專利名稱：一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集箱焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法。
背景技術(shù)：
集箱(又稱聯(lián)箱)是在汽、水系統(tǒng)中用于匯集或分配工質(zhì)的圓筒形壓力容器，通常包括構(gòu)成集箱主體的母管以及焊接在母管上的接管。鍋爐壓力容器是一種常見的集箱，鍋水由鍋筒經(jīng)下降管流入下面的箱體中，由箱體分配給各管束，這些管束中的水不斷吸收熱能，匯集到上面的箱體中再流回鍋筒內(nèi)。在鍋爐壓力容器集箱的焊接中，時(shí)常會(huì)遇到的母管(管座)一接管垂直相交連接的情況，此時(shí)在接管與母管弧形壁面的相交處會(huì)形成一道由空間曲線一相貫線(又稱馬鞍形曲線)構(gòu)成的焊口，這道焊口由于接管壁厚、體積大，焊口既深又長(zhǎng)，通常需要連續(xù)多層多道填充才能完成；尤其是焊縫呈空間曲線，在焊接過程中焊槍須循空間軌跡行走并要求分段不斷調(diào)整姿態(tài)，焊接難度非常大。一般工廠仍由手工焊完成這類焊接，制造周期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低且焊接質(zhì)量難以保證。另外，常規(guī)的厚壁馬鞍形焊接工件均采用等角度坡口，通過焊接電流或焊速的變化來(lái)適應(yīng)坡口填充量的變化，但由于厚壁管焊口各位置熔敷比最大可達(dá)到或超過3:1，且沿著相貫線各個(gè)位置熔敷比值呈非線性變化，加之實(shí)際加工、裝配的公差，通過電流的改變是不可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)焊接的。目前的機(jī)器人焊接技術(shù)，可以在示教狀態(tài)下對(duì)焊口進(jìn)行焊接，或者可以通過離線編程作出連續(xù)的多圈焊接動(dòng)作，但對(duì)于厚壁管形成的幾十道甚至上百道的焊道，機(jī)器人根本無(wú)從知道具體的焊接位姿，因此目前國(guó)內(nèi)外都沒有一套能應(yīng)用于厚壁管馬鞍口連續(xù)多層多道焊的機(jī)器人裝備。為此需要建立一套合適的焊接工藝，該工藝能利用機(jī)器人自動(dòng)焊接的動(dòng)作特點(diǎn)，采用合適的焊接參數(shù)、坡口設(shè)計(jì)以及多層多道的排布方法，實(shí)現(xiàn)厚壁管馬鞍口的連續(xù)焊接。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種能大大提高焊接質(zhì)量、焊接效率且適應(yīng)范圍廣的集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，包括以下工序:(I)獲取工件參數(shù)，包括母管和與其相連的接管的外徑、厚度；(2)設(shè)定焊道截面參數(shù)以及母管與接管之間的裝配間隙G ；(3)坡口加工:根據(jù)焊道截面參數(shù)和裝配間隙G按照等截面坡口角度設(shè)計(jì)原則，確定接管與母管相貫線不同位置處的坡口角度，根據(jù)不同的坡口角度，對(duì)所述接管的接頭處進(jìn)行切削加工，以符合焊接裝配要求；(4)將步驟(I)中的工件參數(shù)、步驟(2)中的焊道截面參數(shù)和裝配間隙G、步驟(3)中的坡口角度以及擬采用的焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)輸入數(shù)控焊接系統(tǒng)，計(jì)算出采用多層多道焊時(shí)焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)；(5)在步驟(4)所述的焊接工藝條件下，由數(shù)控焊接系統(tǒng)根據(jù)步驟(4)得到位姿數(shù)據(jù)控制焊槍在坡口區(qū)域進(jìn)行連續(xù)分層焊接。進(jìn)一步，步驟(3)中，坡口加工包括以下步驟:a)確定接管與母管相貫線的肩部的最小V形坡口角度；b)根據(jù)焊道截面參數(shù)和裝配間隙G確定肩部坡口截面積，以該肩部坡口截面積作為標(biāo)準(zhǔn)截面積，確定接管與母管的相貫線的不同位置處接管的坡口角度；c)根據(jù)不同位置處的坡口角度的大小，對(duì)接管的連接處進(jìn)行切削加工。進(jìn)一步，所述焊道截面參數(shù)包括焊道截面在接管上的寬度a以及焊道截面在母管上的寬度b ;其中，b為接管厚度的2.5倍。