一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法与流程

本发明涉及锅炉焊接技术领域，具体为一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法。

背景技术：

集箱是锅炉中一种用于工质汇集或分配的压力容器。锅水由锅筒经下降管流入下面的箱体中，由箱体分配给各管束，这些管束中的水不断吸收热能，汇集到上面的箱体中再流回锅筒内。

集箱主体结构由一根钢制筒身和大量钢制管座组成，筒身上大量开孔，每个管座的端部加工后与筒身开孔装配后形成一圈变截面的焊接坡口，焊接时需要采用多层多道焊将坡口填满并且再补充焊接一个比坡口填充量更大的角焊缝，所有的填充焊道最终形成一个马鞍形的焊缝。焊接过程中每一道焊缝的焊丝端部的行走轨迹构成一个相贯线。因为一圈完整的焊道施焊涉及到平焊、横焊、立向上焊和立向下焊，焊枪的姿态不断变化，同时从肩部（管座垂直向上时，位于筒身最高点处的马鞍形坡口截面）向腹部（管座垂直向上时，位于筒身两侧的最低点处的马鞍形坡口截面）过渡过程中坡口角度不断变化，填充量也随之不断变化，导致焊道宽度也不断变化，所以造成了很大的焊接难度。整个集箱中有大量成排的管座，整体焊接量非常大。通常工厂采用手工焊接集箱管座，制造周期长，劳动强度大，效率低下同时焊接质量又难以保证。

现阶段应用于马鞍形焊缝的自动焊接技术，通常是通过简单示教的单道焊或通过相贯线数学方程计算轨迹的少量多层多道焊。对于焊道数量较大且为变截面的多层多道焊，还没有一种很好的自动焊工艺。为此，需要基于焊道轨迹规划、焊枪姿态调整、焊接参数设置等方面，开发一种用于变截面坡口的马鞍形焊缝的自动连续焊接方法。

技术实现要素：

针对现有自动焊接方法应用于坡口马鞍形焊缝的局限性，本发明提出一种能提高焊接效率、质量并且具有广泛通用性的变截面坡口集箱管座自动焊接方法，该方法可应用于自动填丝的气体保护焊和钨极氩弧焊。所应用的集箱管座的坡口结构为：管座坡口端加工出圆锥面，并留有钝边，筒身上对应位置加工有平面和沉孔用于管座的安装。管座与筒身间的坡口角度从肩部至腹部逐渐增大，为典型的变截面坡口马鞍形焊缝。

一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法，其特征在于包括以下工序步骤：

（1）获取焊接坡口尺寸，包括坡口角度、管座壁厚和管座内外径等数据；

（2）将管座姿态设置为竖直向上建立直角坐标系，并在此坐标系下建立管座与集箱装配后的三维模型；

（3）沿管座周向且过管座中心轴线将整圈焊接坡口多等分，需确保各有一个等分截面处于两个肩部和两个腹部位置；

（4）根据焊缝尺寸和初始焊接参数，按特定的规则计算出肩部焊缝分层分道排布结果；

（5）以步骤（4）中计算所得的肩部焊道划分的层数和每层对应道数按特定规则对其余等分截面进行分层分道；

（6）按固定偏移量确定各等分截面中各焊道上焊丝端部的三维坐标；

（7）根据各等分截面上各焊道的截面积大小计算填充量，按照指定的焊接电流、电压大小，进而计算出该焊道在该截面位置时焊接速度大小；

（8）当设定好肩部时焊枪与XY水平面的夹角后，其余各等分截面需要在此基础上进行角度补偿计算；

（9）在一整圈焊道对应各等分截面的不同位置，对焊枪与焊接方向的夹角进行计算，使焊枪在立向上焊时将焊枪沿焊接方向后倾，在立向下焊时将焊枪沿焊接方向前倾；

（10）按照步骤（2）所述的三维模型姿态固定好待焊工件，并适当点焊牢固；

（11）根据步骤（1）～步骤（10）计算得出的焊接参数及焊枪姿态参数，采用工业机器人，按1/2等分数采用分段圆弧编制各段焊接程序，控制焊枪沿管座周向进行连续的多层多道焊接。

所述步骤（3）所述的多等分数量为8×n（n=2、3、4、5……）等，保证肩部位置和肩部位置正好处在等分截面处，等分数量至少为16，随着管座尺寸变大应适当增加等分数量。

所述步骤（4）所述的特定的规则指：

a）根据初始给定的焊丝直径D（单位mm）、送丝速度vf（单位m/min）、焊接速度v（单位m/min）参数计算在肩部角焊缝中单个焊道沿焊缝喉高方向的厚度；

b）以焊缝喉高除以项目a）计算所得的肩部单个焊道厚度，并取整确定总的焊层数；

c）从根部开始，第一层焊道数量为1，按等差数列从内到外逐层加1确定每层焊道数量；

d）除第一层焊道外，其余各层截面按项目c）中确定的焊道数对各自截面进行等面积划分，同层之间的焊道分界线均平行于XY水平面；

所述步骤（5）所述的特定规则指：

a）各自截面中的各层焊道沿喉高方向厚度相等；

b）各自截面同一层焊道内的每个焊道截面积相等；

c）各自截面处在筒身加工坡口范围内的同层焊道的分界线平行于XY水平面，其余各层的同层焊道的分界线均平行于该层第一道焊趾与上一层第一道焊趾的连线。

所述步骤（6）所述的固定偏移量指将焊丝端部的三维坐标以各焊道横截面图形的靠近管座中心一侧的下角顶点为基准，沿XY水平方向向远离管座中心的方向的偏移量，其范围为1～2mm。

