李天旭1 王天琪1 杨华庆2 侯仰强1
(1.天津工业大学 天津市现代机电装备技术重点实验室,天津 300387;2.中国石油集团工程技术研究所,天津 300450)
摘要 针对厚板V形坡口的焊缝宽、母材厚、焊接轨迹曲线与待焊工件焊缝中心线不一致等问题，设计了一套摆动焊接程序，在机器人离线编程软件中进行工作站建模、离线编程、运动轨迹仿真，仿真结果满足试验要求。使用六轴机器人、Fronius焊机等搭建试验系统，采用经典的单一变量控制理论，选择最优焊接参数。使用厚度为18 mm的低碳钢板，对V形坡口进行多次填充焊以及盖面焊。试验结果表明，焊接工艺良好，V形坡口两侧的母材熔合情况良好，未见焊缝塌陷、层间未熔合和咬边现象发生，焊缝两边无间隙，焊缝成形呈“鱼鳞纹”状。
关键词： V形坡口 离线编程 焊接参数 焊接工艺
随着国内采矿、石油产业的飞速发展，在一些工业产品的零部件焊接加工中，存在焊接母材过厚、焊缝较宽的问题，其中厚板V形坡口的焊接较为常见[1-2]。V形坡口的焊接包括打底焊、填充焊、盖面焊，除打底焊外，由于焊缝较宽，普通焊接的填充无法得到良好的焊接工艺[3-4]。对V形坡口进行填充焊和盖面焊传统的解决方法是依靠焊工进行焊接操作时，以一定的周期、一定的摆动轨迹进行摆动焊接，这样不但效率低，而且焊接质量不稳定。另外，近十几年来随着技术的成熟，弧焊机器人的应用越来越广泛，逐渐代替人工焊接，来满足大批量生产焊接自动化的需求[5]。经过近几年的研发，一些著名的电焊机生产厂家，如福尼斯、威特力、东升焊机等，已经开发出了多种能够实现摆焊功能的电焊机及自动焊接设备，配合弧焊机器人末端执行器的摆动，能够实现焊缝摆焊的焊接要求[6-8]。但由于V形坡口待焊件较厚、焊缝较宽、焊缝实际宽度与设置宽度不符、焊接轨迹曲线与待焊工件焊缝中心线不一致等问题，使用机器人摆焊系统来填充V形坡口的中间层，很难得到理想的焊接工艺[9]。
文中针对机器人自带摆焊系统中专家程序的不足，设计了一套针对厚板V形坡口的填充焊和盖面焊的离线程序。为了减少试验次数，保证实际焊接成功率，使用机器人离线编程软件进行搭建焊接工作站、运动轨迹离线编程、工作站仿真等操作。选择厚度为18 mm的低碳钢板，对V形坡口进行多次填充焊以及盖面焊，改变焊接参数进行多组焊接试验，研究焊接工艺。
1.1 工作站的建模
待焊工件选择长400 mm、宽180 mm、厚18 mm的低碳钢板，V形坡口角度为60°，如图1所示。
图1 待焊工件示意图
在机器人离线编程软件RobotStudio中进行工作站的建模。采用ABB公司的IRB1410型机器人、Fronius_TPS4000焊机、待焊工件以及其他焊接试验器材完成了在离线编程软件上的建模，焊接工作站如图2所示。
1.2 工件坐标系的标定与计算
由于需要用到偏移指令来实现摆焊功能，该指令设定：使机器人末端(即焊枪)实现在当前使用坐标系下的X、Y、Z轴方向偏移任意距离。为了使焊枪焊接轨迹与待焊工件焊缝中心线一致，同时保证试验结果更加精确，需要对工件坐标系进行预先标定。工件坐标定义工件相对于机器人基坐标系的位置，对机器人进行编程时就是在工件坐标中创建目标和路径。完成工件坐标的标定后，在重新定位工作站中的工件时，只需要改动工件坐标的位置，所有路径将即刻随之更新。标定原理如图3所示。
图2 焊接工作站建模
图3 工件标定原理图
为了快速简单的进行标定，在工件的表面，只需要定义三个特殊点就可以建立坐标系。定义OR为机器人基坐标系，OU为实际工件坐标系。找到工件的第一特征点P0，视作工件坐标系的原点，以此特征点为基准，沿设定X轴方向移动一段距离取第二点P1，确定工件坐标的X轴正方向，沿Y轴方向移动一段距离取第三点P2，确定工件坐标的Y轴正方向，从而完成工件的标定。工件坐标等符合机器人学的右手定则。
工件的标定计算实质是求工件坐标系OU相对于机器人基坐标系OR的转换矩阵
(1)
式中：
r12=2(q2q3-q1q4)
r13=2(q2q4+q1q3)
r21=2(q2q3+q1q4)
r23=2(q3q4-q1q2)
r31=2(q2q4-q1q3)
r32=2(q3q4+q1q2)
工件坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵
(2)
式中
根据式(2)，由机器人控制柜读出四元数Q，即可求出其对应的旋转矩阵。标定试验结果见表1。由式(1～2)对表1中的数据进行处理，得到工件坐标系相对于机器人末端坐标系的变换矩阵为：
表1 工件坐标系标定结果
