海洋平臺yk節(jié)點自動焊接試驗研究

海洋平臺yk節(jié)點自動焊接試驗研究

0全位置焊接工藝在海洋工程中，管道和海拔管的自動焊接技術(shù)不斷被采用。然而，由于海洋工程中導管結(jié)構(gòu)的大直徑和厚壁管道的tyk節(jié)點（馬鞍形入口）是管道和管道之間的結(jié)構(gòu)，因此形成了一個截面。圓管的焊接位置是固定的，焊接是空間曲線的焊接。焊接時，應采用全位置焊接技術(shù)。在全位置焊接中，焊接槍位于不同的焊接位置，需要改變焊接過程中參數(shù)。同時由于各部分的坡口形式復雜、坡口尺寸不一致,要求填充量隨著焊接位置的變化而變化,使焊接過程變得復雜。因此,目前采用的仍然是焊條電弧焊或CO2氣體保護焊進行焊接,國內(nèi)外對TYK節(jié)點進行全自動焊接技術(shù)的研究仍是空白。此次研究通過MotomanUP20弧焊機器人進行模擬試驗,與現(xiàn)行半自動CO2氣體保護焊進行對比研究,對TYK節(jié)點自動焊接方案、可行性、效率等進行了評估和分析,試圖通過此次研究對海洋平臺TYK節(jié)點自動焊接可行性及其存在的問題和困難進行技術(shù)闡述和理論保證。1選取節(jié)點尺寸海洋工程導管架和上部組塊結(jié)構(gòu)形式根據(jù)平臺形式不同而不同,TYK節(jié)點的管徑和形式也有很大不同,鋼管規(guī)格一般在準406mm×13mm~準1800mm×50mm之間,節(jié)點形式典型圖參見圖1。為便于開展研究工作,選取支管準508mm×19mm交主管準610mm×25mm的管道接頭,夾角90°的T形(圖1a)和45°Y形(圖1b)管道接頭作為試驗對象,其他規(guī)格接頭除焊接層數(shù)、焊接時間和焊材消耗量不同外,其余焊接原理及形式與所選取試驗對象的焊接基本一致。通過MotomanUP20弧焊機器人進行模擬試驗,與現(xiàn)公司采用的半自動CO2氣體保護焊進行對比研究,從試驗及理論兩個方面研究TYK節(jié)點自動焊接可行性、風險、焊接效率以及焊接質(zhì)量。2研究計劃2.1變位機接頭焊接通過對MotomanUP20弧焊機器人系統(tǒng)進行簡單改造,使其能夠基本上滿足T,Y形接頭的焊接,進行了焊接可行性試驗。由于試驗件管徑較大,而試驗室中變位機的承載質(zhì)量僅為500kg,因此,把管道切為兩部分(圖2),分別對對指定規(guī)格的T形接頭和Y形接頭進行焊接示教,采用焊槍姿態(tài)不動、變位機旋轉(zhuǎn)的方式模擬現(xiàn)場的TYK接頭的自動焊接。焊接方法采用GMAW進行焊接試驗,對比試驗在海油工程青島場地結(jié)構(gòu)預制車間進行,焊接方法為半自動CO2氣體保護焊,具體試驗條件見表1。2.2焊接時間的確定試驗全過程采用秒表進行計時,其中焊接時間指純焊接時間,即:焊接起弧秒表計時開始,熄弧計時暫停,最后總時間累計求和,最終效率對比情況見表2。3發(fā)現(xiàn)和可行性分析3.1模擬焊接工藝參數(shù)的控制焊接中發(fā)現(xiàn),坡口的截面積變化、焊槍位姿改變和焊接速度對焊縫成形和焊接質(zhì)量影響很大,如圖3所示,在(1)和(2)位置,2個管道之間焊縫截面積大于(3)位置,在焊接參數(shù)相同的情況下,難以采用相同的焊接層數(shù)和焊道數(shù)完成填充過程。而且,由于截面積變化較大,即使采用變參數(shù)和調(diào)整擺動幅度2種方法也難以達到良好的填充效果。在焊接中,焊槍由(1)或(2)位置向(3)位置運動進行焊接時,屬于下坡焊,反之屬于上坡焊,在此過程中需要根據(jù)經(jīng)驗仔細示教焊槍的姿態(tài)和焊接速度,防止出現(xiàn)未熔合和金屬液下流問題。因此,在進行T形接頭焊接的過程中要重點考慮2個問題:焊槍的位姿可達性和全位置焊接的焊接工藝參數(shù)控制。通過實驗室中的模擬試驗可以得出如下結(jié)論:(1)目前的坡口形式由于截面積變化較大,難以用相同的焊接層數(shù)和焊道數(shù)完成多層多道填充;(2)由于坡口角度的變化較大,影響焊槍的位姿可達性;(3)焊接位置包含了上坡焊、平焊、下坡焊的3種情況,通過調(diào)整焊槍的姿態(tài)和焊接速度,采用相同的焊接電流和電弧電壓完成填充焊接。