控制薄壁圓筒焊接變形裝置的設(shè)計(jì)及研究

雷 原，馬澤林，丁吳偉，魏仁軍，胡雅琳

(宿州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 宿州 234000)

薄壁圓筒焊接變形是在焊接加工過程中熱裂傾向大或存在較大焊接應(yīng)力導(dǎo)致，薄壁圓筒在使用過程中因應(yīng)力集中等問題發(fā)生容器泄漏、爆炸，嚴(yán)重危害安全生產(chǎn)。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者都對控制薄壁圓筒焊接變形進(jìn)行了深入的研究。張建強(qiáng)[1]等人對加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件焊接過程中三維焊接應(yīng)力變形數(shù)值進(jìn)行模擬。R.A.Chihoski[2]指出熔池后方金屬中的壓應(yīng)力主要是由金屬從前方向后方的塑性流動(dòng)引起，離熔池較遠(yuǎn)的焊縫兩側(cè)，應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。汪蘇[3]等人設(shè)計(jì)了一種能滿足車削工藝和焊接工藝且能在專用設(shè)備上使用的組合夾具，但在夾具夾緊薄壁圓筒的同時(shí)實(shí)現(xiàn)同步焊接難以保證焊接質(zhì)量。目前沒有一套完善且高效的以控制薄壁圓筒為核心的壓力容器焊接變形的裝置。本文采用月牙板擠壓消除焊接應(yīng)力的方法，設(shè)計(jì)一種智能化控制薄壁圓筒焊接變形裝置，提高焊接質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)方案

(1)通過設(shè)計(jì)可提供擠壓應(yīng)力和支撐力的的月牙板裝置，適應(yīng)不同規(guī)格的薄壁圓筒，減緩焊接熱脹冷縮情況下的殘余應(yīng)力;

(2)由于焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋和凹凸等焊接不規(guī)整現(xiàn)象，通過設(shè)計(jì)裝置解決焊接熱裂紋及其平整度保證圓筒的質(zhì)量;

(3)在焊接后的冷卻過程中，對焊縫金屬額外施加一個(gè)擠壓應(yīng)力，減小甚至抵消殘余塑性應(yīng)變，進(jìn)而就能減小焊后殘余應(yīng)力和變形;

(4)通過激光掃描反饋成像檢測圓筒焊接質(zhì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接情況，及時(shí)反饋信息并對焊接進(jìn)行調(diào)整;

(5)為了提高操作精度，實(shí)現(xiàn)智能化編程，機(jī)械一體化操作，通過梯形平臺(tái)設(shè)計(jì)，建立三維坐標(biāo)體系，通過數(shù)控編程實(shí)現(xiàn)一體化控制整個(gè)焊接流程。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

控制薄壁圓筒焊接變形裝置根據(jù)設(shè)計(jì)方案對裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。整體的結(jié)構(gòu)重新改進(jìn)設(shè)計(jì)了固定機(jī)床結(jié)構(gòu)，并利用月牙板裝置矯正焊接變形，通過隨焊碾壓、激光檢測裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制及檢測，提高工作效率。

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 控制薄壁圓筒焊接變形的智能化設(shè)備

如圖1是控制薄壁圓筒焊接變形裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。在焊接過程開始前將薄壁圓筒放置在固定床機(jī)構(gòu)上，月牙板裝置進(jìn)入圓筒內(nèi)部支撐圓筒內(nèi)表面，再由焊接碾壓及激光檢測裝置對其進(jìn)行焊接并實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接質(zhì)量，從而達(dá)到有效的一體化焊接。

2.1.2 工作原理

控制薄壁圓筒焊接變形裝置的主要功能是實(shí)現(xiàn)對薄壁圓筒高質(zhì)量高效的焊接，該裝置是通過獨(dú)特月牙板裝置在焊接時(shí)伸入圓筒內(nèi)部對其提供反向的支撐力來減緩焊接應(yīng)力，利用隨焊碾壓和激光檢測裝置完成同步焊接檢測過程，實(shí)現(xiàn)對薄壁圓筒的高效焊接。

2.2 裝置模型建立和設(shè)計(jì)

控制薄壁焊接變形裝置由固定床、月牙板機(jī)構(gòu)、焊接碾壓及激光檢測裝置和智能化控制中心組成。

2.2.1 固定床機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了避免薄壁圓筒此類的圓筒形工件在加工時(shí)發(fā)生滾動(dòng)現(xiàn)象從而影響加工進(jìn)程，針對固定圓筒形工件滾動(dòng)的問題設(shè)計(jì)了如圖2所示的固定床機(jī)構(gòu)。