试验序号坐标X/mm坐标Y/mm坐标Z/mm四元数q1四元数q2四元数q3四元数q41351.9268-54.759199.3011-0.129860.70849-0.681410.129792352.0244-55.655598.8398-0.125380.70572-0.684480.133143352.3462-55.279998.8431-0.121790.70547-0.685420.132934352.3274-55.690698.7693-0.123620.70405-0.687020.130575352.5341-54.116598.8299-0.130210.70439-0.684590.134896352.1411-54.889398.6937-0.129480.70141-0.687560.13608
为了提高标定精度，可以进行多次试验，然后通过计算平均值或使用最小二乘法确定最终标定结果，从而完成标定计算。
1.3 离线编程与仿真
在ABB机器人rapid编程语言中进行离线编程。为了实现摆焊功能，不但需要在标定好的工件坐标系上给出特定的偏移方向与偏移量，还需要使偏移指令进行循环，以达到摆焊的宽度、长度均可调节的动作，从而完成V形坡口的填充与盖面。
部分程序如下：
ArcL P10, v100,seam1,weld1,tool1/wobj1;
ArcL P20,v100,seam1,weld1,tool1/wobj1;
P10 ：=offs (P10, lX, lY, lZ);
P20 ：=offs (P20, lX, lY, lZ);
其中：“ArcL”为指令关键字；“v100”定义机器人运动的速度v为100 mm/s；“seam1”定义保护气的预充气时间、吹气时间，收弧时的回烧量等焊接参数；“weld1”定义焊接速度、焊接电压、送丝速度等焊接参数；“tool1/wobj1”表示当前程序使用的坐标系为工件坐标系wobj1；“：=offs”为赋值偏移指令，其中的四个可选变元，第一个变元表示变量点，另外三个变元分别为X，Y，Z轴的偏移量，该偏移量在当前工件坐标系wobj1下实现偏移。程序设计原理如图4所示。
在FOR循环中使用offs偏移指令，示教两个变量点P10,P20，当焊枪由P10走到P20点时，此时“：=offs”赋值偏移指令使变量点P10沿工件坐标系Y轴偏移了l，称P10′，因此焊枪会从P20走到P10′点，同理P20点也被赋值更新了位置，因此下一指令是由P10′走到P20′，P20′下一指令到达P10″，P10″下一指令到达P20″…这样循环下去。该程序的设计，焊缝的宽度、长度、焊接速度等影响焊缝成型的因素都可以进行修改调节。焊缝宽度为P10到P20的直线距离，焊缝长度L为：
图4 摆焊程序设计原理
L=n·l
(3)
焊接速度可以通过示教器对焊接数据进行设置，完成参数选择。离线编程之后，在RobotStudio中进行仿真，得到良好的TCP运动轨迹。
2.1 试验系统
搭建试验工作台，电焊机与机器人型号为1.1中建模时所选型号；其中机器人与焊机的通讯是通过DeviceNet数据线进行通讯，可以直接通过ABB机器人的示教器进行焊接参数的调节，方便快捷。试验系统示意图如图5所示。
待焊工件的焊接母材选取10 mm厚的普通低碳钢，焊丝选用牌号为ER50-6的G3Si1型号，焊丝直径为1.2 mm。母材和焊丝的化学成分见表2。保护气体成分为CO2(18%)+Ar(82%)，保护气流量Q为15 L/min。
表2 母材和焊丝的化学成分(质量分数，%)
材料CMnSiPSNiCrMoVCu母材0.650.120.320.0300.0280.220.18——0.20焊丝0.121.450.850.0250.0250.150.150.150.050.50
2.2 参数选择
由于焊接方式为摆动焊接，因此参数的选择对焊缝的成型有很大的影响。因此，采用经典的单一变量控制理论，进行对比试验，来选择最优焊接参数。试验参数如下表3所示。
焊接模式选择CMT一元化直流焊，弧长修正为0，熔滴动态修正为0，电弧电压U、送丝速度随着焊接电流变化而自动匹配。因此只需针对焊接电流I、焊接速度v、摆焊偏移量l进行对比试验。试验结果如图6所示。
图5 试验系统示意图
表3 对比试验参数