3.2大口部對比分析Y形接頭較T形接頭更為復雜,對機器人運動控制的影響更大。圖4所示是Y形接頭的模型,Y形接頭可分為大口端(1)和小口端(2),由于二者的尺寸差別非常大,難以采用相同的焊道數(shù)完成焊接。對于小口端而言,焊接坡口的尺寸如圖5a所示,經(jīng)過平焊、上坡焊、下坡焊3個位置,通過調(diào)整焊槍姿態(tài)能夠保證焊縫的成形,從而在焊接過程中可不用改變焊接工藝參數(shù)。焊槍的姿態(tài)調(diào)整較大,這里由于接頭的鈍角位置,焊槍可調(diào)的空間很大,故能夠滿足焊槍的調(diào)整。由于坡口較小,運動空間大,能夠在填充到一半左右時進行擺焊,以提高焊接效率。對于Y形接頭的大端口而言,坡口形式如圖5b所示,同樣經(jīng)過上坡焊、下坡焊和平焊3個位置。由于2個管接頭不能夠完全配合,在焊接之前需要焊條電弧焊打底,把漏處補上然后自動焊。2個管道之間的交角非常小,焊槍此時需要進行大角度姿態(tài)調(diào)整,但可調(diào)的空間非常小,如圖6所示,大口端中間位置的外側(cè)空間約為28mm,而焊槍嘴的直徑最大處為26mm,焊槍的運動空間十分有限,只能夠在焊絲伸出長度長的情況下施焊,保護效果很差。因此,在極限位置會產(chǎn)生未熔合缺陷。對于小口端,焊槍的姿態(tài)調(diào)整也比較明顯,在高點時,焊槍在橫焊和仰焊之間變化,在低點,焊槍處于仰焊、平焊和船形焊之間變化。管道之間的交角能夠滿足焊槍姿態(tài)的變化。由于焊槍連接在機器人第6軸上,需要考慮第6軸與工件之間的碰撞。焊槍姿態(tài)的調(diào)整情況如圖7所示。從Y形口的大口端和小口端的焊接位置和焊槍可達性的分析可知,在進行TYK接頭焊接的過程中需要重點考慮兩個問題:焊槍的可達性和全位置焊接的焊接參數(shù)控制。通過模擬試驗可以得出如下結(jié)論:(1)目前Y形坡口尺寸不規(guī)則,影響焊槍的可達性,不適合于自動焊接;(2)坡口大口端和小口端的截面積變化較大,不能采用相同的焊道數(shù)完成兩個部分的焊接;(3)焊接位置變化較大,采用同一參數(shù)進行焊接時影響焊接質(zhì)量,需要采用參數(shù)分段的方式完成焊接。3.3tyk接頭在現(xiàn)代工程中的應用現(xiàn)狀(1)由于TYK接頭的焊縫是空間曲線焊縫,并且各部分的坡口角度不一致,焊接過程中要求焊槍能夠達到焊縫上任意一點所處的位置,并保持合適的姿態(tài)。但目前存在很大的技術(shù)難度,Y,K形接頭目前還無法保證焊槍可達性,從而無法保證焊接質(zhì)量。(2)海洋工程TYK接頭管壁較厚,需要進行多層、多道焊接,因此必須根據(jù)各位置的具體情況設(shè)置相應的焊接工藝參數(shù)庫(包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、保護氣比例及流量、焊槍傾角及夾角、焊槍擺幅等),自動控制系統(tǒng)需根據(jù)焊槍所處的位置及所焊接的層、道自動轉(zhuǎn)換焊接工藝參數(shù)及焊槍的運動區(qū)間和方向進行調(diào)整。但若應用到工程實踐中,空間接頭裝配精度有限,而且焊接過程中存在的熱變形會對焊縫軌跡、多層多道焊焊道排布產(chǎn)生影響,進而影響焊接參數(shù)庫的應用。上述問題雖然可以通過激光控制予以解決,但技術(shù)難度和成熟度有待調(diào)研。4tyk節(jié)點焊接的難點綜合以上對T形坡口和Y形坡口的自動焊接可行性分析,在后續(xù)的TYK節(jié)點自動焊技術(shù)研究時應該充分考慮如下問題:(1)坡口加工質(zhì)量及坡口裝配精度對自動焊接起至關(guān)重要的作用;(2)坡口大口端和小口端的截面積變化較大,不能采用相同的焊道數(shù)完成兩個部分的焊接,直接影響TYK節(jié)點自動焊接技術(shù)研發(fā);(3)在小口端靠近根部位置,焊槍位置和可達性