机器人激光传感焊接技术在机车蒙皮上的应用.pdf

34文章编号：1 0 0 7-6 0 34（(2023)04-0034-03DOI:10.14032/issn.1007-6034.2023.04.009机车车辆工艺第4 期2 0 2 3年8 月冷热工艺机器人激光传感焊接技术在机车蒙皮上的应用李彬,刘博（中车大同电力机车有限公司，山西大同0 37 0 38）摘要：通过对比新八轴机车2.5mm厚侧墙蒙皮，在不同组对间隙和错边组合下，采用Cloos机器人激光传感焊接后的焊缝成形状态，探究激光传感焊接的最佳参数。试验得出：组对的最佳状态为间隙不大于2 mm且无错边。焊接参数为焊接速度4 2 cm/min，焊枪角度9 0 9 5摆动频率1.84Hz，坡口偏置1 0。当组对间隙大于母材厚度时，增加背部垫板可以改善焊缝成形质量；当组对间隙大于2 倍板厚时，背部垫板作用明显减弱。关键词：Cloos机器人；激光传感焊；机车蒙皮；焊缝成形中图分类号：U270.6*6文献标识码：B机车蒙皮焊缝成型受操作位置和人员技能等多种因素的限制，一直是影响机车外观质量的主要因素。为降低各类因素的影响，有效改善蒙皮焊缝成形质量，采用自动化焊接技术是最直接有效的手段。机器人是一种融合了电子、机械等多种新兴技术的高新技术。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化和智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。自动化焊接的核心在于实现精确的焊缝跟踪2-3。焊缝跟踪是焊接自动化领域的重要课题，是高质量自动化焊接的保证4 。目前在焊缝跟踪传感器中使用越来越多的是激光传感器，它的灵敏性好、测量精度高、比其他传感器获取的信息量更多5。本文将采用Cloos机器人激光传感焊接技术，焊接不同组对间隙和错边情况下的2.5mm新八轴机车侧墙蒙皮。通过对焊缝成形情况进行比较，探究最佳组对状态和焊接参数，为激光传感焊接技术在机车制造领域的实际应用提供理论支持。1机器人激光传感焊接技术原理及特点激光传感焊接可以按图像行上灰度值和一阶导数提取感兴趣域（regionof interest，R O I）、最大类间方差阈值分割及Canny边界提取等处理后，获得了上下激光条纹中心间距及坡口中心值，由理论模型计算的焊枪高度，上下坡口中心值获得焊缝精确偏收稿日期：2 0 2 2-0 1-2 5作者简介：李彬（1 9 7 3一），男，高级技师，本科。差与焊缝轨迹走向的一种新型技术 6 Cloos机器人激光传感焊接独特的焊缝跟踪功能在于通过激光扫描传感器，测量工件的位置变化，用测量值构建虚拟的焊缝几何形状，如间隙宽度、焊缝宽度和焊缝体积等。尤其对于薄板对接焊缝、薄板搭接焊缝等，比现阶段较为普遍的电弧跟踪技术识别率更高，焊缝成形更好。Cloos机器人激光传感器的工作状态如图1 所示，传感器发出一束激光，一个摄像头接收从工件表面反射的光束，通过形成宽度2 4 7 1 mm的梯形光幕探测工件的表面。其信息处理过程如图2 所示，激光扫描适应焊缝间隙和焊缝体积的弧形宽度，将信息收集返回主控柜计算机进行处理。主控柜计算机通过控制激光扫描反映，来计算在焊道方向的焊枪左右边缘修正和线性方向的焊枪高度修正。现场图1Cloos机器人激光传感器工作状态35李彬，刘博机器人激光传感焊接技术在机车蒙皮上的应用传感器控制器图2传感器信息处理过程工件的参数影响就会通过所有的焊接参数列表进行自动匹配。2试验方案2.1试验材料试验采用规格为6 0 0 mm600mm2.5mm的Q345GNHL侧墙蒙皮涨拉板，焊材选用1.0mm的ER50-6焊丝。母材化学成分和力学性能分别如表1、2 所示。表1Q345GNHL涨拉板的化学成分（质量分数）%CSiMnPSMoCuTiVNiCr0.120.250.750.200.500.0250.0300.300.250.550.100.120.060.301.25表2Q345CNHL涨拉板的力学性能屈服强度Rto.5/MPa抗拉强度Rm/MPa延伸率A/%345500222.2试验方案试验采用全数字化控制焊接的CloosQRE350E激光扫描跟踪弧焊机器人，保护气体为8 2%Ar+18%CO，的混合气，接头形式BW，I 型坡口，焊接位置为PC。焊前使用不锈钢丝轮对焊缝坡口两侧2 0mm范围进行抛光，去除工件表面的氧化皮及污物，抛光区域应露出光亮色的金属光泽。打磨运动方向与焊缝垂直，避免磨痕干扰激光扫描过程。准备工作结束后根据试验制定的参数组合进行焊接试验，目前生产现场焊缝检测主要依靠目视检测，但不影响检查焊缝成形和表面缺陷。试验过程的参数组合情况如表3所示。