肖俊祥周燦豐焦向東朱加雷李憲政

(1.中鐵工程裝備集團有限公司，鄭州450016；2.北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心，

盾構機結構件機器人多層多道焊關鍵技術

肖俊祥1周燦豐2焦向東2朱加雷2李憲政3

(1.中鐵工程裝備集團有限公司，鄭州450016；2.北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心，

北京102617；3.唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司，河北唐山063020)

盾構機作為先進的大型工程裝備在隧道施工中得到廣泛應用，其與普通工程機械有兩個明顯的不同之處，一是盾構機重要結構件屬于超厚鋼板，焊接工作量很大；二是為了更好地適應隧道地質條件，結構件均采用針對性的設計。這導致每個結構件的形狀、尺寸、重量乃至結構形式都不相同，從而給機器人焊接的實施帶來挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)盾構機結構件超厚鋼板多層多道機器人焊接，需要解決焊接變形與應力、焊縫傳感與跟蹤、離線編程示教，以及多機器人協(xié)同焊接等關鍵技術。對于盾構機結構件機器人焊接的未來發(fā)展而言，通過接頭圖形自動生成、坡口智能規(guī)劃等技術加強計算機輔助焊接工藝功能、融合虛擬現(xiàn)實等多種技術手段提升焊接過程監(jiān)測水平，以及大力開發(fā)針對具體應用的焊接工藝規(guī)范數據庫等，將是重要方向。

盾構機多層多道機器人焊接

盾構機號稱“工程機械之王”，是光、機、電、液、控制、通信高度集成的先進智能化大型工程裝備，因為盾構機施工安全、優(yōu)質、高效、環(huán)境友好，所以在隧道施工中得到廣泛應用。隨著國內鐵路、公路、城市軌道交通等基礎設施的持續(xù)大力發(fā)展，尤其是“十三五”期間地下綜合管廊、海綿城市建設等巨大需求，以及“一帶一路”的穩(wěn)定健康推進，盾構機將發(fā)揮更加重要的作用，且激烈的市場競爭同樣對盾構機制造質量提出了更高的要求。

盾構機結構件屬于厚鋼板復雜構件，在機器人焊接過程中，有一系列關鍵技術問題，主要包括焊接變形與應力、焊縫傳感與跟蹤、離線編程示教系統(tǒng)，以及多機器人協(xié)同焊接等。此外，對于包括盾構機在內的工程機械結構件機器人焊接而言，增強計算機輔助焊接工藝設計功能、融合多種技術手段提升焊接過程監(jiān)測水平以及大力開發(fā)針對具體應用的焊接工藝規(guī)范數據庫等，有可能成為今后發(fā)展的重點方向。

1 盾構機主要結構件及其焊接特點

盾構機重要的大型結構件主要包括刀盤、盾體、主驅動箱和管片拼裝機等。這些大型結構件均是厚鋼板或者厚鋼管下料之后焊接而成的結構件。以圖1所示的刀盤為例，鋼板厚度通常40 mm以上，有的甚至達到80～100 mm，焊接工作量很大。刀盤焊縫密集、種類繁多、位置各異、形狀復雜，而且為了更好地適應隧道地質條件，刀盤均采用針對性的設計，也就是每個刀盤不僅形狀、尺寸、重量可能差異很大，而且結構形式都有可能顯著不同。

以某型號盾構機刀盤中心刀梁焊接為例，板厚80 mm，開帶鈍邊雙單邊V形坡口，總計24條焊縫，每條焊縫長度450 mm。因為刀盤復雜多變，目前普遍采用人工焊接，圖2為刀盤組裝焊接現(xiàn)場，通常采用5～6人的班組進行對稱焊接。

國內常規(guī)工程機械長期以來大力推進自動焊和機器人焊接，尤其是近十多年取得了突出的效果[1-4]，并且對弧焊機器人焊縫起始點尋位、電弧傳感焊縫跟蹤、示教編程等技術進行了應用研究[5]。與常規(guī)工程機械相比，盾構機結構更復雜，焊接量更大，人工焊接的缺點也更加突出，主要表現(xiàn)為焊工勞動強度極大、焊接煙霧對焊工健康產生直接影響、焊接效率低、焊縫外觀差、焊縫質量穩(wěn)定性和焊縫一致性差等。為了解決這些問題，近幾年來部分盾構機制造企業(yè)開始采用機器人進行盾構機結構件焊接。圖3為中鐵工程裝備集團有限公司引進的部件機器人焊接系統(tǒng)，圖4～5分別是機器人焊接的刀箱、中心刀梁。

