Как поддерживать правильный угол наклона сварочной горелки при роботизированной дуговой сварке

Что такое угол наклона сварочной горелки?

Угол наклона сварочной горелки обычно складывается из двух составляющих: рабочего угла и угла наклона в направлении сварки (угла перемещения).

Рабочий угол определяет положение горелки относительно поверхностей, образующих сварное соединение. Угол наклона в направлении сварки определяет наклон горелки относительно направления ее движения.

Оба угла влияют на то, куда направлены сила дуги и тепловой поток. Программисту робота следует задавать и контролировать оба параметра, а не описывать положение горелки лишь одним общим углом.

Что такое рабочий угол?

Рабочий угол рассматривается в плоскости, перпендикулярной линии сварного соединения.

При выполнении симметричного углового шва, соединяющего две пластины под углом примерно 90 градусов, начальный рабочий угол, близкий к биссектрисе угла соединения, способствует равномерному распределению тепла между обеими деталями. Однако может потребоваться корректировка конечного угла, если пластины имеют разную толщину или различаются по характеристикам теплоотвода.

Более толстая деталь может требовать большего подвода тепла, чем тонкая. Кроме того, горизонтальная и вертикальная пластины могут вести себя по-разному, поскольку на формирование валика шва влияют гравитация и поведение расплавленного металла.

При сварке стыковых соединений с разделкой кромок горелку обычно ведут по центральной линии разделки. На выбор конечного рабочего угла влияют такие факторы, как угол разделки кромок, зазор в корне шва, толщина притупления, последовательность проходов и требуемая степень проплавления боковых стенок. Не существует универсального рабочего угла, подходящего для любого соединения.

Что такое угол наклона горелки по направлению сварки (travel angle)?

Угол наклона по направлению сварки рассматривается относительно направления движения горелки.

При сварке «углом вперед» (push angle) горелка направлена в сторону движения. При сварке «углом назад» (drag или pull angle) горелка направлена назад, в сторону уже выполненного шва.

Во многих случаях применения сварки GMAW (MIG/MAG) используется умеренный угол наклона, а не экстремальный. Типичный диапазон начальных значений составляет примерно 5–15 градусов, однако окончательное значение должно соответствовать утвержденной технологической карте сварки и конкретным требованиям к соединению.

Чрезмерный угол наклона может ухудшить эффективность газовой защиты, увеличить разбрызгивание, изменить глубину проплавления и привести к формированию неровного шва.

Сварка «углом вперед» или «углом назад»: какой метод лучше?

При сварке «углом вперед» дуга обычно направлена перед сварочной ванной. Такая ориентация часто позволяет получить более широкий и плоский шов, а также улучшает видимость зоны соединения.

При сварке «углом назад» горелка направлена на сварочную ванну. Такая ориентация обычно дает более узкий шов с большим усилением и в определенных условиях может увеличить глубину проплавления.

Результаты сварки «углом вперед» или «углом назад» зависят от процесса сварки, типа проволоки, материала, конфигурации соединения, режима переноса металла, параметров и пространственного положения. Общие правила не должны подменять собой утвержденную технологическую карту сварки.

В программе робота следует использовать направление, аттестованное для конкретной задачи.

Почему при роботизированной сварке сложнее контролировать угол наклона горелки?

Сварщик-оператор может наблюдать за сварочной ванной и вносить коррективы в процессе работы. Базовая система роботизированной сварки просто повторяет запрограммированные положения и ориентацию.

Робот способен с высокой точностью воспроизводить правильный угол наклона. Однако он с такой же точностью может воспроизводить и неправильный угол.

Ориентация горелки может неожиданно меняться при прохождении программой углов, круговых соединений, сложных криволинейных участков, а также при движении позиционера или прохождении через особые точки (сингулярности) осей робота.

Программирование только начальной и конечной точек может привести к тому, что контроллер выполнит интерполяцию и выберет нежелательное положение горелки на участке между ними. Для полного контроля траектории движения могут потребоваться промежуточные точки ориентации.

Начинайте с аттестованной технологии сварки

Программирование робота должно основываться на утвержденной технологической карте сварки или проверенном рабочем диапазоне параметров процесса.

В технологической карте должны быть определены: процесс сварки, тип проволоки, защитный газ, сила тока, напряжение, скорость сварки, подготовка соединения, пространственное положение, требования к предварительному подогреву и критерии приемки.

Также должны быть задокументированы требуемые углы наклона горелки (рабочий угол и угол по направлению сварки), вылет проволоки и расстояние от горелки до изделия, если эти параметры влияют на качество. Не следует утверждать программу сварки только на основании того, что пробный шов выглядит приемлемо при осмотре с одного ракурса. Пробный шов должен соответствовать установленным требованиям контроля качества.

Калибровка рабочей точки инструмента (TCP)

Рабочая точка инструмента (TCP — Tool Center Point) определяет фактическое положение сварочной проволоки или электрода относительно фланца робота.

Неточное определение TCP приводит к ошибкам при изменении ориентации сварочной горелки в процессе работы робота. Прямой шов может выглядеть качественно, тогда как при повороте или движении по кривой траектории шов может сместиться относительно линии соединения.