進(jìn)一步，步驟(4)中，數(shù)控焊接系統(tǒng)按照以下方法計(jì)算焊槍末端的位姿數(shù)據(jù):將整個(gè)焊道截面按三角形計(jì)算，其中第一層焊道截面按三角形計(jì)算，后續(xù)各層最上一道焊道截面為不等邊梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等邊菱形計(jì)算，由焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算得到單個(gè)焊道的截面積，由此得到焊道總數(shù)，而后按照等差數(shù)列求和的方式計(jì)算得到焊道層數(shù)，并將每個(gè)菱形或梯形的左下角點(diǎn)位置作為焊槍焊接時(shí)焊絲尖端的坐標(biāo)，從而得到與第一層焊道平行的不同層道上的焊接軌跡；每層焊道上最上一道焊道的焊槍角度為坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道的焊槍角度為(50-Y )度，Y是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的常量，其余各道焊道的焊槍角度為50度，最終得到焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)。進(jìn)一步，數(shù)控焊接系統(tǒng)采用焊接機(jī)器人系統(tǒng)。進(jìn)一步，焊接工藝為直流反接條件下的MAG焊，相關(guān)工藝參數(shù)為:焊絲直徑1.2mm,焊接電流280-300A，焊接電壓29-3IV，焊接速度500mm/min。再進(jìn)一步，MAG焊保護(hù)氣成分為Ar:C02，氣體流量22_25L/min。進(jìn)一步，步驟(5)中，使用電弧跟蹤傳感器矯正第一層焊道軌跡，以矯正后的第一層焊道軌跡為多層多道焊的基本軌跡，然后在此基本軌跡上進(jìn)行軌跡的偏移，形成多層多道焊的其他實(shí)際軌跡。再進(jìn)一步，焊接時(shí)，在焊搶的移動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)母管，使熔池處于水平位置。進(jìn)一步，接管內(nèi)設(shè)有10_15mm厚的襯管。本發(fā)明通過坡口設(shè)計(jì)、焊接工藝設(shè)定以及利用mat lab軟件所計(jì)算的焊接軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器人的離線編程技術(shù)和電弧傳感跟蹤技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了不同管徑情況下的自動(dòng)、快速、連續(xù)相貫線軌跡焊接，解決了常規(guī)方法無(wú)法處理的厚壁管馬鞍形軌跡自動(dòng)化連續(xù)焊接；根據(jù)本發(fā)明的工藝進(jìn)行焊接，焊道排布合理，焊縫層間溫度適宜，接頭質(zhì)量良好、外形美觀、排列有序；另外，本發(fā)明的工藝方法適用范圍廣，可覆蓋目前集箱所有的規(guī)格。


圖1示出了本發(fā)明方法的流程圖；圖2示出了本發(fā)明方法中接管和母管的相貫線的模型坐標(biāo)系及相關(guān)參數(shù)；圖3示出了本發(fā)明多層多道焊接模型的坐標(biāo)系，其中\(zhòng)表示接管接頭端部的坡口角度，α2表示接管橫截面與水平面的夾角，Ci3表示水平面與代表焊道截面在母管上的寬度b的弦的夾角，on表示圖1中母管開孔處圓周上的點(diǎn)與原點(diǎn)的連線投影在X2-Y2平面上相對(duì)于X2軸的夾角，G表示裝配間隙；圖4是本發(fā)明焊槍位姿規(guī)劃的示意圖，其中A、B、C表示焊道，β !表示每層最上一道焊道(即A焊道)焊槍的徑向傾斜角，β 2表示每層自上向下第二道焊道(即B焊道)焊槍的徑向傾斜角，α表示焊口的張角，I表示焊口表面的實(shí)際寬度，c表示等邊菱形的邊長(zhǎng)，Y表示焊口表面與代表焊道截面在母管上的寬度b的弦的夾角；圖5是采用本發(fā)明的方法得到的焊接軌跡曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖1所示，本發(fā)明提供一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，包括以下
工序:第一步:獲取工件參數(shù)，包括:母管的外徑和厚度δ i，與母管相連的接管的外徑Φ2和厚度δ20必要時(shí),可在接管內(nèi)設(shè)置用于打底焊接的襯管(厚度為10_15mm),應(yīng)獲取襯管的厚