所述步骤（8）所述的角度补偿指两面角补偿，管座与筒身或筒身上已焊焊缝的交线上某一点的两面角是指过该点的管座与筒身或筒身上已焊焊缝的切平面的夹角，以肩部某一焊道的焊枪与XY水平面的夹角α为基准，在其余等分截面上对应焊道焊枪与XY水平面的夹角α′=α-（ψ-90°）。

所述步骤（9）所述的夹角的补偿计算为：以从0°肩部向90°腹部过渡过程为例，焊枪为向焊接方向倾斜，即前倾，随着焊枪的前进，倾角在肩部位置为0°，随后逐渐增大，到45°等分截面时达到最大，随后逐渐减小，到达腹部位置时再次变为0°，从腹部向肩部过渡过程则反之，整个过程中倾角的变化随着焊枪沿周向运动的角度呈等比例变化，每一层中从第一道到最后一道，最大倾角逐渐减小，最大倾角为20～30°。

所述步骤（11）所述的工业机器人指面向工业领域的六轴机械手。

所述步骤（11）所述的分段圆弧指从0°肩部截面开始，沿焊接方向依次将三个点作为一组，每一组的最后一个点作为下一组的第一个点，每组三个点生成一段圆弧，以此圆弧作为焊丝端部的行走轨迹，所有圆弧连续组成整圈轨迹，机器人依次按各段圆弧进行圆弧移动焊接指令编程，最终形成完整的焊接程序。

附图说明

图1为整体工作流程图;

图2为变截面坡口集箱管座典型三维结构图;

图3为纵向截面坡口示意图;

图4为横向截面坡口示意图;

图5为三维模型坐标系示意图;

图6为等分截面示意图;

图7为肩部排道示意图;

图8为焊缝形状等分截面投影示意图;

图9为腹部排道示意图;

图10为肩部焊丝端部偏移及焊枪角度示意图;

图11为腹部焊丝端部偏移及焊枪角度示意图;

图12为焊枪前后倾角示意图；

附图标记

1.管座、2.筒身、3.焊枪。

具体实施方式

实施例1：

结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

一种典型的变截面坡口集箱管座焊接结构如图2～4所示：管座为管形结构，坡口一段加工成锥形曲面，并留有钝边。筒身上加工有与管座内径相等的通孔，在通孔周围的外壁表面加工有下沉平面，在平面中央加工有与管座钝边外径相配合的沉孔，以用于管座的装配。装配后的管座与筒身之间形成马鞍形焊接结构，其坡口角度从肩部向腹部不断变化。

一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法，包括以下工序：

第一步：根据工件图纸，获取工件尺寸参数：管座的内、外径，管座坡口尺寸，筒身内、外径，筒身坡口尺寸。

第二步：如图5所示，以筒身下沉平面中心为圆心，以筒身轴向一端为X轴正向，以管座大头端为Z轴正向，按直角坐标系右手定则建立直角坐标系，同时确保XY平面处于水平面上。然后在此坐标系下建立管座与筒身的三维模型。

第三步：如图6所示，将以管座中心轴线为旋转轴，将管座与筒身三维模型进行多等分。

等分的分数是16，需要保证0°、180°肩部位置和90°、270°肩部位置正好处在等分截面处。等分数量为16，随着管座尺寸变大应适当增加等分数量，以确保焊道轨迹精度。

第四步：如图7所示，对0°肩部的坡口截面进行多层多道划分。包括以下步骤：

a） 从合理的焊接参数范围中按经验确定一种可焊出成形良好、厚度合适焊道的焊接参数，焊接参数包括：焊丝直径D（单位mm）、送丝速度vf（单位m/min）、焊接速度v（单位m/min）；

b） 根据项目a）给定的参数计算在肩部角焊缝中单个焊道沿焊缝喉高方向的厚度δ，计算公式为 ；

c） 以焊缝喉高除以计算所得的单个焊道厚度，即h/δ，取整确定总的焊层数N；

d） 根部焊层焊道数量为1，按等差数列从内到外逐层加1确定每层焊道数量Nx；

e） 分别对每一层进行焊道划分计算：除第一层外的其余各层分别按照已经确定的焊道数对其各自层截面按等面积进行均分，焊道分界线均平行于XY水平面。

第五步：根据第四步确定的肩部的焊层数N和每层焊道数Nx，对第三步所确定的其余各等分截面进行焊道划分，以获得所有等分截面上的全部焊道的空间三维位置。包括以下步骤：

a） 如图8所示，以肩部、腹部、45°等分截面为例说明，按照最终焊缝垂直投影为圆的原则，将肩部焊道所确定的完整焊角尺寸分别投影到其余各等分截面上；

b） 以腹部等分截面为例，进行焊道划分，如图9所示，按肩部的焊层数N，沿喉高方向等厚度均分；

c） 按肩部截面各层焊道数Nx，分别将各层按面积均分为多个焊道，处在筒身加工坡口范围内的同层焊道的分界线平行于XY水平面，其余各层同层焊道的分界线均平行于该层第一道焊趾与上一层第一道焊趾的连线。

d） 其余等分截面以此类推，完成各等分截面多层多道划分。

第六步：如图10和图11所示，按各焊道截面图形的靠近管座中心侧的下角顶点位置沿XY水平面向远离管座中心方向偏移固定距离，以确定在各等分截面处各焊道的焊丝端部的具体三维坐标。