圖1 盾構機刀盤

圖2 盾構刀盤焊接

圖3 機器人焊接系統(tǒng)

圖5 機器人焊接的中心刀梁

2 焊接變形與應力

盾構機結構件尤其是刀盤在掘進過程中承受著主軸承傳來的巨大推力和轉矩，為了提高刀盤研制水平，一是在刀盤結構設計中采用三維有限元軟件分析在給定工況對應荷載作用下的變形趨勢和變形量、應力分布趨勢和應力值，進行刀盤的強度、剛度校核和結構優(yōu)化[6]；二是提高焊接質量。文獻[7]對工程機械結構件焊縫斷裂原因進行了分析，重點對焊接坡口的影響進行了研究。厚鋼板焊接時，構件中往往產生較大的焊接變形，通常從焊接結構設計和焊接工藝兩方面加強對焊接變形的控制，其中采用多層多道焊是重要的工藝原則，多層多道焊工藝對上下道焊縫間有類似熱處理的作用，可以在一定程度上提高焊接質量[8]。Paulo等人[9]進行了不同熱輸入量條件下的GMAW焊接V形坡口多道對接焊試驗，建立了用于變形預測的經驗公式。

現(xiàn)在計算機仿真在焊接中的應用越來越普遍，焊接變形與應力是焊接仿真的重要內容，實踐證明焊接仿真能夠有效地指導生產中焊接工藝參數的制定。Guangming Fu等人[10]采用順序耦合熱力學模型研究GMAW焊接T形接頭殘余應力和變形，結果表明焊接順序對殘余應力和變形有顯著影響，不只影響數值而且影響變形模式。文獻[11]對焊接仿真專業(yè)軟件SYSWELD在大型結構件高精度組裝中焊接變形控制的應用進行了介紹和評論，涉及的焊接方法包括GMAW焊接、GTAW焊接等。文獻[12-16]同樣也對焊接變形與應力進行了計算機仿真研究。在X65管線鋼GMAW橫向多道焊研究中，陳智、焦向東等人[17]采用SYSWELD軟件進行了J型窄坡口多道對接焊的焊接溫度場、焊接應力、焊接變形計算，圖6為橫向多道焊截面變形模擬結果與焊接試驗實測結果的比較，實測值為5 mm，計算值為4.3 mm。誤差為14%，模擬結果大致吻合試驗結果。

3 焊縫傳感與跟蹤

對于盾構機等厚板大型結構件焊接而言，不可能保證焊接夾具上的工件定位精準，而且焊接中大量的熱量也會使結構件發(fā)生變形，造成焊接線位置發(fā)生偏移，所以焊接機器人必須具備偏移量計算測定、位置糾正的功能。此外，厚板焊接一般需要開坡口。由于前期坡口加工精度、工件組對、焊接過程導致的變形等原因，實際的焊縫坡口的寬度是不一致的，也會產生錯邊等問題。這些問題的解決，不是焊前的示教編程能夠解決的。從焊接機器人系統(tǒng)的使用效率來講，用戶在實際生產中不可能接受對同樣規(guī)格的每一件工件都進行焊前的示教編程，來修正上述的焊接線偏離及坡口寬度的變化。因此，具備焊縫跟蹤功能的智能化的焊接機器人系統(tǒng)的應用是解決上述問題的唯一出路。

圖6 截面變形的模擬及實測結果比較

焊縫跟蹤的傳感器包括機械接觸式傳感器、電磁傳感器、激光傳感器等類型，但是對于弧焊機器人尤其是復雜構件、狹窄空間焊接而言，電磁傳感器是適用性最好的。焊絲接觸傳感功能是開始點傳感、3方向傳感、圓弧傳感、根隙傳感、多點傳感等的集合。焊絲接觸傳感原理如圖7所示。機器人通過焊絲端部傳感電壓，檢測焊接工件偏差、坡口尺度、記憶工件或焊縫位置，通過這些功能的組合應用，可以使焊接過程不受工件的加工、組對拼焊和焊接裝夾定位等原因帶來的誤差影響，自動尋找焊縫起始位置并識別焊縫情況，補償焊縫偏移、變形、長度及坡口寬度變化，保證機器人能夠完成自動化高品質焊接。電弧跟蹤功能是在焊接中進行擺動焊接的同時，根據焊接電流反饋值的變化，尋找焊接線的中心，實時修正焊接工件的偏差，自動檢測焊接線的位置，追蹤位置偏移，電弧跟蹤分為焊接線左右方向跟蹤和焊接線上下方向跟蹤。

