1    序言

        焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备，是焊接自动化的重要发展。它改变了刚性自动焊接方式，开辟了一种新的柔性自动焊接方法。另外，机器人代替手工焊接是焊接制造业的发展趋势，可以提高焊接质量，提高生产率，降低成本。另外，由于焊接环境恶劣，工人很难工作。焊接机器人的出现解决了这个问题。盾构是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能[1]。盾构具有自动化程度高、施工速度快、施工过程中对地面建筑物及交通影响小等优点，因此，在地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程得到广泛应用[2]。盾构机主要由刀盘、盾体、主驱动、螺旋输送机、管片拼装机、后配套等多个部件组成。主驱动是盾构机的关键核心部件，为刀盘提供支撑力及回转动力、传递刀盘推进力。而驱动箱是盾构机主驱动的主要结构件，用于承载主轴承、刀盘法兰、减速机等其他部件，同时提供主轴承润滑系统的齿轮油容纳空间，为前部密封及油脂润滑系统提供油脂通道[3]。

 

        随着工业智能制造程度的深入，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势，而机器人焊接成为焊接技术自动化的主要标志[4]。机器人焊接具有提高焊接质量、保证焊接质量的稳定性和均一性、提高劳动生产效率、改善劳动条件等优点。本文以CLOOS弧焊焊接机器人为基础，建立盾构机驱动箱焊接工作站，探索研究机器人焊接参数，形成驱动箱机器人焊接数据库，实现驱动箱机器人焊接，提高焊接质量及效率，提升工业智能制造水平。

 

2     驱动箱结构

        驱动箱是由不同厚度的钢板焊接形成的半封闭圆形箱体，如图1所示，为刀盘驱动系统的其他组件提供安装基座，对结构的刚度和强度要求很高，所以驱动箱的焊缝质量及结构强度安全对刀盘驱动系统具有非常重要的意义。

 

 

图1  驱动箱三维结构

        驱动箱人工焊接时，对于全熔透焊缝坡口背面需要碳弧气刨清根，噪音及劳动强度大，且驱动箱环焊缝焊接时需要焊接人员对称焊接，存在焊缝质量不稳定、焊接速度慢、生产周期长的问题。

 

3    焊接工作站构成

        驱动箱是由多个厚板零件拼接而成的组焊件，需要进行多层多道焊接，且为了减少焊接变形，焊缝应对称焊接，焊接过程驱动箱结构件需要多次翻身。

 

       根据驱动箱焊接结构尺寸特点和要求分析，焊接工作站为双机器人双工位机器人焊接工作站，两条平行的12m有效行程地面轨道上各安装有一个三维伸缩臂，每套伸缩臂上配有一套七轴弧焊机器人，两机器人可独立工作或者一同工作，如图2所示。弧焊机器人采用QRC-E-350型号关节型手臂机器人，其所有轴都有一个极大的旋转范围，使其具有非常大的灵巧性能和工作范围。机器人的手臂设计细长而紧凑，且各轴的动态性能高，保证了优良的焊接精度、速度和可重复性。

图2  焊接工作站三维布局图

 

4    焊接关键技术

4.1  焊接方法

        机器人焊接工作站选用脉冲一元化QINEO Pulse A 600焊接电源，焊接方法为熔化极气体保护焊，采用80%Ar+20%CO2的富氩混合气体保护，气体流量为15~25L/min；选用伊萨焊丝，型号为ISO 14341-A:G 46 4 M21 4Si1。

 

        机器人焊接系统中有五种焊接模式，即S-pluse（速度脉冲焊接）、Normal（普通焊接）、RAPID（深熔焊接）、RPCA（大间隙小参数焊接），焊接过程根据零件的板厚与坡口尺寸、组对间隙、焊接位置（打底/填充焊）等因素选择焊接模式。

4.2  焊接试验

        根据驱动箱结构特点，制定机器人焊接工艺试验方案，试验件（T形焊接接头）结构如图3所示，试验确定焊接参数。试验材料为Q355B，方案设计中针对背面焊缝不清根、焊接位置（横焊/立焊）、不同钝边及组对间隙尺寸进行焊接试验，其中钝边尺寸分别为0、2mm、5mm，组对间隙分别为0、2mm、5mm。焊前对坡口及其周边100mm进行预热，预热温度为100~150℃。焊后对焊缝进行超声波（UT）检测，按照GB/T 11345 B级检验、GB/T 29712 2级验收，并对焊接接头进行宏观腐蚀观察。如图4所示。

图3  机器人焊接接头坡口及试件

图4  机器人焊接接头宏观金相

 

        根据焊接接头的探伤结果及宏观腐蚀观察，分析试验过程中焊接接头存在的缺欠。针对性优化试验焊接参数，进而得到驱动箱机器人焊接数据库，数据库关键参数见表1。试验结果表明，在其他焊接参数相同、且不进行背面清根的条件下，钝边及组对间隙尺寸为2mm左右时，更易获得探伤合格的全熔透焊接接头。钝边尺寸过大、组对间隙过小时，打底焊缝熔透效果不佳，无法得到全熔透焊接接头；钝边尺寸过小、组对间隙过大时，正面打底焊接时形成的焊缝金属会过多地透过坡口背面，在背面坡口底部形成凸起，导致背面打底焊接时容易形成未熔合缺欠。