该固定偏移量范围为1～2mm，优选为1mm。

第七步：对每一圈完整的单个焊道，分别计算该焊道在各等分截面处的熔敷量，然后选定一组固定不变的电流、电压作为该焊道的焊接参数，计算在该截面处的焊接速度。

焊接电流范围为150～200A，电压范围为26～32V，所选参数要确保计算后的焊接速度范围为0.2～0.5m/min。

第八步：计算各等分截面各焊道的焊枪角度，包括以下步骤：

a） 如图10所示，确定0°肩部位置的焊枪角度α。α范围为40～65°，优选45°；

b） 如图11所示，计算各等分截面的两面角ψ，公式为 ，其中θ为该等分截面与0°肩部截面的夹角，r为管座外径，R为筒身外径（筒身叠加上一层焊缝后的外径）；

c） 计算各等分截面各焊道的焊枪角度α′，公式为α′=α-（ψ-90°）。

第九步：计算各等分截面处的焊枪沿焊接方向的前后倾角，包括以下步骤：

a） 如图12所示，为某一道焊道的焊枪前后倾角示意图。焊接方向为顺时针或逆时针；

b） 确定焊枪倾斜方向，从肩部向腹部运动时向腹部方向倾斜，从腹部向肩部运动时反之；

c） 确定0°、180°肩部截面和90°、270°腹部截面的倾角为0°，即不倾斜；

d） 确定最大倾角β，即45°等分截面的倾角，β范围为20～30°。每一层由下至上的焊道的β逐渐减小；

e） 从0°肩部等分截面向45°等分截面过渡时倾角逐渐增至最大，从45°等分截面向90°腹部截面过渡时倾角逐渐减小至0°，在其间的各等分截面倾角等比例变化。其余各等分截面以此类推。

第十步：按第二步所述的三维空间姿态调整实物工件，并固定牢固后适当点焊。然后在所采用的六轴工业机器人上按照第二步所述的直角坐标系标定工件坐标系。

第十一步：根据第一步～第十步计算得出的焊接参数及焊枪姿态参数，采用工业机器人，按1/2等分数采用分段圆弧编制各段焊接程序，控制焊枪沿管座周向进行连续的多层多道焊接。包括以下步骤：

a） 将第七步所述的所有焊道的焊丝端部坐标点，即TCP点，按同层同道进行分组，用以组成各焊道；

b） 从0°肩部截面开始沿顺时针或逆时针方向，将同一个焊道上的所有TCP点按三个一组依次进行划分，每一组的最后一个点作为下一组的第一个点；

c） 对工业机器人进行弧焊运动编程，行走轨迹采用圆弧，按第十一步步骤b）所述的分组分别进行圆弧编程，最后将同一道所有圆弧连接起来形成一个完整的焊道轨迹。

d） 运行程序进行多层多道焊接。

本发明方法可适用于所有尺寸规格的变截面坡口集箱管座自动焊接，适用的焊接方法为自动填丝的气体保护焊和氩弧焊。

实施例2：

结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

一种典型的变截面坡口集箱管座焊接结构如图2～4所示：管座为管形结构，坡口一段加工成锥形曲面，并留有钝边。筒身上加工有与管座内径相等的通孔，在通孔周围的外壁表面加工有下沉平面，在平面中央加工有与管座钝边外径相配合的沉孔，以用于管座的装配。装配后的管座与筒身之间形成马鞍形焊接结构，其坡口角度从肩部向腹部不断变化。

一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法，包括以下工序：

第一步：根据工件图纸，获取工件尺寸参数：管座的内、外径，管座坡口尺寸，筒身内、外径，筒身坡口尺寸。

第二步：如图5所示，以筒身下沉平面中心为圆心，以筒身轴向一端为X轴正向，以管座大头端为Z轴正向，按直角坐标系右手定则建立直角坐标系，同时确保XY平面处于水平面上。然后在此坐标系下建立管座与筒身的三维模型。

第三步：如图6所示，将以管座中心轴线为旋转轴，将管座与筒身三维模型进行多等分。

等分的分数是24，需要保证0°、180°肩部位置和90°、270°肩部位置正好处在等分截面处。等分数量为24，随着管座尺寸变大应适当增加等分数量，以确保焊道轨迹精度。

第四步：如图7所示，对0°肩部的坡口截面进行多层多道划分。包括以下步骤：

a） 从合理的焊接参数范围中按经验确定一种可焊出成形良好、厚度合适焊道的焊接参数，焊接参数包括：焊丝直径D（单位mm）、送丝速度vf（单位m/min）、焊接速度v（单位m/min）；

b） 根据项目a）给定的参数计算在肩部角焊缝中单个焊道沿焊缝喉高方向的厚度δ，计算公式为 ；

c） 以焊缝喉高除以计算所得的单个焊道厚度，即h/δ，取整确定总的焊层数N；

d） 根部焊层焊道数量为1，按等差数列从内到外逐层加1确定每层焊道数量Nx；

e） 分别对每一层进行焊道划分计算：除第一层外的其余各层分别按照已经确定的焊道数对其各自层截面按等面积进行均分，焊道分界线均平行于XY水平面。

第五步：根据第四步确定的肩部的焊层数N和每层焊道数Nx，对第三步所确定的其余各等分截面进行焊道划分，以获得所有等分截面上的全部焊道的空间三维位置。包括以下步骤：

a） 如图8所示，以肩部、腹部、45°等分截面为例说明，按照最终焊缝垂直投影为圆的原则，将肩部焊道所确定的完整焊角尺寸分别投影到其余各等分截面上；

b） 以腹部等分截面为例，进行焊道划分，如图9所示，按肩部的焊层数N，沿喉高方向等厚度均分；

c） 按肩部截面各层焊道数Nx，分别将各层按面积均分为多个焊道，处在筒身加工坡口范围内的同层焊道的分界线平行于XY水平面，其余各层同层焊道的分界线均平行于该层第一道焊趾与上一层第一道焊趾的连线。