试验序号摆焊偏移量l/mm焊接电流I/A电弧电压U/V送丝速度v/(m·min-1)焊接速度v/(mm·s-1)1-1510015.92.3101-2515017.53.7101-3520019.25.3102-1520019.25.3152-2520019.25.353-1310015.92.3103-2315017.53.7103-3317518.34.5104-1317518.34.5154-2317518.34.520
由试验结果得知，在试验1-1,1-2,1-3中摆焊偏移量l取5 mm，保证其他参数不变，针对电流变化进行对比试验，随着焊接电流增大，熔深和余高增加；试验2-1,2-2相对于试验1-3改变焊接速度，可见焊接速度越大，由于焊接能量减小，单位长度焊缝上的焊丝金属的熔敷量与焊接速度成反比，因此熔深和焊宽相应减小，余高减小。以上五组试验显示，当偏移量l取5 mm时，焊缝两边会出现焊缝形状在水平方向上的间隙，而且存在“虚焊”现象，焊缝成形不理想。因此取摆焊偏移量l为3 mm，进行试验3-1观察摆动偏移量对焊缝成形的影响。得到的焊缝两侧仍然出现间隙，增大焊接电流进行试验3-2,3-3，得到良好的焊缝，但由于电流增大，导致余高过高；在此基础上，增大焊接速度，进行试验4-1,4-2。试验4-1的焊缝成形明显变好，焊缝宽度、余高等特性满足要求，未见焊缝塌陷、层间未熔合和咬边现象发生，母材融合良好，焊缝两边无间隙，符合焊缝焊接的要求；相比之下试验4-2由于焊接速度过大，焊缝两侧出现间隙，焊缝成型不理想。
图6 试验结果
2.3 综合应用
利用优化后的焊接参数，对V形坡口进行了打底焊、填充焊五层、盖面焊。焊接模式选择CMT一元化直流焊，弧长修正为0，熔滴动态修正为0其余参数如表4所示。
打底焊由于不需要摆动，因此选择常规焊接参数。填充焊过程中，前两层焊缝较窄，为避免余高过高，焊缝中间出现堆焊的现象，选用的电流不宜过大，焊接速度不宜过低，因此选用试验3-2的焊接参数。填充后三层时，由于坡口间隙变大，焊缝宽度增加，为了使焊接充分，避免焊缝两侧出现“虚焊”现象，应适当增大焊接电流，选用试验3-3焊接参数。盖面焊由于焊缝宽度过大，对工艺要求高，同时保证焊缝表面美观，焊缝余高不宜过高，因此应该减小焊接电流，同时适当提高焊接速度，选取试验4-1焊接参数，以保证焊接质量。焊接结果如图7所示。
试验结果显示，设计的程序可以很好的满足对V形坡口的摆焊试验要求。两侧的母材融合情况良好，未见焊缝塌陷、层间未熔合和咬边现象发生，焊缝表面成形呈“鱼鳞纹”状。焊接轨迹曲线与焊缝中心线保持一致，焊缝较宽、母材较厚等因素对焊接的影响可以有效解决，焊缝宽度、焊缝余高等特征满足焊接工艺要求。
表4 试验参数
焊接次数焊接电流I/A电弧电压U/V焊接速度v/(mm·s-1)送丝速度v/(m·min-1)焊缝宽度d/mm焊缝余高h/mm打底焊10015.982.343第一层15017.5103.773第二层15017.5103.7103第三层17518.3104.5133第四层17518.3104.5163第五层17518.3104.5183盖面焊15017.5153.7242
图7 V形坡口焊接试验结果
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(1)针对厚板V形坡口的焊缝宽、母材厚、焊接轨迹曲线与待焊工件焊缝中心线不一致等问题，设计了一套摆动焊接程序，使用特征点三点标定法进行了工件标定，并且在机器人离线编程软件中实现了工作站建模、离线编程、运动轨迹仿真，仿真结果显示可以满足实际焊接要求。
(2)使用ABB公司的IRB1410型机器人、Fronius_TPS4000焊机等搭建了试验系统，通过多次摆焊试验确定了最优焊接参数。使用板厚18 mm的低碳钢板，对坡度为60°的V形坡口进行了焊接试验。试验结果表明，使用摆动焊接程序对V形坡口进行打底焊、填充焊、盖面焊，焊缝长度与宽度均可以自主设置任意尺度，两侧母材融合情况良好，焊缝成形呈“鱼鳞纹”状，焊缝较宽、母材较厚等因素对焊接的影响可以有效解决，焊接轨迹曲线与待焊工件焊缝中心线不一致等问题也可以避免。
参考文献
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中图分类号： TG444
收稿日期： 2017-05-16
基金项目： 国家自然科学基金资助项目(U1333128)；天津市科技支撑计划项目(15ZCZDGX00300)。
作者简介： 李天旭,1994年出生,硕士研究生。主要从事焊接机器人方面研究。
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