管管相贯焊缝机器人焊接轨迹和工艺参数的联合规划研究

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目前,管管相贯结构在海洋石油平台、造船、火力发电蒸汽管道和压力容器等工程领域有着广泛的应用。管管相贯结构所形成的焊缝为空间曲线焊缝,坡口形状不规则且有不均匀的变化,故此类结构对机器人多层多道焊接提出了特殊的工艺要求,开发和研究实现此类复杂曲线焊缝机器人焊接的方法具有重要的工程应用价值。鉴于此,本文实现了管管相贯焊缝机器人焊接的轨迹规划和工艺参数的联合规划,解决了多层多道焊接时由于坡口形状变化引起的焊缝填充过多或不足的问题,可以有效地减少或避免此种复杂结构焊接后的补焊和二次加工。本文针对焊缝倾角θ小于30°的管管相贯结构,建立了焊缝数学模型和坡口几何模型,规划了焊枪姿态、运动轨迹,并通过虚拟仿真验证了焊接轨迹的可行性。提出了一种根据坡口横截面面积变化率将焊缝分段的新方法,既保证每一段焊缝横截面积相对于整个焊缝截面积变化量的变化率是相等的,又保证每一段焊缝的横截面积变化率的最大值保持在15%范围内。通过控制每一段的焊接工艺参数,使填充金属量随着焊缝坡口的横截面积的变化而变化,从而使每层的焊道数量保持一定且每层焊缝表面高度基本一致。对于每一段的焊道,根据其焊缝尺寸的目标值,通过建立与焊缝宽度和余高相关的二阶回归焊缝预测模型确定了适合于每一段的焊接工艺参数,从而实现了焊枪位姿、运动轨迹和工艺参数的联合规划。另外,采用单因素试验方法对不同倾角的工件进行了上、下坡焊工艺试验,利用高速摄影和图像提取技术分析了焊缝倾角对熔池宽度、长度、面积、后拖角等特征参数及焊缝成形的影响,证明了当焊缝的倾角小于30°时,焊缝倾角对焊缝成形的影响基本可以忽略,坡口横截面积的变化率是影响焊缝成形的主要因素。最后,进行了焊接工艺试验,试验结果表明实际焊缝成形与规划结果基本一致,焊缝横截面面积的规划值与试验值的误差均小于15%,证明了此根据坡口横截面积的变化率对焊缝分段焊接进行规划的方法是可行的,可应用于实际的焊接工程中。
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