d） 其余等分截面以此类推，完成各等分截面多层多道划分。

第六步：如图10和图11所示，按各焊道截面图形的靠近管座中心侧的下角顶点位置沿XY水平面向远离管座中心方向偏移固定距离，以确定在各等分截面处各焊道的焊丝端部的具体三维坐标。

该固定偏移量范围为1～2mm，优选为1mm。

第七步：对每一圈完整的单个焊道，分别计算该焊道在各等分截面处的熔敷量，然后选定一组固定不变的电流、电压作为该焊道的焊接参数，计算在该截面处的焊接速度。

焊接电流范围为150～200A，电压范围为26～32V，所选参数要确保计算后的焊接速度范围为0.2～0.5m/min。

第八步：计算各等分截面各焊道的焊枪角度，包括以下步骤：

a） 如图10所示，确定0°肩部位置的焊枪角度α。α范围为40～65°，优选45°；

b） 如图11所示，计算各等分截面的两面角ψ，公式为 ，其中θ为该等分截面与0°肩部截面的夹角，r为管座外径，R为筒身外径（筒身叠加上一层焊缝后的外径）；

c） 计算各等分截面各焊道的焊枪角度α′，公式为α′=α-（ψ-90°）。

第九步：计算各等分截面处的焊枪沿焊接方向的前后倾角，包括以下步骤：

a） 如图12所示，为某一道焊道的焊枪前后倾角示意图。焊接方向为顺时针或逆时针；

b） 确定焊枪倾斜方向，从肩部向腹部运动时向腹部方向倾斜，从腹部向肩部运动时反之；

c） 确定0°、180°肩部截面和90°、270°腹部截面的倾角为0°，即不倾斜；

d） 确定最大倾角β，即45°等分截面的倾角，β范围为20～30°。每一层由下至上的焊道的β逐渐减小；

e） 从0°肩部等分截面向45°等分截面过渡时倾角逐渐增至最大，从45°等分截面向90°腹部截面过渡时倾角逐渐减小至0°，在其间的各等分截面倾角等比例变化。其余各等分截面以此类推。

第十步：按第二步所述的三维空间姿态调整实物工件，并固定牢固后适当点焊。然后在所采用的六轴工业机器人上按照第二步所述的直角坐标系标定工件坐标系。

第十一步：根据第一步～第十步计算得出的焊接参数及焊枪姿态参数，采用工业机器人，按1/2等分数采用分段圆弧编制各段焊接程序，控制焊枪沿管座周向进行连续的多层多道焊接。包括以下步骤：

a） 将第七步所述的所有焊道的焊丝端部坐标点，即TCP点，按同层同道进行分组，用以组成各焊道；

b） 从0°肩部截面开始沿顺时针或逆时针方向，将同一个焊道上的所有TCP点按三个一组依次进行划分，每一组的最后一个点作为下一组的第一个点；

c） 对工业机器人进行弧焊运动编程，行走轨迹采用圆弧，按第十一步步骤b）所述的分组分别进行圆弧编程，最后将同一道所有圆弧连接起来形成一个完整的焊道轨迹。

d） 运行程序进行多层多道焊接。

本发明方法可适用于所有尺寸规格的变截面坡口集箱管座自动焊接，适用的焊接方法为自动填丝的气体保护焊和氩弧焊。

实施例3：

结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

一种典型的变截面坡口集箱管座焊接结构如图2～4所示：管座为管形结构，坡口一段加工成锥形曲面，并留有钝边。筒身上加工有与管座内径相等的通孔，在通孔周围的外壁表面加工有下沉平面，在平面中央加工有与管座钝边外径相配合的沉孔，以用于管座的装配。装配后的管座与筒身之间形成马鞍形焊接结构，其坡口角度从肩部向腹部不断变化。

一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法，包括以下工序：

第一步：根据工件图纸，获取工件尺寸参数：管座的内、外径，管座坡口尺寸，筒身内、外径，筒身坡口尺寸。

第二步：如图5所示，以筒身下沉平面中心为圆心，以筒身轴向一端为X轴正向，以管座大头端为Z轴正向，按直角坐标系右手定则建立直角坐标系，同时确保XY平面处于水平面上。然后在此坐标系下建立管座与筒身的三维模型。

第三步：如图6所示，将以管座中心轴线为旋转轴，将管座与筒身三维模型进行多等分。

等分的分数是32，需要保证0°、180°肩部位置和90°、270°肩部位置正好处在等分截面处。等分数量为32，随着管座尺寸变大应适当增加等分数量，以确保焊道轨迹精度。