圖2 固定床結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)由固定床預(yù)備臺(tái)、滾動(dòng)夾持結(jié)構(gòu)、滾動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)、激光測距儀、導(dǎo)軌以及若干液壓缸等結(jié)構(gòu)組成。在加工之前，根據(jù)工件的加工長度滾動(dòng)夾持結(jié)構(gòu)與滾動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行相應(yīng)伸長，以適應(yīng)不同規(guī)格的加工件。當(dāng)焊接件置于固定床上之后，滾動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)通過液壓缸完成對加工件的夾持，將圓筒形工件牢牢固定于該固定床上，此時(shí)焊接件的一端與固定床預(yù)備臺(tái)的一側(cè)接觸，實(shí)現(xiàn)焊接件空間位置坐標(biāo)徑向方向的坐標(biāo)確認(rèn)。同時(shí)薄壁圓筒置于固定床上(如圖3)。

圖3 空間三維坐標(biāo)的確定

通過工件徑向X軸的坐標(biāo)位置而其一端與預(yù)備臺(tái)外側(cè)相接觸，以此確定其徑向Y軸的坐標(biāo)位置，同時(shí)激光測距儀精確測量與工件最低處距離h，以此確定Z軸方向的坐標(biāo)位置。

通過滾動(dòng)夾持結(jié)構(gòu)和滾動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)上的滾輪對圓筒進(jìn)行移動(dòng)。通過固定床結(jié)構(gòu)，在薄壁圓筒的焊接過程中保證圓筒的穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)對縱向焊縫和橫向焊縫的焊接。

2.2.2 月牙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

薄壁圓筒在焊接后會(huì)發(fā)生熱脹冷縮，由熱脹冷縮產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[4]可能導(dǎo)致工件變形，為了及時(shí)減緩或降低殘余應(yīng)力控制工件變形，設(shè)計(jì)了月牙板裝置，通過支撐力反作用于冷卻收縮應(yīng)力，從而達(dá)到降低殘余應(yīng)力的作用，如圖4所示：

圖4 月牙板結(jié)構(gòu)圖

該裝置由連接板、內(nèi)圓板、等距排列的液壓桿、硬質(zhì)金屬板、金屬彈片、齒板以及齒板鎖等部分組成一個(gè)小單元，伸置于薄壁圓筒內(nèi)，起支撐作用。通過置于內(nèi)圓板內(nèi)的液壓缸控制內(nèi)圓板外側(cè)等弧度排列的液壓桿伸縮，再由液壓桿另一端硬質(zhì)金屬板上與工件內(nèi)表面相互接觸的金屬彈片(大于180°的圓弧構(gòu)成)，在受到相互作用力而擠壓變形時(shí)，待裝置中的壓力感應(yīng)器達(dá)到控制中心給予的支撐力范圍時(shí)，液壓桿停止伸長，齒板鎖則鎖住齒板以防彈片運(yùn)動(dòng)，增大接觸面積并以適當(dāng)?shù)牧ψ饔糜诠ぜ?，?shí)現(xiàn)更好的支撐作用，如圖5所示。月牙板的連接塊中心孔采用分塊方式，根據(jù)是否需要工作進(jìn)行內(nèi)螺紋的伸出和縮進(jìn)，如圖6所示

圖5 金屬彈片工作圖

圖6 連接塊

圖7 方位調(diào)節(jié)裝置

裝配時(shí)，由四個(gè)該小單元連同十二根連接桿、絲杠以及方位調(diào)節(jié)裝置(圖7所示)組成月牙板裝置結(jié)構(gòu)。

焊接過程中，月牙板液壓桿外端的金屬彈片與薄壁圓筒內(nèi)壁相互擠壓，可有效控制焊接過程中的應(yīng)力不均。焊接過程中多個(gè)月牙板共同作用，通過控制中心傳輸?shù)墓ぜ?shù)據(jù)，方位調(diào)節(jié)裝置中的液壓桿的移動(dòng)使月牙板的中心對準(zhǔn)工件的三維坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)工件長度的大小，方位調(diào)節(jié)裝置中的滑塊導(dǎo)軌向工件處移動(dòng)，此時(shí)，連接于電機(jī)上的絲杠則向工件處移出一定長度，且該長度為 月牙板每兩個(gè)單元之間的距離。每兩個(gè)月牙板由三根成正三角形排列連接桿相互連接。工作前，連接桿的一端與月牙板緊固在一起，另一端則插入桿桶內(nèi)，而月牙板相互緊靠著并置于預(yù)備臺(tái)上。工作時(shí)，最外側(cè)一號月牙板中心孔伸出與絲杠接觸并開始作業(yè)，電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而將一號月牙板伸入工件內(nèi)部，支撐其作業(yè)的三根連接桿則隨同一起向外移出，待一號單元與絲杠作用分離，中心孔縮進(jìn)，二號單元中心孔同時(shí)伸出并與絲杠相互作用，以此將四個(gè)單元均勻的伸入工件內(nèi)部工作，月牙板上的液壓桿向工件內(nèi)表面伸展進(jìn)行后續(xù)工作。工作結(jié)束后，月牙板上的液壓桿收縮，將絲杠插入四號單元的中心孔，電機(jī)帶動(dòng)絲杠反轉(zhuǎn)，將四號單元移回預(yù)備臺(tái)上；以此方式將所有單元收回工作前的狀態(tài)，為下一次焊接做準(zhǔn)備如圖8所示。支撐桿適應(yīng)多種不同型號的薄壁圓筒，減少焊接應(yīng)力控制焊接變形。

