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研究论文
等离子弧刨在自动焊缝完成系统的发展
Takashi Hamada amp; Tsuyoshi Kato amp; Kazuo Aoyama amp;Tetsuro Aikawa amp; Satoru Asai amp; Toshifumi Kurokawa amp;Hiroyuki Takebayashi
收到:2012年11月12日/接受:2014年4月4日/网上公布:2014年5月14日 #国际焊接学会2014年
摘要：水轮机转轮被用于水力发电,它由crown-band-vane三个部分组成。每个部分之间由焊接的方式连接。在实际工作条件下，水轮机的焊线在三维空间中会发生改变，因为焊缝成型后，当工件放入水中也许会造成一个顺着焊线方向的湍急水流，所以有必要在焊后对焊缝进行定型和抛光。焊缝完成阶段通过手动的研磨机研磨完成，并且这个步骤在生产制造过程中占很大一部分比例。打磨工作对于工人来说也是一件艰难的工作。而自动操作系统是装配涡轮转子，减少艰难工作，保证质量，减少工时和焊缝完成的必需品。并且通过使用自动操作系统，能有效的将工人从这种艰苦的工作环境中解放出来。我们已经研究了在磨床上使用机器人来完成自动焊的方法。然而，有很多问题,比如研磨机的震动和研磨机的反应力和去除量的变化等，这些因素使得一些问题变得更加复杂,例如增加了设备的大小、增加了更多需要使用的设备和新的控制方法。为满足这种需求,我们把注意力集中在以等离子体电弧刨削的非接触的方式完成粗磨焊缝这一步骤。根据控制各种参数来控制刨深度。结果，可以确定刨电流和刨速度是影响刨深度的主要因素。我们建立的方法是通过控制使用参数的不同将刨深度控制在plusmn;0.5毫米。应用这种自动焊接操作系统能将实际水轮机的转轮,珠形状的误差控制在plusmn;1.0毫米或更少;应用这种自动操作系统，焊缝形状可以不太受制作角度和坡度的影响。同时，生产成本也因为这套自动控制系统大大减小。
关键词：离子焊。刨。焊缝的形状。自动控制。机器人。激光光束。水轮机
- 介绍
在水力发电中，涡轮焊接结构包括crown-band-vane。这三个部分主要在工厂里通过自动焊接来完成。转子的原材料是13Cr-4Ni钢。熔化极气体保护焊是一种由金属焊芯和由20%Ar和80%二氧化碳组成的保护气体作为焊条的焊接方法，保护气体成分可以根据需要对两种气体的含量进行更改。熔化极气体保护焊广泛应用于自动焊，半自动焊，全位置焊以及低温预热。水流在水轮机叶片的表面形状对涡轮效率有很大影响。因此,焊接后焊缝表面需要平整,因为凹凸形状的焊缝导致水流被打扰。焊缝形状和目前手工使用磨床的方式如图1所示。这种打磨操作构成了大部分的生产工时,这迫使运营商做长期3 d(肮脏、危险和贬低)工作。磨削操作的两个步骤是粗研磨,研磨完成。粗糙的打磨操作需要很多工作时间。在这种背景下,水轮机的转子的制造业需要自动焊接系统来减少运营商的3 d工作、质量稳定和减少工时。
自动焊接系统被越来越多的研磨机器人采用。解决如振动和磨床加工时的反应力和由于磨损而导致切削体积的变化的问题,然而,完成工作就必须引入较大的设备,必须采用更复杂的控制方法或任何其他解决方案。还有有很多这种类似的问题我们都希望自动操作系统来解决。针对如上所述等离子电弧刨削过程类似的问题，我们集中的采用应用程序系统自动完成焊接来代替磨削过程。通常情况下,等离子体电弧刨削过程用于焊接的清根关节[2]和除焊接缺陷。等离子体电弧刨削过程可以很容易地控制去除量与研磨过程。因此,它可以适用于自动完成焊接系统,因为它是一种非接触式，不用考虑反应里类型、振动和磨损的工具，并且不用考虑其他因素。另一方面,等离子电弧刨可能发生低温开裂和表面硬化材料融化的风险。为了防止风险,认为等离子电弧刨只应用于粗磨操作和焊后热处理后进行等离子体电弧刨削磨并完成操作。
在本文中,我们开发了自动焊珠完成系统使用等离子体电弧气刨和激光切割传感器和应用该系统的实际生产水轮机转轮。
- 等离子电弧刨的基本特征
2.1等离子体电弧刨削的设备
在高熔点金属的表面抛光,有必要使用高温将金属表面不断并且稳定的融化,可以使用一种高动能高密度的能量来源,然后删除此融化金属的表面。等离子体电弧气刨过程利用密度高,耐高温和高动能的等离子弧。这些特性可以强制使电弧电流通过小的金属喷嘴。挖沟的形状因在刨条件而异。为了研究等离子体电弧刨削的基本特征,进行了测试。刨设备用于测试商用ESAB-manufactured pcm - 150并且一个机器人被用于旅行。图2显示了等离子电弧刨削系统的设备。在这个测试中等离子体气体使用Ar-35 % 65% H2和冷却气体Ar。
2.2测试样品和测试方法
如果用等离子弧完成焊缝,深度和宽度是必须要控制的。在这个标本中,用熔化极气体保护焊将13 cr-4ni钢铁覆盖在碳钢板上并且焊缝表面用机械磨平。覆盖厚度是10毫米。表1显示了13个cr-4ni钢焊缝金属的化学成分。刨进行线性方法和编织方法如图4所示。在测试,在刨刨电流和速度的影响深度和宽度。图5显示了测量项目。