第四步：如图7所示，对0°肩部的坡口截面进行多层多道划分。包括以下步骤：

a） 从合理的焊接参数范围中按经验确定一种可焊出成形良好、厚度合适焊道的焊接参数，焊接参数包括：焊丝直径D（单位mm）、送丝速度vf（单位m/min）、焊接速度v（单位m/min）；

b） 根据项目a）给定的参数计算在肩部角焊缝中单个焊道沿焊缝喉高方向的厚度δ，计算公式为 ；

c） 以焊缝喉高除以计算所得的单个焊道厚度，即h/δ，取整确定总的焊层数N；

d） 根部焊层焊道数量为1，按等差数列从内到外逐层加1确定每层焊道数量Nx；

e） 分别对每一层进行焊道划分计算：除第一层外的其余各层分别按照已经确定的焊道数对其各自层截面按等面积进行均分，焊道分界线均平行于XY水平面。

第五步：根据第四步确定的肩部的焊层数N和每层焊道数Nx，对第三步所确定的其余各等分截面进行焊道划分，以获得所有等分截面上的全部焊道的空间三维位置。包括以下步骤：

a） 如图8所示，以肩部、腹部、45°等分截面为例说明，按照最终焊缝垂直投影为圆的原则，将肩部焊道所确定的完整焊角尺寸分别投影到其余各等分截面上；

b） 以腹部等分截面为例，进行焊道划分，如图9所示，按肩部的焊层数N，沿喉高方向等厚度均分；

c） 按肩部截面各层焊道数Nx，分别将各层按面积均分为多个焊道，处在筒身加工坡口范围内的同层焊道的分界线平行于XY水平面，其余各层同层焊道的分界线均平行于该层第一道焊趾与上一层第一道焊趾的连线。

d） 其余等分截面以此类推，完成各等分截面多层多道划分。

第六步：如图10和图11所示，按各焊道截面图形的靠近管座中心侧的下角顶点位置沿XY水平面向远离管座中心方向偏移固定距离，以确定在各等分截面处各焊道的焊丝端部的具体三维坐标。

该固定偏移量范围为1～2mm，优选为1mm。

第七步：对每一圈完整的单个焊道，分别计算该焊道在各等分截面处的熔敷量，然后选定一组固定不变的电流、电压作为该焊道的焊接参数，计算在该截面处的焊接速度。

焊接电流范围为150～200A，电压范围为26～32V，所选参数要确保计算后的焊接速度范围为0.2～0.5m/min。

第八步：计算各等分截面各焊道的焊枪角度，包括以下步骤：

a） 如图10所示，确定0°肩部位置的焊枪角度α。α范围为40～65°，优选45°；

b） 如图11所示，计算各等分截面的两面角ψ，公式为 ，其中θ为该等分截面与0°肩部截面的夹角，r为管座外径，R为筒身外径（筒身叠加上一层焊缝后的外径）；

c） 计算各等分截面各焊道的焊枪角度α′，公式为α′=α-（ψ-90°）。

第九步：计算各等分截面处的焊枪沿焊接方向的前后倾角，包括以下步骤：

a） 如图12所示，为某一道焊道的焊枪前后倾角示意图。焊接方向为顺时针或逆时针；

b） 确定焊枪倾斜方向，从肩部向腹部运动时向腹部方向倾斜，从腹部向肩部运动时反之；

c） 确定0°、180°肩部截面和90°、270°腹部截面的倾角为0°，即不倾斜；

d） 确定最大倾角β，即45°等分截面的倾角，β范围为20～30°。每一层由下至上的焊道的β逐渐减小；

e） 从0°肩部等分截面向45°等分截面过渡时倾角逐渐增至最大，从45°等分截面向90°腹部截面过渡时倾角逐渐减小至0°，在其间的各等分截面倾角等比例变化。其余各等分截面以此类推。

第十步：按第二步所述的三维空间姿态调整实物工件，并固定牢固后适当点焊。然后在所采用的六轴工业机器人上按照第二步所述的直角坐标系标定工件坐标系。

第十一步：根据第一步～第十步计算得出的焊接参数及焊枪姿态参数，采用工业机器人，按1/2等分数采用分段圆弧编制各段焊接程序，控制焊枪沿管座周向进行连续的多层多道焊接。包括以下步骤：

a） 将第七步所述的所有焊道的焊丝端部坐标点，即TCP点，按同层同道进行分组，用以组成各焊道；

b） 从0°肩部截面开始沿顺时针或逆时针方向，将同一个焊道上的所有TCP点按三个一组依次进行划分，每一组的最后一个点作为下一组的第一个点；

c） 对工业机器人进行弧焊运动编程，行走轨迹采用圆弧，按第十一步步骤b）所述的分组分别进行圆弧编程，最后将同一道所有圆弧连接起来形成一个完整的焊道轨迹。

d） 运行程序进行多层多道焊接。

本发明方法可适用于所有尺寸规格的变截面坡口集箱管座自动焊接，适用的焊接方法为自动填丝的气体保护焊和氩弧焊。

实施例4：

结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

一种典型的变截面坡口集箱管座焊接结构如图2～4所示：管座为管形结构，坡口一段加工成锥形曲面，并留有钝边。筒身上加工有与管座内径相等的通孔，在通孔周围的外壁表面加工有下沉平面，在平面中央加工有与管座钝边外径相配合的沉孔，以用于管座的装配。装配后的管座与筒身之间形成马鞍形焊接结构，其坡口角度从肩部向腹部不断变化。

一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法，包括以下工序：

第一步：根据工件图纸，获取工件尺寸参数：管座的内、外径，管座坡口尺寸，筒身内、外径，筒身坡口尺寸。

第二步：如图5所示，以筒身下沉平面中心为圆心，以筒身轴向一端为X轴正向，以管座大头端为Z轴正向，按直角坐标系右手定则建立直角坐标系，同时确保XY平面处于水平面上。然后在此坐标系下建立管座与筒身的三维模型。