/又、灰/又寸ο優(yōu)選情況下，b為接管厚度δ 2的2.5倍，裝配間隙G為2_3mm。第二步:設(shè)定焊道截 面參數(shù)以及母管與接管之間的裝配間隙G(相關(guān)參數(shù)標(biāo)示在圖2中，下同)。焊道截面參數(shù)包括焊道截面在接管上的寬度a和焊道截面在母管上的寬度b。第三步:坡口加工。本發(fā)明中，接管采用坐騎式與母管連接，坡口為V形口。坡口角度設(shè)計(jì)原則采用等截面原則，即焊后焊道縱剖面上填充金屬量相等。因此在實(shí)施焊接工藝之前，需要根據(jù)提前設(shè)定的焊道截面參數(shù)和裝配間隙G來(lái)確定接管和母管的相貫線不同位置處的接管的坡口角度，然后對(duì)接管的連接處進(jìn)行加工。坡口加工具體包括以下步驟:a)首先確定接管與母管相貫線的肩部的最小V形坡口角度απ，通常為45度。b)根據(jù)焊道截面參數(shù)和裝配間隙G確定肩部坡口截面積，以該肩部坡口截面積作為標(biāo)準(zhǔn)截面積，確定接管與母管相貫線的不同位置處接管的坡口角度。一般，可以對(duì)接管的圓周進(jìn)行16-36等分，確定等分位置處的坡口角度即可。c)根據(jù)不同位置處的坡口角度的大小,通過solidworks對(duì)接管作圖,輸入數(shù)控加工中心，對(duì)接管的接頭處進(jìn)行切削加工。第四步:將工件參數(shù)、焊道截面參數(shù)、裝配間隙G、坡口角度和以及擬采用的焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)等輸入數(shù)控焊接系統(tǒng)，利用軟件或程序計(jì)算出采用多層多道焊時(shí)焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)。優(yōu)選情況下，數(shù)控焊接系統(tǒng)采用機(jī)器人焊接系統(tǒng)。焊接機(jī)器人可以采用motoman公司的A1400型機(jī)器人。根據(jù)擬采用的焊接工藝，根據(jù)多層多道焊的焊道排布方法和焊道計(jì)算方法可以計(jì)算出焊接位置的坐標(biāo)，即可找到對(duì)應(yīng)的焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)。具體的焊道排布方法及焊接位置的坐標(biāo)的計(jì)算方法如下:本發(fā)明中采用的焊道排布方法為:第一層焊道是接管與母管的實(shí)際相貫線的交線，通過軟件計(jì)算出母管與接管相貫線的位置坐標(biāo)，作為第一層焊道的實(shí)際初始位置。理論計(jì)算位置與實(shí)際焊道的偏差可以通過機(jī)器人上常用的電弧傳感跟蹤器予以糾正，即可找到初始位置坐標(biāo)，并將矯正后的第一層焊道軌跡作為多層多道焊的基本軌跡，然后在此基本軌跡上進(jìn)行軌跡的偏移，形成多層多道焊的其他實(shí)際軌跡。第一層焊道之上的其他各層焊道的第一道焊道緊密地圍繞接管的圓周行走，第二道焊道在本層第一道焊道的基礎(chǔ)上作偏移，后續(xù)各道焊道依次作偏移，形成每層的自上而下的多道焊道(見圖4)。如圖4所示，焊道計(jì)算方法為:將整個(gè)焊道截面按三角形計(jì)算，其中第一層焊道截面按三角形計(jì)算，后續(xù)各層最上一道焊道截面為不等邊梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等邊菱形(邊長(zhǎng)為c)計(jì)算。由焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)可以計(jì)算得到單個(gè)焊道的截面積，由此得到焊道總數(shù)，而后按照等差數(shù)列求和的方式計(jì)算得到焊道層數(shù)，并將每個(gè)菱形或梯形的左下角點(diǎn)位置作為焊槍焊接時(shí)焊絲尖端的坐標(biāo)，從而得到與第一層焊道平行的不同層道上的焊接軌跡。焊接時(shí)，每層焊道上最上一道焊道的焊槍角度為坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道的焊槍角度為(50-Y)度，y是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的常量(如Y可設(shè)為10度)，其余各道焊道的焊槍角度為50度，最終得到焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)。