4 離線編程示教系統(tǒng)

盾構機等厚板大型結構件不僅形式復雜、焊縫繁多，幾乎每臺盾構機的刀盤等結構件都不相同，采用實際機器人進行焊前示教幾乎完全不可行，必須采用離線編程示教系統(tǒng)將示教作業(yè)由生產車間轉移到辦公室來完成。離線編程示教系統(tǒng)的最大優(yōu)點是不用使用實際系統(tǒng)，在計算機屏幕上顯示焊接機器人和工件的模型，編程人員通過對話方式在計算機上手工示教機器人，從而可以實現(xiàn)不停產示教?，F(xiàn)場實際機器人編輯的程序可以讀入離線軟件中作為基礎程序數據樣本，在軟件內部進行復制平移等操作的程序編輯。反之，離線編程軟件內編制的程序也可以直接存儲為機器人系統(tǒng)上的專用程序，機器人系統(tǒng)可以直接進行調用修改、再生動作。通過離線示教完成的數據只需簡單甚至不需要修改即可讀入機器人系統(tǒng)進行使用，提高機器人系統(tǒng)使用效率。某款離線編程示教系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 離線編程示教系統(tǒng)界面

>5 多機器人協(xié)同焊接

以盾構機刀盤為例，其直徑從油氣輸送小斷面隧道用的4 m左右到鐵路、公路大斷面隧道用的16 m左右，直徑覆蓋范圍很大，為了便于加工和運輸，直徑6 m以上的大直徑刀盤通常采用分塊方式進行制造。對于刀盤此類對稱性很強的厚板大型結構件，對稱位置同時施焊是基本的工藝原則，采用機器人焊接工作站進行刀盤組裝焊接則是配置多臺機器人進行協(xié)同焊接。首先為了適應結構件類型、尺寸的不同，機器人焊接工作站的設計應該具有很好的適應性，可以考慮采用多移動龍門架、多機器人的配置，通過移動龍門架和沿橫梁的移動適應不同直徑刀盤的組裝焊接，通過多機器人協(xié)同焊接，提高生產效率，控制焊接變形。此外，為了更好地監(jiān)測刀盤組裝多機器人協(xié)同焊接，可以開發(fā)與之相應的機器人焊接制造信息管理系統(tǒng)進行焊接機器人及其焊接過程監(jiān)測。某款機器人焊接制造信息管理系統(tǒng)界面如圖9所示，該系統(tǒng)采集工作站全部焊接機器人的實時狀態(tài)信息，并具備對焊接機器人進行設備管理、品質管理、生產管理、故障診斷。該系統(tǒng)的報告書輸出功能，可以對電弧時間、停止時間、錯誤次數等進行統(tǒng)計，也可以顯示電弧圖表。

圖9 機器人焊接制造信息管理系統(tǒng)

6 中厚板焊接機器人應用技術發(fā)展趨勢

對于焊接機器人焊接包括盾構機在內的工程機械結構件而言，提升焊接機器人智能化及焊接過程監(jiān)測水平，以及開發(fā)適合于具體應用的焊接工藝規(guī)范數據庫等，有可能成為發(fā)展趨勢。

6.1 計算機輔助焊接工藝設計-焊接CAPP

計算機輔助焊接工藝設計-焊接CAPP內容豐富，而且與具體企業(yè)、具體產品的焊接密切相關。對于中厚板焊接機器人而言，現(xiàn)有的離線編程示教系統(tǒng)雖然能夠進行機器人示教，但是智能化程度不夠高，通過焊接接頭圖形自動生成與管理、厚板坡口智能規(guī)劃等技術手段，能夠大幅度提高離線編程示教的效率。

6.1.1 焊接接頭圖形自動生成與管理

傳統(tǒng)方法繪制焊接接頭圖形時，步驟繁瑣，而且接頭尺寸稍有變動時，又要重新繪制新圖，工作量大，浪費存儲空間又不便于管理。將CAD技術與數據庫技術結合，通過可視化編程，能夠實現(xiàn)參數化繪制焊接接頭，并且大幅度減少存儲空間、提高圖形修改效率?？晒﹨⒖嫉膶嵤┓椒ㄊ牵豪脭祿燔浖QL Server (Structured Query Language，結構化查詢語言)建立焊接接頭數據庫，該數據庫包括若干數據表，分別用于存儲用戶信息、產品信息、部件信息和接頭信息等，之后，利用ADO數據庫(ActiveX Data Object)訪問技術實現(xiàn)對焊接接頭數據信息的存取，再利用AutoCAD的ObjectARX提供的函數編寫繪制程序即可[18]。