第三步：如图6所示，将以管座中心轴线为旋转轴，将管座与筒身三维模型进行多等分。

等分的分数是40，需要保证0°、180°肩部位置和90°、270°肩部位置正好处在等分截面处。等分数量为40，随着管座尺寸变大应适当增加等分数量，以确保焊道轨迹精度。

第四步：如图7所示，对0°肩部的坡口截面进行多层多道划分。包括以下步骤：

a） 从合理的焊接参数范围中按经验确定一种可焊出成形良好、厚度合适焊道的焊接参数，焊接参数包括：焊丝直径D（单位mm）、送丝速度vf（单位m/min）、焊接速度v（单位m/min）；

b） 根据项目a）给定的参数计算在肩部角焊缝中单个焊道沿焊缝喉高方向的厚度δ，计算公式为 ；

c） 以焊缝喉高除以计算所得的单个焊道厚度，即h/δ，取整确定总的焊层数N；

d） 根部焊层焊道数量为1，按等差数列从内到外逐层加1确定每层焊道数量Nx；

e） 分别对每一层进行焊道划分计算：除第一层外的其余各层分别按照已经确定的焊道数对其各自层截面按等面积进行均分，焊道分界线均平行于XY水平面。

第五步：根据第四步确定的肩部的焊层数N和每层焊道数Nx，对第三步所确定的其余各等分截面进行焊道划分，以获得所有等分截面上的全部焊道的空间三维位置。包括以下步骤：

a） 如图8所示，以肩部、腹部、45°等分截面为例说明，按照最终焊缝垂直投影为圆的原则，将肩部焊道所确定的完整焊角尺寸分别投影到其余各等分截面上；

b） 以腹部等分截面为例，进行焊道划分，如图9所示，按肩部的焊层数N，沿喉高方向等厚度均分；

c） 按肩部截面各层焊道数Nx，分别将各层按面积均分为多个焊道，处在筒身加工坡口范围内的同层焊道的分界线平行于XY水平面，其余各层同层焊道的分界线均平行于该层第一道焊趾与上一层第一道焊趾的连线。

d） 其余等分截面以此类推，完成各等分截面多层多道划分。

第六步：如图10和图11所示，按各焊道截面图形的靠近管座中心侧的下角顶点位置沿XY水平面向远离管座中心方向偏移固定距离，以确定在各等分截面处各焊道的焊丝端部的具体三维坐标。

该固定偏移量范围为1～2mm，优选为1mm。

第七步：对每一圈完整的单个焊道，分别计算该焊道在各等分截面处的熔敷量，然后选定一组固定不变的电流、电压作为该焊道的焊接参数，计算在该截面处的焊接速度。

焊接电流范围为150～200A，电压范围为26～32V，所选参数要确保计算后的焊接速度范围为0.2～0.5m/min。

第八步：计算各等分截面各焊道的焊枪角度，包括以下步骤：

a） 如图10所示，确定0°肩部位置的焊枪角度α。α范围为40～65°，优选45°；

b） 如图11所示，计算各等分截面的两面角ψ，公式为 ，其中θ为该等分截面与0°肩部截面的夹角，r为管座外径，R为筒身外径（筒身叠加上一层焊缝后的外径）；

c） 计算各等分截面各焊道的焊枪角度α′，公式为α′=α-（ψ-90°）。

第九步：计算各等分截面处的焊枪沿焊接方向的前后倾角，包括以下步骤：

a） 如图12所示，为某一道焊道的焊枪前后倾角示意图。焊接方向为顺时针或逆时针；

b） 确定焊枪倾斜方向，从肩部向腹部运动时向腹部方向倾斜，从腹部向肩部运动时反之；

c） 确定0°、180°肩部截面和90°、270°腹部截面的倾角为0°，即不倾斜；

d） 确定最大倾角β，即45°等分截面的倾角，β范围为20～30°。每一层由下至上的焊道的β逐渐减小；

e） 从0°肩部等分截面向45°等分截面过渡时倾角逐渐增至最大，从45°等分截面向90°腹部截面过渡时倾角逐渐减小至0°，在其间的各等分截面倾角等比例变化。其余各等分截面以此类推。

第十步：按第二步所述的三维空间姿态调整实物工件，并固定牢固后适当点焊。然后在所采用的六轴工业机器人上按照第二步所述的直角坐标系标定工件坐标系。

第十一步：根据第一步～第十步计算得出的焊接参数及焊枪姿态参数，采用工业机器人，按1/2等分数采用分段圆弧编制各段焊接程序，控制焊枪沿管座周向进行连续的多层多道焊接。包括以下步骤：