 

        在机器人焊接参数试验过程中，经对焊接接头超声波探伤检测及宏观腐蚀观察，接头中较易出现的焊接缺欠是气孔。气孔产生的原因是气体在熔化的焊缝金属凝固过程中来不及逸出所造成的[5]。产生气孔一般与气体保护效果不好、环境风速过大、气体流量过小、气体不纯、干伸长度过长等因素有关。通过不同参数条件下焊接试验，发现机器人焊接试验过程中产生气孔的主要原因是干伸长度、气体流量不匹配。

 

        通过试验确定的干伸长度、气体流量为：打底焊时干伸长度为（20±2）mm，填充/盖面时干伸长度为18mm；气体流量则应根据坡口角度、焊接模式及喷嘴直径调整，具体见表2。

 

5    焊缝传感及跟踪

        由于工件在制造、组对拼点过程中存在偏差等原因，驱动箱部件的焊道会存在差异，所以焊接时不能直接调用数据库内已编好的程序，需要采用喷嘴接触传感器、激光传感器和电弧实时跟踪等对焊接工件的组对拼点、坡口尺寸及定位偏差进行补偿，从而确保焊接质量。

 

        喷嘴接触传感器是通过喷嘴接触工件，瞬间短路形成电流回路信号，经传感器发送回机器人，记录工件接触点的位置。重复接触工件三个面，可获得工件的坐标位置。利用喷嘴接触传感器可得到坡口位置、方向及起始点，从而获得当前焊缝的位置信息，实现自动化焊接。

 

        激光远距离传感是激光以一定的角度发射到工件表面并反射，传感单元接收到反射光束并计算工件高度和轮廓。机器人通过激光传感测量结果判断工件位置，分析修正，最终获得优化的焊缝位置。

 

        电弧实时跟踪是通过焊丝干伸长控制，对工件制造、组对拼点及焊接过程的变形等所造成的工件坡口及焊接线的误差，进行迅速精确和动态地做出反应、修正轨迹，保证焊枪运行在焊道的中央、且与焊道的根部保持确定的高度。

 

6    驱动箱焊接

        根据驱动箱的结构特点，为保证焊缝可达性及焊接空间，制定驱动箱拼点焊接顺序。焊接过程中驱动箱零件分多次组对拼点，工件组对间隙保证在2mm左右。

 

        驱动箱拼点焊接顺序为：焊接小法兰连接焊缝→焊接部分筋板焊缝→焊接大法兰连接焊缝→焊接筋板剩余焊缝→焊接减速机座焊缝。为保证大、小法兰连接环焊缝的质量，法兰之间的筋板分两次进行组对焊接。如图5所示。

 

         为控制焊接变形，筋板和环焊缝同时焊接时，应先将筋板打底焊接，再依次焊接环筋外环焊缝、筋板剩余焊缝、环筋内环焊缝。

 

图5  驱动箱机器人焊接

        驱动箱零件组对拼点后，进行定位焊接，由于焊接机器人正式焊接时不能有效识别定位焊缝，若定位焊缝尺寸较大，焊接容易产生缺欠。因此，在正式焊接前需要对定位焊缝两端10~15mm打进行磨处理，圆滑过渡，保证能够与正式焊缝良好结合。定位焊缝要求焊透，不允许存在裂纹、未熔合、气孔等缺欠。

 

        对焊接区域进行预热，预热温度100~150℃；焊接参数见表1。焊接过程中，喷嘴接触传感器、激光传感器和电弧实时跟踪对焊缝位置进行定位及实时跟踪，确保焊缝的焊接质量。如图6为机器人焊接驱动箱的环焊缝图。

图6  驱动箱机器人焊接环焊缝图

        该焊接工作站实现了盾构机驱动箱部件的自动化焊接，焊缝成形美观，焊接稳定性高。且全熔透焊缝在背面坡口不进行碳弧气刨清根处理的条件下，单面焊双面成形，降低了劳动强度，保证了焊缝质量和生产效率。

7    结束语   

        1）根据盾构机驱动箱部件的焊接特点，以CLOOS弧焊机器人为核心，研制出盾构机驱动箱部件自动化焊接工作站；

        2）针对驱动箱的结构特点，设计机器人焊接试验方案，对T形结构试验件进行焊接试验及分析，得到驱动箱机器人焊接数据库；

        3）利用焊接机器人焊缝位置的传感及实时跟踪等功能，所研制的焊接工作站实现了盾构机驱动箱部件的自动化焊接，减少了劳动强度，提高了焊接稳定性。

参考文献：

[1] 陈馈，等.盾构施工关键技术[M].北京：中国铁道出版社有限公司，2005.

[2] 刘杰.盾构机构件机器人焊接轨迹可达性研究[D].天津：天津大学，2017.

[3] 马伟江.盾构机驱动箱焊接工艺[J].金属加工（热加工），2019(9)：33-34.

[4] 张冬梅. 基于动力学的移动焊接机器人建模与焊缝跟踪研究[D].天津：河北工业大学，2012.

[5] 张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2012.

来源：金属加工（热加工）