6.1.2 坡口智能規(guī)劃

雖然機器人焊接能夠提高焊接效率，但是在焊接開始之前對整個焊接過程進行詳細規(guī)劃是很重要的。對于盾構機復雜的厚板大型結構件而言，可以通過離線編程示教系統(tǒng)完成焊接過程規(guī)劃。但是，現(xiàn)有的離線編程示教系統(tǒng)智能化程度不夠，焊接過程規(guī)劃效率低，例如目前坡口規(guī)劃即將坡口劃分成為多少層多少道，完全依靠經驗來確定，以手工方式生成焊接線，這對于板厚達到甚至超過100 mm的盾構機結構件大深度坡口而言，是非常繁冗的。Yan等人[19]研究了智能化坡口規(guī)劃技術，利用知識數據庫獲取焊道幾何尺寸與焊接參數之間的關系，對于大深度坡口焊接，提出了焊道幾何尺寸最大化為目標的優(yōu)化方法，從而使得焊接道數最少，圖10為采用該方法進行坡口智能規(guī)劃的示例。

6.2 焊接過程多信息監(jiān)測

機器人焊接過程包含焊接電流、電壓、電弧、熔池、機器人運動參數等諸多信息，可以采用多種信息采集手段提高焊接過程監(jiān)測水平。在機器人遠程焊接技術研究中，王龍、周燦豐等人[20]建立的機器人焊接試驗系統(tǒng)，不僅通過數據采集卡采集焊接電流、電壓，通過攝像機監(jiān)視焊接電弧、熔池，而且采用虛擬現(xiàn)實技術，通過三維模型虛擬機器人與實物機器人的數據交換等關鍵技術，實現(xiàn)了機器人實時動作捕捉，豐富了監(jiān)測內容，圖11為虛擬機器人與真實機器人位姿對比。

6.3焊接工藝規(guī)范數據庫

圖10 坡口智能規(guī)劃

圖11 虛擬機器人與真實機器人位姿對比

市場銷售的弧焊機器人通常只有平焊位置20 mm以下中薄板焊接數據庫，盾構機刀盤等結構件一方面鋼板厚度通常在40 mm以上，有的甚至達到80～100 mm，另一方面焊接位置不只是平焊。例如，盾構刀盤組裝時，因為尺寸很大、重量很重，難以使用變位機，此外，如果使用變位機則很難實現(xiàn)多臺機器人對稱協(xié)同焊接。因此，焊接工作站的設計方案是：刀盤直接放置在車間平臺或者3根等高支柱上，在天車的支持下進行手工組對，將部件焊接在圈梁上，通常的順序是首先將主梁與中心塊、圈梁焊接，然后再進行幅形扇梁、扭腿等部件的焊接安裝。與采用變位機的部件機器人焊接相比，刀盤整體尺寸遠遠大于部件尺寸，圈梁也存在較大的圓度偏差，因此主梁等部件與圈梁進行組對時的誤差比較大。可以考慮采用的解決方案是，一方面是采用切割機器人進行坡口加工、提高坡口精度；另一方面是采用人工進行打底焊，后續(xù)焊道再采用焊接機器人進行填充。以復合刀盤為例，組裝焊接涉及各種接頭類型，最為廣泛應用的一是板板立焊接頭、二是板環(huán)立焊接頭。焊接機器人沒有此類開坡口多層多道立焊工藝規(guī)范數據庫，需要進行大量的焊接工藝試驗來開發(fā)。事實上，焊接機器人在新的領域應用過程，某種程度上而言就是新的焊接工藝規(guī)范數據庫開發(fā)的過程。

7 結論

(1)通過計算機仿真，有可能對盾構機大型結構件焊接變形與應力進行較好的預測和控制。

(2)對于盾構機大型結構件機器人焊接而言，基于電弧的焊縫傳感與跟蹤能夠完滿地解決焊接線偏移問題，離線編程示教系統(tǒng)能夠大幅度提高機器人使用效率，多機器人協(xié)同焊接則是提高生產效率、控制焊接變形的有效手段。盾構機結構件在機器人焊接過程中屬于厚鋼板復雜構件。

(3)對于包括盾構機在內的工程機械結構件機器人焊接而言，增強計算機輔助焊接工藝設計功能、融合多種技術手段提升焊接過程監(jiān)測水平以及大力開發(fā)針對具體應用的焊接工藝規(guī)范數據庫等，有可能成為今后發(fā)展的重點方向。

[1]張維官.工程機械焊接自動化設備應用調查報告[J].金屬加工(熱加工)，2012(10)：8-10.