第五步:在第四步所述的焊接工藝條件下，由數(shù)控焊接系統(tǒng)根據(jù)第四步得到的焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)控制焊槍在坡口區(qū)域進(jìn)行連續(xù)分層焊接，得到的焊接軌跡見圖5。通常，焊接工藝采用直流反接條件下的MAG焊，相關(guān)工藝參數(shù)為:焊絲直徑1.2mm,焊接電流280-300A，焊接電壓29-31V，焊接速度500mm/min。MAG焊保護(hù)氣成分為Ar:C02，氣體流量22-25L/min。焊接時(shí)，在焊搶的移動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)母管，使焊接位置始終處于最高點(diǎn)，從而使熔池處于水平位置，以便得到外形美觀、排列有序的高質(zhì)量焊接接頭。本發(fā)明方法中，數(shù)控焊接系統(tǒng)可以采用任何適當(dāng)?shù)能浖虺绦蛴?jì)算焊槍的末端的位姿數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，焊道排布方法可以采用matlab進(jìn)行編程,結(jié)合motoman機(jī)器人的離線語(yǔ)言輸入相貫線軌跡上多層多道的所有位置點(diǎn)的坐標(biāo)與姿態(tài)，指導(dǎo)機(jī)器人完成計(jì)算軌跡的行走。本發(fā)明提供的集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法可適應(yīng)工件的范圍如下:母管外徑300 1500mm,厚度< 100mm,長(zhǎng)度大于6m,接管外徑159 600mm,接管厚度20-100mm，接管伸出母管筒體高度< 800mm，該范圍覆蓋了目前集箱所有的規(guī)格。上述實(shí)施例只是對(duì)本發(fā)明的舉例說明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實(shí)施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實(shí)施方式從任何方面來(lái)看均應(yīng)視為說明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求說明，任何與權(quán)利要求的意圖和范圍等效的變化也應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，包括以下工序: (1)獲取工件參數(shù)，包括母管和與其相連的接管的外徑、厚度； (2)設(shè)定焊道截面參數(shù)以及母管與接管之間的裝配間隙G; (3)坡口加工:根據(jù)焊道截面參數(shù)和裝配間隙G，按照等截面坡口角度設(shè)計(jì)原則，確定接管與母管相貫線不同位置處的坡口角度，根據(jù)不同的坡口角度，對(duì)所述接管的接頭處進(jìn)行切削加工，以符合焊接裝配要求； (4)將步驟(I)中的工件參數(shù)、步驟(2)中的焊道截面參數(shù)和裝配間隙G、步驟(3)中的坡口角度以及擬采用的焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)輸入數(shù)控焊接系統(tǒng)，計(jì)算出采用多層多道焊時(shí)焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)； (5)在步驟(4)所述的焊接工藝條件下，由數(shù)控焊接系統(tǒng)根據(jù)步驟(4)得到位姿數(shù)據(jù)控制焊槍在坡口區(qū)域進(jìn)行連續(xù)分層焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，步驟(3)中，坡口加工包括以下步驟: a)確定接管與母管相貫線的肩部的最小V形坡口角度； b)根據(jù)焊道截面參數(shù)和裝配間隙G確定肩部坡口截面積，以該肩部坡口截面積作為標(biāo)準(zhǔn)截面積，確定接管與母管相貫線的不同位置處接管的坡口角度； c)根據(jù)不同位置處的坡口角度的大小，對(duì)接管的連接處進(jìn)行切削加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，所述焊道截面參數(shù)包括焊道截面在接管上的寬度a以及焊道截面在母管上的寬度b ;其中，b為接管厚度的2.5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，步驟(4)中，數(shù)控焊接系統(tǒng)按照以下方法計(jì)算焊槍末端的位姿數(shù)據(jù): 將整個(gè)焊道截面按三角形計(jì)算，其中第一層焊道截面按三角形計(jì)算，后續(xù)各層最上一道焊道截面按不等邊梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等邊菱形計(jì)算，由焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算得到單個(gè)焊道的截面積，由此得到焊道總數(shù)，而后按照等差數(shù)列求和的方式計(jì)算得到焊道層數(shù)，并將每個(gè)菱形或梯形的左下角點(diǎn)的位置坐標(biāo)作為焊槍焊接時(shí)焊絲末端的坐標(biāo)，從而得到與第一層焊道平行的不同層道上的焊接軌跡；每層焊道上最上一道焊道焊槍角度為坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道焊槍角度為(50-Y )度，Y是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的常量，其余各道焊道焊槍角度為50度，最終得到焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，數(shù)控焊接系統(tǒng)采用焊接機(jī)器人系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，焊接工藝為直流反接條件下的MAG焊，相關(guān)工藝參數(shù)為:焊絲直徑1.2mm，焊接電流280-300A，焊接電壓 29-31V,焊接速度 500mm/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，MAG焊保護(hù)氣成分為Ar:C02，氣體流量為22_25L/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，步驟(5)中，使用電弧跟蹤傳感器矯正第一層焊道軌跡，以矯正后的第一層焊道軌跡為多層多道焊的基本軌跡，然后在此基本軌跡上進(jìn)行軌跡的偏移，形成多層多道焊的其他實(shí)際軌跡。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，焊接時(shí)，在焊搶的移動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)母管，使熔池處于水平位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，其特征在于，接管內(nèi)設(shè)有10-15mm 厚的襯管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種一種集箱大管座馬鞍形軌跡自動(dòng)化焊接方法，包括以下工序(1)獲取工件參數(shù)；(2)設(shè)定焊道截面參數(shù)和裝配間隙G；(3)坡口加工按照等截面坡口角度設(shè)計(jì)原則確定接管與母管相貫線不同位置處的坡口角度，并對(duì)所述接管的接頭處進(jìn)行切削加工；(4)將焊道截面參數(shù)、裝配間隙G、工件參數(shù)、坡口角度、以及擬采用的焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)輸入數(shù)控焊接系統(tǒng)，計(jì)算出焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)；(5)由數(shù)控焊接系統(tǒng)根據(jù)位姿數(shù)據(jù)控制焊槍在坡口區(qū)域進(jìn)行連續(xù)分層焊接。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)了不同管徑情況下的自動(dòng)、快速、連續(xù)相貫線軌跡焊接，焊道排布合理，接頭質(zhì)量良好、外形美觀、排列有序；工藝方法適用范圍廣。
文檔編號(hào)B23K9/02GK103111730SQ20131002367
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者黃享才, 崔江濤, 唐偉, 王忻濤 申請(qǐng)人:北京中電華強(qiáng)焊接工程技術(shù)有限公司