尚明月,王 明,李 敏，荣佑民,黄 禹

(1.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074；
2.江汉大学 智能制造学院，武汉 430074)

压力容器是实现工业换热设备的主要产品。近年来，工业化的不断发展对压力容器提出了更高的质量要求。其中管-管板式换热容器作为压力容器的代表，工作环境复杂、密封承压要求高[1-4]，若管-管板环缝焊接质量不满足生产需求，极易引发事故。且在大型管板群缝中，管子-管板的环缝密集，单个管板上可达数千条，对管口定位精度与焊接质量均提出了极高的要求[5-6]。

传统半自动焊接方式采用手动定位：即手动移动焊枪头，使定位轴头插入管孔，此时认为焊机旋转中心与管孔中心同心，便可进行焊接[7-8]，半自动焊接设备见图1。此焊接方式存在3个缺点：(1)定位精度不高，定位块插入的深度靠工人肉眼观看，钨极距管、距板距离均达不到焊接工艺要求；
(2)焊接半径、倾角固定，半自动方式的焊枪头完全固定，由螺栓锁紧，无法适应焊接参数的实时变化；
(3)焊接质量差，焊枪头所在焊接平台完全由工人手动移动，不能保证焊接平面与管板平面平行，易出现焊接未熔合与管壁烧穿的情况[9]。

图1 半自动管板焊机实物图

基于上述背景，本文设计一套针对大型管板群缝自动化焊接的控制系统，旨在提高管板焊接设备的定位精度与焊接质量。系统以下位机运动控制器为基础，通过手眼标定、管板触碰等焊前操作与正确的焊接流程，实现设备的精准定位与高质量焊接。

该管板焊接设备主要由XYZ三轴运动平台加旋转机头组成，设备整体与旋转机头实物如图2所示。其中X，Y轴运动行程为1 600 mm，可以满足大型管板的焊接需求。旋转机头由U轴(旋转轴)、V轴(枪摆轴)、W轴(送丝轴)、R轴(半径轴)等4根轴以及相机与焊枪头组成。其中U轴负责控制机头旋转、V轴负责转动枪摆、R轴负责控制半径距离、W轴负责送丝。

图2 设备整体与旋转机头实物图

设备控制系统采用模块化设计[10-11]，可分为软件模块、主控模块、相机模块、电机驱动模块等，各模块间关系如图3所示。其中软件模块是基于QT软件进行页面搭建，提供设备接收操作指令的窗口；
主控模块采用正运动控制器ECI2822，该运动控制器最多可控制10根轴，满足设备的需求，其中X,Y,Z,U四根轴采用EtherCAT总线进行控制，驱动器采用多圈绝对值编码器[12]，保证位置精度，其余各轴采用脉冲方向控制；
相机模块采用大恒MER2-503-23GM-P相机进行图像的获取与测量；
电机驱动模块由迈信EP3E系列伺服电机与锐特42/57步进电机组成。此外设备焊机采用松下YC-400TX4HGE焊机，可焊接电流范围为4～400 A，满足实际焊接需求。

(a)模块说明图

设备的完整运动主要由运动控制系统实现[13]。可分为：粗调设备与管板间距、手眼标定、管板调平、管板触碰等焊前准备工作；
全自动焊接、补焊等焊接操作；
以及焊接完成的回到工作位置操作。

3.1 焊前操作

焊接前准备工作主要是对管-管板进行精确定位，以便焊接时更好控制焊接距离。焊前准备工作可分为：手眼标定、管板调平、图纸标定、管板触碰四部分，焊前操作顺序如图4所示。

图4 焊前操作顺序示意

手眼标定的目的是使相机找到拍照位置，此时相机配合十字激光刚好定位管口中心；
管板调平的目的是使焊枪头回转所在平面与管板平面平行，保证在焊接过程中焊枪头距管距离、距板距离保持不变，从而避免出现焊接未熔合与管壁烧穿的情况；
图纸标定的目的是使设备坐标与图纸坐标重合，标定成功后可以任意选取管口，设备可准确移动到所选择位置；
管板触碰的目的是补偿回转轴的回转中心与相机焦点的偏差(精定位偏差)，该偏差是系统固有偏差，每次全自动焊接都需要添加该补偿。

3.2 主要焊接流程

管板焊接设备最重要的流程是全自动焊接：单击软件主页面“全自动焊接”功能按钮，运动控制程序执行完整焊接流程，并实时上传焊接信息，焊接结束回到工作位置。全自动焊接功能主要由控制器程序进行驱动，主要步骤如图5所示。