a） 将第七步所述的所有焊道的焊丝端部坐标点，即TCP点，按同层同道进行分组，用以组成各焊道；

b） 从0°肩部截面开始沿顺时针或逆时针方向，将同一个焊道上的所有TCP点按三个一组依次进行划分，每一组的最后一个点作为下一组的第一个点；

c） 对工业机器人进行弧焊运动编程，行走轨迹采用圆弧，按第十一步步骤b）所述的分组分别进行圆弧编程，最后将同一道所有圆弧连接起来形成一个完整的焊道轨迹。

d） 运行程序进行多层多道焊接。

本发明方法可适用于所有尺寸规格的变截面坡口集箱管座自动焊接，适用的焊接方法为自动填丝的气体保护焊和氩弧焊。

实施例5：

一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法，其特征在于包括以下工序步骤：

（1）获取焊接坡口尺寸，包括坡口角度、管座壁厚和管座内外径等数据；

（2）将管座姿态设置为竖直向上建立直角坐标系，并在此坐标系下建立管座与集箱装配后的三维模型；

（3）沿管座周向且过管座中心轴线将整圈焊接坡口多等分，需确保各有一个等分截面处于两个肩部和两个腹部位置；

（4）根据焊缝尺寸和初始焊接参数，按特定的规则计算出肩部焊缝分层分道排布结果；

（5）以步骤（4）中计算所得的肩部焊道划分的层数和每层对应道数按特定规则对其余等分截面进行分层分道；

（6）按固定偏移量确定各等分截面中各焊道上焊丝端部的三维坐标；

（7）根据各等分截面上各焊道的截面积大小计算填充量，按照指定的焊接电流、电压大小，进而计算出该焊道在该截面位置时焊接速度大小；

（8）当设定好肩部时焊枪与XY水平面的夹角后，其余各等分截面需要在此基础上进行角度补偿计算；

（9）在一整圈焊道对应各等分截面的不同位置，对焊枪与焊接方向的夹角进行计算，使焊枪在立向上焊时将焊枪沿焊接方向后倾，在立向下焊时将焊枪沿焊接方向前倾；

（10）按照步骤（2）所述的三维模型姿态固定好待焊工件，并适当点焊牢固；

（11）根据步骤（1）～步骤（10）计算得出的焊接参数及焊枪姿态参数，采用工业机器人，按1/2等分数采用分段圆弧编制各段焊接程序，控制焊枪沿管座周向进行连续的多层多道焊接。

所述步骤（3）所述的多等分数量为16、24、32或40等，保证肩部位置和肩部位置正好处在等分截面处，等分数量至少为16，随着管座尺寸变大应适当增加等分数量。

所述步骤（4）所述的特定的规则指：

a） 根据初始给定的焊丝直径D（单位mm）、送丝速度vf（单位m/min）、焊接速度v（单位m/min）参数计算在肩部角焊缝中单个焊道沿焊缝喉高方向的厚度；

b） 以焊缝喉高除以项目a）计算所得的肩部单个焊道厚度，并取整确定总的焊层数；

c） 从根部开始，第一层焊道数量为1，按等差数列从内到外逐层加1确定每层焊道数量；

d） 除第一层焊道外，其余各层截面按项目c）中确定的焊道数对各自截面进行等面积划分，同层之间的焊道分界线均平行于XY水平面；

所述步骤（5）所述的特定规则指：

a） 各自截面中的各层焊道沿喉高方向厚度相等；

b） 各自截面同一层焊道内的每个焊道截面积相等；

c） 各自截面处在筒身加工坡口范围内的同层焊道的分界线平行于XY水平面，其余各层的同层焊道的分界线均平行于该层第一道焊趾与上一层第一道焊趾的连线。

所述步骤（6）所述的固定偏移量指将焊丝端部的三维坐标以各焊道横截面图形的靠近管座中心一侧的下角顶点为基准，沿XY水平方向向远离管座中心的方向的偏移量，其范围为1～2mm。

所述步骤（8）所述的角度补偿指两面角补偿，管座与筒身或筒身上已焊焊缝的交线上某一点的两面角是指过该点的管座与筒身或筒身上已焊焊缝的切平面的夹角，以肩部某一焊道的焊枪与XY水平面的夹角α为基准，在其余等分截面上对应焊道焊枪与XY水平面的夹角α′=α-（ψ-90°）。

所述步骤（9）所述的夹角的补偿计算为：以从0°肩部向90°腹部过渡过程为例，焊枪为向焊接方向倾斜，即前倾，随着焊枪的前进，倾角在肩部位置为0°，随后逐渐增大，到45°等分截面时达到最大，随后逐渐减小，到达腹部位置时再次变为0°，从腹部向肩部过渡过程则反之，整个过程中倾角的变化随着焊枪沿周向运动的角度呈等比例变化，每一层中从第一道到最后一道，最大倾角逐渐减小，最大倾角为20～30°。

所述步骤（11）所述的工业机器人指面向工业领域的六轴机械手。

所述步骤（11）所述的分段圆弧指从0°肩部截面开始，沿焊接方向依次将三个点作为一组，每一组的最后一个点作为下一组的第一个点，每组三个点生成一段圆弧，以此圆弧作为焊丝端部的行走轨迹，所有圆弧连续组成整圈轨迹，机器人依次按各段圆弧进行圆弧移动焊接指令编程，最终形成完整的焊接程序。

结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

一种典型的变截面坡口集箱管座焊接结构如图2～4所示：管座为管形结构，坡口一段加工成锥形曲面，并留有钝边。筒身上加工有与管座内径相等的通孔，在通孔周围的外壁表面加工有下沉平面，在平面中央加工有与管座钝边外径相配合的沉孔，以用于管座的装配。装配后的管座与筒身之间形成马鞍形焊接结构，其坡口角度从肩部向腹部不断变化。

一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法，包括以下工序：

第一步：根据工件图纸，获取工件尺寸参数：管座的内、外径，管座坡口尺寸，筒身内、外径，筒身坡口尺寸。

第二步：如图5所示，以筒身下沉平面中心为圆心，以筒身轴向一端为X轴正向，以管座大头端为Z轴正向，按直角坐标系右手定则建立直角坐标系，同时确保XY平面处于水平面上。然后在此坐标系下建立管座与筒身的三维模型。