[2]許文清，任宇飛.工程機械結構件的焊接工藝現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工程機械，2005(10)：50-53.

[3]夏得昌，劉立功，秦優(yōu)培.工程機械焊接專機的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].金屬加工(熱加工)，2011(22)：18-20.

[4]王彩鳳，吳月，孟國強.工程機械行業(yè)焊接市場需求和關鍵焊接技術[J].金屬加工(熱加工)，2013(20)：20-22.

[5]蘭虎，陶祖?zhèn)?，菅曉?工程機械典型接頭的弧焊機器人焊接技術[J].實驗室研究與探索，2012，31(2)：16-18.

[6]韓偉鋒，李鳳遠，周建軍.盾構刀盤有限元分析優(yōu)化研究[J].工程機械，2014，45(3)：31-36.

[7]王德軍.工程機械結構件焊接坡口設置與焊縫斷裂原因分析[J].工程機械與維修，2014(2)：160-161.

[8]尹杰，張民，蔡娟，等.工程機械用厚鋼板的焊接技術研究[J].建筑機械，2015(2)：101-102.

[9]Adamczuk P C，Machado I G，Mazzaferro J A E.Methodology for predicting the angular distortion in multi-pass butt-joint welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2017，240：305-313.

[10]Fu G，Louren觭o M I，Duan M，et al.Influence of the welding sequence on residual stress and distortion of fillet welded structures[J].Marine Structures，2016，46：30-55.

[11]PrakashR，GangradeyR.Reviewofhighthicknessweldinganalysis using SYSWELD for a fusion grade reactor[J].Fusion engineering and Design，2013，88(9)：2581-2584.

[12]徐濟進，陳立功，倪純珍.厚板角接多道焊的溫度變形及殘余應力分析[J].焊接學報，2006，27(5)：97-100.

[13]黎超文，王勇，韓濤.焊接順序對T形接頭殘余應力和變形的影響[J].焊接學報，2011，32(10)：37-40.

[14]鄧德安，清島祥一.焊接順序對厚板焊接殘余應力分布的影響[J].焊接學報，2011，32(12)：55-58.

[15]蒼松，馬思群，金輝，等.基于SYSWELD的焊接工藝參數對多道焊焊接殘余應力的影響[J].制造業(yè)自動化，2015，37(4)：21-23.

[16]倪紅芳，凌祥，涂善東.多道焊三維殘余應力場有限元模擬[J].機械強度，2004，26(2)：218-222.

[17]陳智.立管橫向多道焊接數值仿真研究[D].北京：中國石油大學碩士學位論文，2014.

[18]王綠原，李桓，黃俊，等.基于ObjectARX的焊接接頭圖形管理技術研究[J].機械設計與制造，2013(6)：180-182.

[19]Yan S J，Ong S K，Nee A Y C.Optimal pass planning for robotic welding of large-dimension joints with deep grooves[J]. Procedia CIRP，2016，56：188-192.

[20]王龍.盾構機刀盤維修機器人焊接虛擬現(xiàn)實監(jiān)視技術研究[D].北京：北京石油化工學院碩士學位論文，2016.

肖俊祥，1980年出生，本科，現(xiàn)任中鐵工程裝備集團盾構制造有限公司副總經理，高級工程師。主要從事隧道掘進機研發(fā)制造工作，作為主要研發(fā)人員主要參與了《盾構控制系統(tǒng)檢測試驗臺的研制》、《復合盾構機的研制》等多項“863”計劃項目，突破了隧道掘進機部件和整機多項關鍵技術；擁有自主知識產權的復合盾構機成功應用標志著國內盾構機研發(fā)及其制造國產化取得了實質性突破，填補了國內在復合盾構制造領域的重大空白；完成了《適用兩種分度管片安裝的盾構推進油缸布置機構》實用新型專利的申報和盾構法《矩形全斷面連采機》國家發(fā)明專利的設計及申報。

2017-03-22

TG409 0序言