Калибровку TCP необходимо проверять после замены горелки, гусака, монтажного кронштейна, устройства защиты от столкновений, токоподводящего наконечника или других компонентов, влияющих на геометрию горелки.

В результате столкновения гусак горелки может деформироваться, даже если внешние признаки повреждения отсутствуют. Поэтому после любого предполагаемого удара следует выполнять проверку TCP.

Контроль расстояния от наконечника до изделия (CTWD)

Расстояние от токоподводящего наконечника до изделия (CTWD — Contact-Tip-to-Work Distance) должно оставаться неизменным на всем протяжении траектории сварки.

Изменение CTWD может повлиять на сварочный ток, характеристики дуги, скорость наплавки, глубину проплавления и качество газовой защиты. Колебания CTWD могут привести к нестабильному качеству сварки даже при правильном угле наклона горелки.

Траектория движения робота должна обеспечивать постоянство как ориентации горелки, так и расстояния до линии соединения.

Причинами изменения CTWD могут стать ошибки в оснастке, износ токоподводящего наконечника, деформация проволоки, неверная калибровка TCP, смещение положения шва или некорректное программирование криволинейного участка траектории.

Используйте оснастку, обеспечивающую повторяемость

Робот движется по запрограммированным координатам, если только система датчиков не вносит коррективы.

Если заготовка смещается внутри оснастки, меняются фактический рабочий угол и положение горелки относительно стыка.

Оснастка должна обеспечивать повторяемость базирующих поверхностей, надежность зажима, достаточное пространство для горелки и контролируемые зазоры в стыке.

При обучении траектории необходимо учитывать положение зажимов. Угол наклона горелки, подходящий для незакрепленной детали, может привести к столкновению после установки всех производственных зажимов.

Следует регулярно проверять состояние оснастки, так как износ базовых точек может привести к постепенному смещению стыка.

Задавайте положение и ориентацию одновременно

Каждая важная точка траектории робота содержит информацию как о положении, так и об ориентации.

Фиксация только положения проволоки без проверки ориентации горелки может обеспечить правильные конечные точки, но привести к неверной ориентации на участках между ними.

В процессе обучения программисту следует осматривать горелку с разных ракурсов. Использование камеры или графического интерфейса облегчает выявление ошибок ориентации.

Для прямолинейных швов может потребоваться относительно небольшое количество точек. Криволинейные швы и участки с изменением направления стыка требуют достаточного количества точек для поддержания плавного и контролируемого положения горелки.

Также следует избегать избыточных точек. Слишком большое количество неудачно расположенных точек может вызвать колебания скорости и резкие движения рабочего органа (кисти) робота.

Поддерживайте угол наклона при прохождении углов

Углы — это участки, где часто возникают ошибки ориентации горелки.

При подходе к углу робот должен изменить направление движения, сохраняя при этом требуемое взаимное расположение горелки и обеих поверхностей стыка.

Программа может включать участок подхода, участок прохождения угла и участок выхода. На каждом из этих участков необходимо контролировать как положение, так и ориентацию.

Вблизи углов может потребоваться корректировка скорости перемещения и параметров сварки, поскольку тепло здесь накапливается иначе, чем на длинном прямом шве.

Пробный проход (без сварки) должен подтвердить правильность движений рабочего органа, отсутствие помех для кабелей и оснастки, а также отсутствие резких изменений ориентации.

Используйте позиционер при ограниченном доступе сварочной горелки

Позиционер позволяет поворачивать или наклонять заготовку, обеспечивая роботу более выгодное положение для сварки.

Изменение ориентации заготовки улучшает доступ горелки, позволяет избежать критических положений манипулятора робота и упрощает контроль рабочего угла.

Кроме того, позиционер помогает поддерживать стабильное положение сварочной ванны относительно вектора гравитации.

Для согласованного движения робота и позиционера требуется точная калибровка. Погрешности в работе осей позиционера могут привести к изменению угла наклона горелки и смещению места сварного соединения, даже если траектория движения робота задана верно.

Учет влияния гравитации при сварке в вертикальном и потолочном положениях

Сила тяжести изменяет поведение сварочной ванны при сварке в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях.

Угол наклона горелки, обеспечивающий формирование качественного шва в нижнем положении, может не дать аналогичного результата в другом пространственном положении.

Сварка в вертикальном положении может потребовать изменения скорости перемещения, погонной энергии, техники колебательных движений и ориентации горелки для предотвращения стекания металла, образования подрезов или непровара.

Сварка в потолочном положении, как правило, требует строгого контроля погонной энергии, длины дуги, подготовки кромок и размеров шва.

Каждое пространственное положение при сварке следует отрабатывать отдельно, а не просто копировать параметры режима, предназначенного для нижнего положения, без предварительной проверки.

Проверка угла наклона горелки во время плетения

Плетение предполагает боковое перемещение горелки по шву.

Робот должен поддерживать заданные углы работы и перемещения на протяжении всего плетения. Неконтролируемые изменения ориентации могут направлять избыточный нагрев к одной из боковых стенок.