2.3测试结果
如果采用等离子弧焊接焊缝，就必须控制等离子弧刨刨深度和宽度。因此,研究了影响等离子体电弧刨削的执行参数有什么。通过理论分析，可以确定执行参数要注意包括电流、刨速度和编织速度。刨削长度是500毫米。实验工件之间的距离是30 mm,坡度为30°角和电压在125 V保持不变。图6显示了典型的横截面宏观线性刨的照片。图7显示了当前和刨深度之间的关系,如果刨速度保持不变和Fig.8显示了当前和刨宽度之间的关系。如图7所示,刨深度增加随着电流的增加。如果刨速度减慢,刨深度有增加趋势。此外,如果电流下降,最低刨深度可以控制到0.5毫米。图8显示刨宽度仍然几乎不变,即使当前和刨速度改变。图9显示了横截面宏观照片的典型编织刨。图10显示了影响织造速度对刨深度假设30 mm的编织宽度保持不变。如果编织速度增加,刨深度降低。
3测试完成的角焊缝
3.1测试样本
在实际工作中水轮机转轮的焊缝必须提前做好规划。因此,测试块角焊缝如图11所示被用来研究刨的参数对完成后的形状的影响。使用的材料和系统是第二章中使用的相同。
3.2测试方法
图12所示,用角焊缝的刨沟来测量刨深度。通过使用激光切割传感器来测量计算刨前与刨后的平均刨深度。如图13所示,刨的方向和试验台的斜率也作为影响条件进行了测试。表2显示了测试条件。在研究物理问题时,某一物理量往往受几个不同物理的影响,为了确定各个不同物理量之间的关系,就需要控制某些量,使其固定不变,改变某一个量,看所研究的物理量与该物理量之间的关系。
3.3测试结果
图14显示了刨后焊缝的外观形状。我们的研究是以曲率半径为30mm的焊缝作为研究目标。考虑到等离子电弧刨削，被等离子弧刨的工件曲率应该大于完成磨削后工件的曲率半径。图15显示了121A实验室所得到的实验结果，其刨速度为30厘米/分钟和编织速度为15.2毫米/秒。焊缝附近那些目标形状是可以被删除的必须要确定。当其他条件相同，仅仅只改变斜率时，那么,积累在工件上的渣滓和焊缝刨深度都将减少,如图16所示。图17显示了冷却气体压力和产生渣滓多少之间的关系。由图中显示的数据不难分析，冷却气体压力越大，产生的渣滓越少，但是当压力大到一定数值时，效果将不是很明显，这个数值大概在0.48MPA左右。因此减小清洁气体压力有有效增加渣滓的方式。并且证实了如果清洁气体压力降低到0.35(MPa)那么刨深度就不会受到斜率的影响如图18所示。
|
Gouging speed |
Weaving speed |
Current |
Slope |
|
(cm/min) |
(cm/min) |
(A) |
(deg) |
|
30 |
91.2 |
121 |
– |
|
30 |
142.752 |
136 |
– |
|
40 |
145.92 |
141 |
– |
|
40 |
64.8 |
140 |
– |
|
60 |
64.8 |
120 |
– |
|
30 |
96.72 |
134 |
10 |
|
30 |
94.14 |
134 |
20 |
|
30 |
97.86 |
134 |
minus;20 |
|
30 |
97.86 |
134 |
minus;10 |
|
25 |
113.904 |
142 |
20 |
|
28 |
112.68 |
142 |
– |
|
25 |
117.432 |
142 |
– |
|
28 |
119.52 |
142 |
– |
|
30 |
111.6 |
142 |
20 |
|
28 |
113.904 |
142 |
minus;20 |
|
30 |
111.6 |
142 |
minus;20 |
|
30 |
111.6 |
142 |
20 |
|
30 |
111.6 |
142 |
10 |
基于测试结果，我们研究了刨削深度与刨削参数之间的关系。如图19所示,速度之间的相关性比(=编织速度/刨速度)和刨深度是公认的。如图20所示,热输入Q之间的关系(电流times;电压/刨速度)和刨深度也是公认的。因此,多元回归分析是关于执行速度比和热输入Q找到刨深度的回归方程由编织速度大众,刨速度V和热输入问:这是回归方程,在计算实验结果时C1,C2和C3是常数
Y=C1 C2*Vw/V C3*Q
这些回归方程约plusmn;0.5毫米刨深度的95%置信区间。作为结果,它是确定的目标深度刨 0.5毫米从最后的终点线在设计考虑焊缝的多余的删除。图21显示了焊缝表面的测量结果与激光狭缝传感器焊缝形状的刨参数时使用回归方程计算。图22显示了横断面的照片后焊缝刨用回归方程。回归方程,完成形状是可能在plusmn;0.5毫米从目标的形状。
- 自动整理系统
4.1自动精加工系统的配置
图23显示了自动整理系统的结构。自动整理系统包括离线教学系统、控制系统和自动完成装置。离线示教系统可以生成机器人由转子的三维CAD数据移动的机器人的方案。该控制系统由激光狭缝传感器和传感器控制器组成。自动整理装置是由连接着机器人的六个轴组成，这个机器人被安装在一个三轴机械手
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