接填充量极不均匀，加之腹部通常需要横焊，焊缝成形控制要求高，施焊及焊接质量的保证难度很大。目前仍大量采用手工焊或半自动的焊接操作方式，自动化程度低，劳动强度大，施焊环境差，焊接质量的好坏完全依赖于焊工的操作技能。

而目前的集箱管接头焊接设备和方法普遍存在适用范围窄、自动化程度低、对工件要求苛刻、总体成本高等问题，特别是对于大管接头，还没有焊接质量和经济性均较好的自动焊接方法。

基于此，本发明提出了一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，本发明采用整圈焊接和小段焊接结合的特殊焊接顺序，较好地避免了非平焊位置下焊缝成形不良的问题，焊接过程中工件不需变位联动，不仅节约了设备成本，而且为多工位并行高效作业提供了前提条件。下面将通过具体的实施方式来对本发明涉及方案做进一步地说明和解释。

实施例1

本发明的实施例公开了一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，所述方法主要包括以下步骤：

步骤a.将大管接头设计并加工为V形等角度坡口，即接管周向任意位置处坡口斜边与接管外壁之间的夹角均为50度。在本发明中，使用普通车床完成坡口加工，典型的坡口角度通常为40度。

步骤b.使用滚轮支撑架将集箱支承固定，使集箱筒身上的待焊管孔朝上。

步骤c.人工将大管接头与集箱筒身上的待焊管孔组对，使用焊条点焊固定后，采用手工焊接的方式完成第一层打底焊接。所述手工焊可以采用手工氩弧焊，手工电弧焊或手工气焊等任意的焊接形式，优选为手工氩弧焊，并且焊接后，第一层打底焊的厚度为3-4mm，需保证焊接表面平整，周向均匀，过渡圆滑。

步骤d.使用线激光扫描器扫描已组对的集箱与大管接头，获得工件的三维点云数据，再对点云采用随机抽样一致性算法分别计算出集箱轴线和大管接头轴线，以二者交点为原点、集箱轴线为Y轴、大管接头轴线为Z轴建立直角坐标系。

步骤e.使用自动焊接设备基于步骤d的坐标基准，通过示教编程、离线编程或自主编程的方式，以特定的焊接顺序创建多层多道焊接程序。所述特定的焊接顺序具体指，从坡口根部向坡口外侧逐层焊接，对于每一层焊缝，在马鞍线的最低处焊接第一道，自下而上逐道进行焊接。

在本发明中，需要说明的是，在焊接时，当腹部和肩部的坡口开口宽度差异过大时，从开口较大的腹部最低处开始先进行小段焊接而不焊接到肩部；当腹部和肩部剩余的坡口开口宽度相近时，该层焊缝的剩余道次才实施360度整圈焊接。通常情况下，当坡口的开口宽度相差10mm以上时，则认作两者差异过大；当坡口的剩余开口宽度在10mm以内时，认作接近。

步骤f.执行步骤e）中的焊接作业程序，逐道进行多层多道自动焊接。

每个大管接头焊接完成后，使自动焊接设备移至下一个工位，重复步骤d对工件重新扫描定位，然后执行步骤e中先前编写的焊接程序，进行下一个大管接头的自动焊接。在本发明中，由于编程和焊接时工件不需变位，故可以使用多台自动焊接设备分别在各自工位同时进行步骤d、e、f的工序，达到多工位并行作业的效果。

在本发明中，焊接时使用的自动焊接设备通常为工业机器人或自动焊接专机，并且设备通常具有至少6个自由度。设备在执行多层多道焊接工艺时，焊接工艺方法可以是熔化极气体保护焊或钨极氩弧焊。

实施例2

本实施例公开了一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，本实施例在实施例1的基础上，通过自主编程的方式实现自动焊接设备的轨迹规划，最终自动焊接设备以实施例1中特定的焊接顺序实现集箱大管接头的多层多道自动焊接。具体的轨迹规划方法如下：

步骤S1.如图8所示，以大管接头的轴线为旋转轴，再将大管接头的整圈坡口沿周向等分为若干个截面，然后根据工件规格和坡口的设计尺寸计算出每个截面的焊前轮廓线，该焊前轮廓线是指管座外壁直线、坡口斜边直线以及集箱上表面曲线连接而成的多段线，可根据立体几何计算方法获得，参照说明书附图9所示。

在本发明中，坡口的设计尺寸，包括有坡口角度、管座壁厚和管座内外径等数据。

步骤S2.如图9所示，根据焊脚尺寸的要求，在步骤S1中的每个二维截面中作一条直线作为焊缝表面线，焊缝表面线的起点取坡口斜边与管座外壁之间的拐点，终点位于集箱上表面，其与管座外壁的水平距离等于焊脚尺寸。焊缝表面线与焊前轮廓线之间即为该截面上需要通过多层多道焊接填充的区域。进一步地，由马鞍形焊缝的几何特征可知，该填充区域的总面积随着截面位置从肩部到腹部单调增加，肩部截面的填充面积最小，腹部截面的填充面积最大。

步骤S3.基于前期试验选取一组较为稳定的焊接工艺参数（包括送丝速度f和焊接速度v），通过宏观金相分析测得该焊接工艺参数下的单道填充量s（即二维截面中每一道焊缝的截面积）以及单层厚度δ。