圖8 月牙板工作圖

2.2.3 焊接碾壓及激光檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前人的研究，本裝置所采用的控制焊接應(yīng)力和變形的方法是隨焊碾壓法[5]實(shí)現(xiàn)對薄壁圓筒的高質(zhì)量焊接及檢測，在焊槍后采用隨焊滾輪來消除焊接應(yīng)力和焊接變形的目的。焊接裝置可主要分為焊接支撐模塊、焊接碾壓機(jī)械臂模塊以及激光檢測模塊如圖9所示。

圖9 焊接碾壓及激光檢測裝置圖

焊接碾壓機(jī)械臂和激光檢測模塊通過焊接支撐模塊作用于與固定床平行的導(dǎo)軌上，通過控制焊接支撐結(jié)構(gòu)在導(dǎo)軌上的左右移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)對整段薄壁圓筒的經(jīng)向焊接，這可以視為焊接的Y軸方向。焊接碾壓和激光檢測裝置也通過導(dǎo)軌固定在焊接支撐裝置導(dǎo)軌上，通過此導(dǎo)軌可以實(shí)現(xiàn)焊接碾壓和激光檢測裝置的前后移動(dòng)，此可以視為焊接的X軸方向。同時(shí)焊接支撐裝置通過液壓裝置實(shí)現(xiàn)上下自由自動(dòng)，此可以視為焊接的Z軸方向。實(shí)現(xiàn)工件XYZ軸全方位焊接檢測。

焊接碾壓模塊主要包括焊接和碾壓裝置，采用機(jī)械臂設(shè)計(jì)，利用機(jī)械臂的靈活性實(shí)現(xiàn)對薄壁圓筒的全面焊接。在機(jī)械臂中有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，通過這四個(gè)關(guān)節(jié)的配合實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自由移動(dòng)以及焊接支撐結(jié)構(gòu)的XYZ軸自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)完全位置焊接。且在焊槍的左側(cè)延伸一個(gè)隨焊滾輪，滾輪會(huì)緊跟著焊槍進(jìn)行碾壓，從而消除焊接過程中的焊接應(yīng)力，還可以減少焊縫中的氣泡、焊接焊縫不緊實(shí)等焊接問題，提高薄壁圓筒的平整性。通過機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)以及隨焊滾輪360°旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)形焊縫、縱焊縫、開孔等多種形式的焊接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對薄壁圓筒全方面的焊接。

最后是激光檢測模塊，激光檢測模塊位于焊接碾壓模塊的左側(cè)，用激光掃描的方法[6]以四分之一圓弧對加工過程中的薄壁圓筒進(jìn)行非接觸檢測，時(shí)刻保證焊接質(zhì)量。

2.2.4 智能化控制中心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖10 智能化控制中心機(jī)構(gòu)圖

智能化控制中心機(jī)構(gòu)由計(jì)算機(jī)和控制面板組成如圖10所示，采用雙模分段控制理論[7]，對焊接位置追蹤和激光質(zhì)量檢測共同控制，通過主機(jī)輸入對應(yīng)的參數(shù)，使焊槍及滾輪按照其軌跡方程從焊接起始點(diǎn)工作，激光實(shí)時(shí)檢測焊接質(zhì)量并及時(shí)反饋，使得整個(gè)焊接過程一體化，提高焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

為控制薄壁圓筒焊接過程中的焊接應(yīng)力和焊接變形問題，本文提出了一種控制薄壁圓筒焊接變形的智能化裝置，以消除焊接應(yīng)力和控制焊接變形。

為緩解薄壁圓筒焊接過程中產(chǎn)生的變形，提出可提供擠壓應(yīng)力和支撐力的月牙板裝置，通過月牙板金屬硬板與圓筒內(nèi)壁的接觸擠壓，及時(shí)緩解焊接時(shí)由焊縫加熱并冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力作用所導(dǎo)致的焊接變形。

采用隨焊碾壓法進(jìn)行焊接，在焊接及檢測模塊中的焊接支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)XYZ軸的全方位移動(dòng)，焊接機(jī)械臂的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)合激光檢測裝置，裝置可實(shí)現(xiàn)對薄壁圓筒的全方位靈活焊接，無焊接死角。

裝置保證焊接過程穩(wěn)定，控制薄壁圓筒變形，提高焊接質(zhì)量。