УДК 621.791

Роботизированная дуговая сварка защищенной дугой

Пятаев Дмитрий Александрович – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Кайзер Денис Сергеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Зимин Максим Алексеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Аннотация: В данной работе показана разработка и валидация методологии роботизированной сварки покрытыми электродами с использованием вариации модели центральной точки инструмента. Покрытый электрод становится частью кинематической модели робота как дополнительный призматический шарнир, движение которого определяется расходом электрода или скоростью плавления. Это позволяет программировать траекторию сварки аналогично процессам сварки с непрерывной подачей проволоки. В этих процессах точки начала и конца каждого участка траектории задаются программистом, и робот по умолчанию выполняет заданную траекторию между этими точками, при этом подача проволоки осуществляется независимо от движения робота.

Ключевые слова: сварка, робот, дуговая сварка покрытым электродом.

Несмотря на то, что процесс дуговой сварки защищенным металлом с использованием покрытых электродов широко используется, его избегают для некоторых применений из-за возможного отсутствия качества сварки в отношении однородности микроструктуры, физического вида и размера. Эти факторы напрямую связаны с тем, что этот процесс в настоящее время преимущественно ручной, и сварщик не в состоянии выполнить все швы абсолютно одинаково. Следует также учитывать, что работы под водой опасны для человека. Механизация процесса уже существует и способствует повышению производительности; однако существуют ограничения на геометрию шва, которая определяется механизмом.

В целях повышения безопасности и качества сварки вместе с повторяемостью, обеспечиваемой механизацией, при сохранении гибкости ручного процесса роботизация процесса представляется возможным решением. Так, процесс может быть выполнен подводным роботом при подводной сварке. В случае ремонтной сварки представленную методику можно использовать в сочетании с системой слежения за стыком или системой технического зрения для автоматической идентификации канавки.

Однако при роботизации проблема заключается в том, что скорость плавления покрытого электрода не является постоянной на протяжении всего процесса сварки и зависит от диаметра электрода и сварочного тока. Это связано с тем, что сварочный ток проходит по всей длине еще не расплавившегося электрода, нагревая его за счет эффекта Джоуля. Это тепло прямым образом способствует плавлению электрода, что увеличивает скорость его плавления. Таким образом, если сварку вести с постоянной скоростью погружения, то шов будет иметь безразмерные однородные характеристики, так как скорость плавления, а следовательно, и скорость наплавки вдоль шва увеличиваются. Результаты экспериментов показали, что, помимо получения неровного шва без полного провара, постоянная скорость погружения может привести к гашению дуги через короткое время после начала сварки.

При дуговой сварке в среде защитного газа недостаточно следовать заданной траектории по канавке, как в процессах с газовой дугой и дуговой сваркой с флюсовой проволокой, где подача проволоки происходит автоматически. Необходимо совершать движение подачи, чтобы поддерживать постоянную длину дуги. Поскольку скорость плавления непостоянна из-за нагрева, вызванного эффектом Джоуля, скорость подачи необходимо регулировать во время выполнения.

Используемая методология позволяет программировать перемещение центральной точки инструмента аналогично пользователю. Таким образом, необходимо только запрограммировать геометрию или траекторию наплавленного валика по канавке, не заботясь о плавлении электрода.

Электрод здесь рассматривается как призматическое соединение робота. Учитывая длину шарнира, заданную длиной электрода, он движется по запрограммированной траектории, и в каждый период выборки новое смещение сустава рассчитывается и обновляется в модели кинематики робота. Поэтому ныряющее движение держателя электрода не зависит от движения сварки.

С учетом начального и конечного положений электрододержателя и скорости плавления экспериментально получены траектории ТКП и электрододержателя в процессе сварки. Наконечник электрода движется по заданной траектории, а электрододержатель совершает ныряющее движение. Поскольку электрод параллелен оси Z, ныряющее движение электрододержателя совершается в этом направлении, поскольку он движется в направлении X. В этом случае легко констатируется независимость движения вперед ТКП и движения погружения электрододержателя. Однако, учитывая теперь угол сварки 45 градусов, эти движения не являются независимыми. Эта методология может быть распространена на нелинейные траектории, например, при орбитальной сварке трубопроводов. Оператору необходимо только запрограммировать траекторию сварки так же, как это делается для процессов сварки с непрерывной подачей проволоки.

В данной работе представлена роботизация процесса сварки покрытыми электродами, сочетающая гибкость процесса с повторяемостью и безопасностью автоматизации. Использование промышленного робота с гибким интерфейсом программирования позволило запрограммировать генерацию во время выполнения траектории электрододержателя и рассчитать расход электрода.

Список литературы

1. Бабич А.В., Баранов А.Г., Калабин И.В. и др. Промышленная робототехника: Под редакцией Шифрина Я.А. – М.: Машиностроение, 1982 – 415 с.
2. В.И. Захарова и М.П. Васильева «Промышленные роботы» - М. 1992 – 286 с.
3. «Сварка в машиностроении», Т.4, Ф.А. Аксельрод, Л.Е. Алекин. 1999г.