步骤S4.根据焊脚尺寸要求和步骤c中的单层厚度δ，计算获得每个截面的焊接层的数量并将截面分割。

如图10所示，在步骤b中的肩部截面上，沿焊缝表面线做多条与焊缝表面线平行的等距平行线，从而将待填充区域分割为m个焊层，m=[d/δ]（当计算结果为小数时，向上取整），其中d是焊缝表面线离坡口根部的垂足距离，显然，这些平行线之间的距离近似等于步骤c中的单层厚度δ；

如图11所示，在步骤b中的剩余k-1个截面上（k为最开始等分的截面的个数），沿焊缝表面线作多条等距平行线，将剩余截面的填充区域也分割为m个焊层，如此保证了每个截面的焊层数量一致。

在本发明中，由于步骤c中前期试验通常是用两块平板拼成直角（类似肩部的形状）做的，所以肩部焊层划分准确度最高，因此让其它截面参考肩部。

步骤S5.如图12所示，基于步骤c中的单道填充量s，作水平线将等分的每个二维截面中的每个焊层又等分为n个焊道。由于肩部到腹部的截面填充面积单调增加，所以对于任意一个焊层而言，焊道数量也必然随着截面位置由肩部到腹部而单调增加（如图13所示）。

在本发明中，截面填充区域每一层焊层等分的焊道的道数等于单层焊层面积除以单道填充量s并向上取整。参照说明书附图11所示，单层焊层的面积可由围成每个焊层的多边形的面积公式计算获得。

在本发明中，对于大管接头的坡口，沿360度周向划分的所有截面的焊接层数是相等的，但是对于单个焊层来说，其在360度周向所有截面上的道数并不相等，从肩部到腹部各个截面上的道数单调递增。

步骤S6.根据步骤S5中每个截面的焊道分割结果和步骤S3中的送丝速度f，计算获得自动焊接设备在每层每道焊接到此处时需要使用的主要工艺参数，包括焊枪点坐标、焊接速度、焊枪角度等；其中，焊枪点坐标近似取步骤S5中等分的焊道的质心位置，焊枪角度取被焊处集箱筒身与管接头外壁之间的二面角的角平分线，最后根据焊道面积和送丝速度选择与之匹配的焊接速度（如图14所示）。

步骤S7.对于任意一层焊缝，根据步骤S5估算出的各个截面的道数，在三维空间中拼接获得每一道的焊接起始截面位置和终止截面位置。具体的拼接方式如下：

先拼接道数最多的几个截面形成第一道，位置位于该焊层的最低处。然后拼接除第一道外剩余道数最多的几个截面作为第二道，位于该焊层第一道的上方。再拼接除前两道外剩余道数最多的几个截面作为第三道，位与该焊层第二道的上方。以此类推。由于大管接头腹部的填充量最大、肩部的填充量最小，所以第一道总是离腹部最近，且焊缝长度最短，第二道搭接在第一道的上方，且略长于第一道，第三道搭接在第二道的上方，且略长于第二道。当所有截面的剩余道数都与肩部相等时，这些剩余的道次才自然拼接为360度整圈焊接（如图6所示）。

步骤S8.重复步骤S7对其它焊层也逐层进行规划，获得多层多道整体焊道排布。

步骤S9.根据步骤S8获得的三维整体焊道排布结果，将步骤S6中各个截面上的主要工艺参数进行连接组合，形成多层多道焊接工艺和轨迹规划结果，最终实现集箱大管接头的自动焊接。在焊接时，每道焊接均采用相同的送丝速度并保持稳定，焊接过程中焊接电流基本保持不变。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a.将大管接头设计并加工为V形等角度坡口；

步骤b.使用支撑架将集箱支承固定，使集箱筒身上的待焊管孔朝上；

步骤c.人工将大管接头与集箱筒身上的待焊管孔组对，使用焊条点焊固定后，采用手工焊完成第一层打底焊接；

步骤d.使用视觉传感设备对已组对的大管接头和集箱进行识别定位，在大管接头轴线与集箱轴线的交点处建立坐标系；

步骤e.使用自动焊接设备基于步骤d的坐标基准，以特定的焊接顺序创建多层多道焊接程序；

步骤f.执行步骤e）中的焊接作业程序，对已组对的大管接头逐道进行多层多道自动焊接。

2.根据权利要求1所述的一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，其特征在于，所述特定的焊接顺序为：从坡口根部向坡口外侧逐层焊接，对于每一层焊缝，在马鞍线的最低处焊接第一道，然后自下而上逐道进行焊接。

3.根据权利要求1或2所述的一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，其特征在于，在焊接时，当腹部和肩部的坡口开口宽度差异过大时，从开口较大的腹部最低处开始先进行小段焊接而不焊接到肩部；当腹部和肩部剩余的坡口开口宽度相近时，该层焊缝的剩余道次才实施360度整圈焊接。

4.根据权利要求3所述的一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，其特征在于，当腹部和肩部的坡口开口宽度差异过大是指两者相差10mm以上；当腹部和肩部剩余的坡口开口宽度相近是指两者相差在10mm以内。

5.根据权利要求1所述的一种无需变位可多工位作业的集箱大管接头自动焊接方法，其特征在于，所述第一层打底焊厚度为3-4mm。