第三步：如图6所示，将以管座中心轴线为旋转轴，将管座与筒身三维模型进行多等分。

等分的分数可以是8×n（n=2、3、4、5……），如16、24、32或40等，需要保证0°、180°肩部位置和90°、270°肩部位置正好处在等分截面处。等分数量至少为16，随着管座尺寸变大应适当增加等分数量，以确保焊道轨迹精度。

第四步：如图7所示，对0°肩部的坡口截面进行多层多道划分。包括以下步骤：

a） 从合理的焊接参数范围中按经验确定一种可焊出成形良好、厚度合适焊道的焊接参数，焊接参数包括：焊丝直径D（单位mm）、送丝速度vf（单位m/min）、焊接速度v（单位m/min）；

b） 根据项目a）给定的参数计算在肩部角焊缝中单个焊道沿焊缝喉高方向的厚度δ，计算公式为 ；

c） 以焊缝喉高除以计算所得的单个焊道厚度，即h/δ，取整确定总的焊层数N；

d） 根部焊层焊道数量为1，按等差数列从内到外逐层加1确定每层焊道数量Nx；

e） 分别对每一层进行焊道划分计算：除第一层外的其余各层分别按照已经确定的焊道数对其各自层截面按等面积进行均分，焊道分界线均平行于XY水平面。

第五步：根据第四步确定的肩部的焊层数N和每层焊道数Nx，对第三步所确定的其余各等分截面进行焊道划分，以获得所有等分截面上的全部焊道的空间三维位置。包括以下步骤：

a） 如图8所示，以肩部、腹部、45°等分截面为例说明，按照最终焊缝垂直投影为圆的原则，将肩部焊道所确定的完整焊角尺寸分别投影到其余各等分截面上；

b） 以腹部等分截面为例，进行焊道划分，如图9所示，按肩部的焊层数N，沿喉高方向等厚度均分；

c） 按肩部截面各层焊道数Nx，分别将各层按面积均分为多个焊道，处在筒身加工坡口范围内的同层焊道的分界线平行于XY水平面，其余各层同层焊道的分界线均平行于该层第一道焊趾与上一层第一道焊趾的连线。

d） 其余等分截面以此类推，完成各等分截面多层多道划分。

第六步：如图10和图11所示，按各焊道截面图形的靠近管座中心侧的下角顶点位置沿XY水平面向远离管座中心方向偏移固定距离，以确定在各等分截面处各焊道的焊丝端部的具体三维坐标。

该固定偏移量范围为1～2mm，优选为1mm。

第七步：对每一圈完整的单个焊道，分别计算该焊道在各等分截面处的熔敷量，然后选定一组固定不变的电流、电压作为该焊道的焊接参数，计算在该截面处的焊接速度。

焊接电流范围为150～200A，电压范围为26～32V，所选参数要确保计算后的焊接速度范围为0.2～0.5m/min。

第八步：计算各等分截面各焊道的焊枪角度，包括以下步骤：

a） 如图10所示，确定0°肩部位置的焊枪角度α。α范围为40～65°，优选45°；

b） 如图11所示，计算各等分截面的两面角ψ，公式为 ，其中θ为该等分截面与0°肩部截面的夹角，r为管座外径，R为筒身外径（筒身叠加上一层焊缝后的外径）；

c） 计算各等分截面各焊道的焊枪角度α′，公式为α′=α-（ψ-90°）。

第九步：计算各等分截面处的焊枪沿焊接方向的前后倾角，包括以下步骤：

a） 如图12所示，为某一道焊道的焊枪前后倾角示意图。焊接方向为顺时针或逆时针；

b） 确定焊枪倾斜方向，从肩部向腹部运动时向腹部方向倾斜，从腹部向肩部运动时反之；

c） 确定0°、180°肩部截面和90°、270°腹部截面的倾角为0°，即不倾斜；

d） 确定最大倾角β，即45°等分截面的倾角，β范围为20～30°。每一层由下至上的焊道的β逐渐减小；

e） 从0°肩部等分截面向45°等分截面过渡时倾角逐渐增至最大，从45°等分截面向90°腹部截面过渡时倾角逐渐减小至0°，在其间的各等分截面倾角等比例变化。其余各等分截面以此类推。

第十步：按第二步所述的三维空间姿态调整实物工件，并固定牢固后适当点焊。然后在所采用的六轴工业机器人上按照第二步所述的直角坐标系标定工件坐标系。

第十一步：根据第一步～第十步计算得出的焊接参数及焊枪姿态参数，采用工业机器人，按1/2等分数采用分段圆弧编制各段焊接程序，控制焊枪沿管座周向进行连续的多层多道焊接。包括以下步骤：

a） 将第七步所述的所有焊道的焊丝端部坐标点，即TCP点，按同层同道进行分组，用以组成各焊道；

b） 从0°肩部截面开始沿顺时针或逆时针方向，将同一个焊道上的所有TCP点按三个一组依次进行划分，每一组的最后一个点作为下一组的第一个点；

c） 对工业机器人进行弧焊运动编程，行走轨迹采用圆弧，按第十一步步骤b）所述的分组分别进行圆弧编程，最后将同一道所有圆弧连接起来形成一个完整的焊道轨迹。

d） 运行程序进行多层多道焊接。

本发明方法可适用于所有尺寸规格的变截面坡口集箱管座自动焊接，适用的焊接方法为自动填丝的气体保护焊和氩弧焊。