图5 全自动焊接流程

流程中起弧→焊接→熄弧直接决定焊接质量的好与坏，其运动时序十分关键。如先预通氩气，清除焊缝表面空气，防止出现气孔；
经过预热时间达到焊接电流峰值或接收到焊机起弧成功信号，方可旋转机头与送丝；
熄弧过程要先停止送丝，再停止旋转机头，熄弧电流呈波峰波谷式下降，此时焊缝熄弧处会呈现近同心圆的鱼鳞状焊缝，最终收缩到圆心呈点状，工艺效果较好。

图6 焊接起弧-熄弧时序图

设备焊接时序图如图6所示，各部分焊接时间可根据实际焊接材料设置不同比例，但各部分的时序不可发生改变，否则将影响焊接测试效果。

3.3 程序架构

该设备运动控制程序是基于正运动控制器采用Basic语言进行编写，整体架构分为：系统设置模块、总线初始化模块、参数读取模块、全自动焊接模块、回零模块与报警监视模块等6个模块，分块编写程序[14]。程序执行采用三线程同时运行：参数读取线程、工作模式线程、报警监视线程，参数读取线程负责读取上位机软件操作指令与焊接参数；
工作模式线程在全自动焊接、回零、补焊等不同工作模式下切换；
报警监视线程全程监视各个轴、氩气、水路、焊机、驱动器等报警信息，出现报警及时反馈信号并急停设备。

控制系统设计完成，首先对焊接管口的重复定位精度进行了测试。选择管板第一排6根管口，焊接模式选择不起弧、不送丝。将XYZ三轴伺服驱动器多圈值在设备零点处清零，通过实时监测XYZ三轴驱动器参数，便可监测X，Y，Z三轴运动到焊接位置时坐标，将数据记录成表格，并绘制成散点连线图，如图7所示(由于不同管口位置坐标不同，且根据实际监测发现该系统各轴坐标重复精度都在1 mm之内，故本试验均对试验数据去除整数，保留小数部分作图，便于体现偏差大小)。

图7 各轴重复测试下偏差值

根据实际焊接经验，针对同一管口，钨极与管壁/管板的距离波动越小越好，即不同测试下的重复精度越高越好。从图中截取每个管口不同测试数据，分别计算其极差大小(即同一管口测试一到测试五的纵坐标最大偏差值)，可得各个轴的极限偏差：X为0.06 mm；
Y为0.05 mm；
Z为0.167 mm，完全满足设备预定精度要求，也达到焊接使用标准，为接下来焊接测试做好基础。

重复定位精度测试完成后，对设备的焊接效果进行了测试。实际焊接应用过程中，焊接模式可分为[15]：(1)焊1层，不填丝；
(2)焊1层，填丝；
(3)焊2层，第1层填丝，第2层不填丝；
(4)焊2层，均填丝。故本文针对焊接过程中是否送丝都进行了焊接参数的探索与焊接效果验证。

针对不填丝自熔焊接与填丝焊接两种不同焊接方式，每种情况对焊接参数、焊枪摆角等都有不同要求。本文采用的管板规格参数如表1所示，管板直径 600 mm、厚度47 mm、管孔数144个，属于大规模管板群缝焊接。按照管子端面与管板焊接平面之间的距离，管板接头有3种形式[16]：伸出式、平齐式、缩进式。本文的管子均采用管子轴线与地面平行固定，管板接头为伸出式，伸出管板平面距离3～4 mm。

表1 管板规格参数

4.1 不填丝自熔焊接测试

4.1.1 不填丝自熔焊接参数设定

根据实际焊接经验：在管子较厚、无间隙、平焊、焊缝无过高要求的状态下可以不填丝。但是此时焊缝容易产生下凹，焊缝下凹会导致焊接区抗拉性差，因为此时焊接母材已经熔化变薄。

根据不填丝自熔焊接的特点，设定对应焊接参数。根据图4中管板调平与管板触碰所示，将管口左侧定为基准0°，沿顺时针方向依次为90°，180°，270°。其中焊接初始角度设定在95°，目的是让焊枪在管口上方起弧，此时熔化铁水在钨极前方，焊接质量好；
焊接过程中基值电流、峰值电流、时间参数参照文献[17-18]中参数进行初设定范围，并针对实际焊接情况与样件材料，各项指标均作出相应调整，经过多次测试，最终选定焊接参数[19]，如表2所示。