表3不同参数组合下的蒙皮焊缝状态mm错边情况组对间隙有错边2无错边2353试验结果及分析3.1在相同组对间隙、不同错边状态下，蒙皮焊缝成形情况对比当组对间隙为2 mm时，根据组对间隙选取的焊接参数为：焊接速度4 2 cm/min，焊枪角度9 0 95，摆动频率1.8 4 Hz，坡口偏置1 0。有错边与无错边焊后焊缝成形情况如图3所示。对比图3中（a）和（b)可以看出,在2 mm间隙下，当焊缝组对无错边时，焊缝成形饱满，焊缝表面平滑，有整齐的鱼鳞纹。组对有错边时，焊缝出现局部塌陷、咬边等缺陷，且背部熔深不均匀。当焊枪运2下(a)(a)有错边(b)(b)无错边图3组对间隙2 mm时，不同错边状态下的焊缝成形情况行至连续错边位置，需要增加背部垫板，才能保证焊接正常进行。有错边时在激光扫描阶段，频繁出现扫描中断的情况。当组对间隙为3mm、无错边时，根据组对间隙选取的焊接参数为：焊接速度36 cm/min，焊枪角度9095，摆动频率2.0 8 Hz，坡口偏置1 0。有背部垫板与无背部垫板焊缝焊后成形情况如图4 所示。对比图4 中（a）和(b）可以看出，在3mm间隙、无错边情况下，增加背部垫板前，焊缝塌陷明显，局部出现烧穿的情况；增加背部垫板后，焊缝表面仍然粗糙，局部出现咬边的缺陷。对比图3和图4 可以看出，在组对间隙相同的情况下，错边状态会严重影响焊缝成形，并且对激光扫描造成干扰。通过增加背部垫板的方式可以在一定程度上减弱组对间隙变大和错边的影响。3.2在不同组对间隙、无错边状态下，蒙皮焊缝成形情况对比当组对间隙为5mm时，根据组对间隙选取的焊接参数为：焊接速度2 3cm/min，焊枪角度9 0 36机车车辆工艺第4 期2 0 2 3年8 月冷热工艺(a)有背部垫板（b)(b）无背部垫板图4 组对间隙3mm时，无错边状态下的焊缝成形情况95，摆动频率2.0 8 Hz，坡口偏置1 0。无错边状态下的焊缝成形情况如图5所示（a）工(a)整体（b）(b)局部图5组对间隙5mm时，无错边状态下的焊缝成形情况从图中可以看出，当组对间隙为5mm时，焊缝整体偏离纵向中心向下，且表面粗糙，纹路不规则，焊缝全长超1/2 区域存在咬边缺陷。通过对比图3（b）、图4（b）和图5（a）可以看出，在无错边的情况下，组对间隙2 mm时，焊缝成形良好。当组对间隙由2 mm增加到3mm时，焊缝成形变差，主要原因为工件厚度2.5mm，当组对间隙大于这一临界点时，仅通过调整焊接参数已经无法满足焊缝成形要求，必须增加背部垫板辅助焊接。当组对间隙由3mm增加到5mm时，焊缝熔池整体偏下，出现大范围烧穿、咬边等缺陷，焊缝成形极差。经分析主要是由于组对间隙为2 倍最小工件厚度，垫板已经无法保证焊缝成形，熔池重力超出起自身张力，导致焊缝偏离。4激光传感焊接技术应用建议目前，中车旗下各主机厂在积极探索激光传感焊接技术在机车蒙皮上的应用，通过此次试验可以看出，在充分掌握组对间隙的情况下，利用激光传感焊焊接机车蒙皮的焊缝质量可靠。随着当前市场形势的逐步变化，客户关注点也在随之转移，机车外观焊缝质量逐渐成为反映车体焊接质量的重要部分。因此，激光传感焊接技术的使用，除了在蒙皮上的应用外，正由薄板向中厚板过渡目前，在中车大同公司新八轴机车底架与边梁连接处（板材厚度不小于1 2 mm）立向上焊接时得到进一步应用，在多台车体的实物焊接及检测过程中发现，在完全符合WPS工艺参数的条件下，实际焊接质量与评定试样结果存在较大差异。经过深入分析后发现，由于实际生产过程打底焊与盖面焊间隔时间在2 天以上，导致焊缝层间温度与试验时连续焊接相差较大。因此对于关键焊缝采用此技术进行盖面焊优化焊缝外观质量时，要充分考虑层间温度对焊接质量的影响。5结论(1）对于采用机器人激光传感焊接的2.5mmQ345GNHL蒙皮涨拉板，最佳组对状态是间隙2mm，且无错边；最佳焊接参数是焊接速度4 2 cm/min，焊枪角度9 0 9 5摆动频率1.8 4 Hz，坡口偏置1 0。（2）采用机器人激光传感焊焊接标准蒙皮时（蒙皮厚度为2 2.5mmQ345GNHL涨拉板），无错边的情况下：当组对间隙大于工件最小板厚时，可通过增加背部垫板改善焊缝成形；当组对间隙大于2倍最小板厚时，垫板作用明显减弱。（3）蒙皮组对错边是影响激光扫描过程的主要因素之一。参考文献：1 】宋金虎.我国焊接机器人的应用与研究现状J，电焊机，2 0 0 9，4(4):18-21.【2 林尚杨，陈善本，李成桐.焊接机器人及应用M.北京：机械工业出版社，2 0 0 0.【3陈善本，林涛.智能化焊接机器人技术M.北京：机械工业出版社,2 0 0 6.【4】曹丽婷，田景文，聂雪媛.焊接机器人焊缝自动跟踪系统J.微计算机信息，2 0 0 6（3）：7 7-8 1.5邹媛媛，赵明杨，张雷，等.结构光视觉传感器误差分析和结构分析J.仪器仪表学报，2 0 0 8,2 9（1 2）：2 6 0 5-2 6 1 0.【6 毛志伟，周少玲，赵滨，等.双线激光传感枪定位与焊缝走向识别J ，焊接学报，2 0 1 5,2（2）：2 3-2 7.