表2 不填丝自熔焊接参数

4.1.2 不填丝自熔焊接效果

使用设备对管-管板进行不填丝自熔焊接测试，焊接效果如图8所示(取其中一个作为代表)。可以看出，焊缝成形美观且焊缝均匀一致、过渡平滑、无焊接气孔[20]，满足外观检测需求。

图8 不填丝自熔焊接效果图

对焊缝进行渗透检测：通过喷涂清洗剂，去除表面铁屑、氧化皮；
再喷涂渗透剂，置于空气中15 min；
最后喷涂显像剂，观察焊缝缺陷如图9所示，未见明显焊接缺陷。采用焊缝检测尺对角焊缝焊缝层厚度进行测量，在45°时的焊点为角焊缝厚度，当焊接电流基值与峰值为85 A和185 A时，角焊缝厚度测量值在1.0～1.2 mm之间，满足角焊缝厚度要求。

图9 不填丝自熔焊接渗透检测与角焊缝厚度检测图

4.2 填丝焊接测试

4.2.1 填丝焊接参数设定

填丝焊接是钨极氩弧焊最常用的焊接方式。对于不同焊接材料与焊接要求，填丝工艺也会有很大差别。本文针对Q345R管板进行焊接，由于填丝焊接工艺要求较高：焊枪头距管距离、距板距离、送丝速度、送丝角度都会对焊接熔池产生影响，进而影响焊接质量。

经过多次实际焊接测试，选定焊接参数见表3。对比不填丝自熔焊接，增大了基值电流、峰值电流、距管距离、距板距离。增大距管距离、距板距离是因为填丝焊接工艺主要将焊丝熔化填入焊缝，轻微熔解管板与管子，故焊接时距板、距管距离变大，保证完整送丝；
增大焊接电流是因为填丝焊接工艺距管距离、距板距离的增大，导致焊缝处温度降低，为了更好地熔化焊丝填补焊缝，需要增大焊接电流，可根据实际焊接距离进行调整。

表3 填丝焊接参数

4.2.2 填丝角度测试

管板焊接设备主要用填丝焊接模式，故对填丝焊接进行了大量的测试。首先对焊枪头的送丝角度进行测试，主要测试目的：防止焊丝撞击管口、送丝位置距离钨极尖端2 mm左右、沿U轴旋转方向在钨极前送丝等[21]。试验测定送丝嘴所在平面与钨极轴线所在垂直平面呈18°～30°、送丝嘴轴线与钨极轴线呈60°～70°、焊枪头偏转角在15°～25°，送丝焊接效果最好，如图10所示(根据实际焊接材料与焊接方式不同会有差别)。

图10 焊枪位置示意

4.2.3 填丝焊接效果

调整好送丝角度，对填丝焊接效果进行测试，如图11所示。可以看出，焊缝填丝均匀、焊接电流平稳、未出现烧穿管头以及管头未熔合现象，满足填丝焊接外观检测要求。

图11 填丝焊接效果

对焊缝进行渗透检测，通过喷涂清洗剂、渗透剂、显像剂，观察焊缝缺陷如图12所示，未见明显焊接缺陷。采用焊缝检测尺对角焊缝焊缝层厚度进行测量，在45°时的焊点为角焊缝厚度，当焊接电流基值与峰值为95 A和195 A时、送丝速度为9 mm/s时，角焊缝厚度测量值在1.8～2.0 mm，满足角焊缝厚度要求[22]。

图12 填丝焊接渗透检测与角焊缝厚度检测图

大型管板类换热容器具有焊缝密集、管口数量庞大的特点，对管板焊接设备的定位精度与焊接质量均提出了较高的要求。传统半自动焊接方式呈现定位精度不准、焊接半径固定、焊接质量差的缺点。基于上述背景，本文设计开发了一套以下位机运动控制为基础、针对大型管板群缝数字化焊接的控制系统。设备测试结果表明：运动平台X,Y,Z方向极差分别为0.06,0.05,0.167 mm，均满足焊接使用要求；
不填丝自熔焊接与填丝焊接均无气孔、焊接未熔合与管壁烧穿等现象，且满足外观检测、渗透检测与角焊缝厚度检测要求。试验测试结果表明该系统是可行的，为全自动化管板焊接设备提供了研究基础。

同时，不同焊接参数对焊接质量会有较大影响，且与焊接材料、焊接电流等相关，具体技术研究较为复杂，将在后续研究中逐步加以解决。

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