Ширина плетения, частота, время выдержки, скорость перемещения, ток и напряжение — все эти параметры взаимодействуют с углом наклона горелки.

Широкое плетение не может автоматически компенсировать неправильное расположение шва или неподходящую ориентацию горелки.

Многослойные и многопроходные программы должны определять ориентацию горелки для каждого слоя, поскольку геометрия шва изменяется по мере заполнения канавки сварочным металлом.

Может ли отслеживание шва корректировать угол наклона горелки?

Системы определения местоположения шва и отслеживания шва могут помочь компенсировать заданные уровни вариаций детали.

Сенсорное или лазерное позиционирование может определить шов до сварки и сместить запрограммированную траекторию.

Лазерное отслеживание шва может измерять шов во время движения. Отслеживание дуги может использовать обратную связь процесса сварки для внесения корректировок в траекторию в совместимых приложениях.

Коррекция траектории не всегда означает полную коррекцию ориентации. Некоторые системы изменяют траекторию движения робота, сохраняя при этом запрограммированный угол наклона горелки. Более сложные конфигурации могут корректировать положение и ориентацию.

Покупателям следует проверить, какие параметры коррекции поддерживаются выбранным датчиком, контроллером, программным обеспечением и сварочным оборудованием.

Контролируйте кабельную разводку

Кабели горелки могут влиять на движение робота и ориентацию запястья.

Неправильная прокладка кабелей может создавать натяжение, ограничивать движение шарниров, контактировать с заготовкой или мешать работе зажимов.

Поведение кабелей следует проверять по всей программе работы робота, включая исходное положение, траектории приближения, траектории сварки, движение позиционера и положения для технического обслуживания.

Зажимы кабелей не должны создавать чрезмерного напряжения вблизи шейки горелки или запястья робота. Расходные линии и кабели должны иметь достаточный запас по перемещению, не создавая неконтролируемых петель.

Распространенные признаки неправильного угла наклона горелки

Неравномерные линии углового шва могут указывать на то, что дуга слишком сильно направлена на один из элементов шарнира.

Подрез с одной стороны может быть результатом неправильного рабочего угла, чрезмерной скорости перемещения, чрезмерного напряжения, плохого плетения или неподходящего распределения тепла.

Высокий и узкий валик может быть связан с чрезмерным углом натяжения, низким напряжением, низкой скоростью перемещения или недостаточным смачиванием шва.

Широкий и плоский валик с недостаточным проникновением может быть связан с чрезмерным углом натяжения, неподходящими параметрами или плохой подготовкой шва.

Пористость может возникнуть из-за чрезмерного угла, уменьшающего охват газовым потоком, но также может быть результатом загрязнения, ветра, утечек, засорения сопла, неправильного потока газа или чрезмерного CTWD (расстояние между электродами и сварным швом).

Угол горелки следует проверять вместе со всем процессом сварки.

Практическая процедура проверки угла горелки

Начните с подтверждения версии заготовки, приспособления, процедуры сварки, сборки горелки, проволоки, защитного газа и расходных материалов.

Проверьте TCP (расстояние между электродами и сварным швом) и убедитесь, что проволока выходит из ожидаемого положения. Проверьте CTWD в начале, середине и конце сварного шва.

Запустите программу без дуги. Наблюдайте за рабочим углом и углом перемещения с разных направлений. Обратите особое внимание на углы, кривые, движения подхода и переходы позиционера.

Выполните пробную сварку, используя типовые производственные детали. Проверьте положение шва, равномерность углового шва, наличие проплавления, подрез, плавление, брызги, пористость и деформацию.

Сохраните утвержденную программу с контролируемым номером версии. Зафиксируйте все необходимые параметры крепления, горелки, TCP, параметры или условия проверки.

Как часто следует проверять угол наклона горелки?

Угол наклона горелки необходимо проверять при первоначальной настройке и после любых изменений, способных повлиять на взаимное расположение горелки и заготовки.

К таким изменениям относятся: замена горелки, замена контактного наконечника, регулировка гусака горелки, столкновение, ремонт оснастки, изменение конструкции изделия, корректировка программы, перемещение робота, калибровка позиционера и настройка датчика отслеживания шва.

Производственным группам также следует отслеживать постепенные изменения. Износ расходных материалов, смещение кабелей, ослабление крепежа, износ оснастки и тепловое воздействие со временем могут привести к возникновению небольших отклонений.

Частота проверок должна определяться объемом производства, ответственностью сварного соединения, технологическими возможностями процесса и требованиями заказчика.

Безопасность при обучении робота и выполнении сварки

Регулировка угла наклона горелки может потребовать нахождения персонала в непосредственной близости от робота, оснастки, сварочной горелки или заготовки.

Оценка рисков, проводимая с учетом конкретных задач, должна охватывать этапы обучения, холостого прогона, инспекции, устранения неисправностей, замены расходных материалов, технического обслуживания и автоматического производства.

Функции безопасности робота не устраняют опасности, связанные непосредственно со сваркой. При дуговой сварке персонал может подвергаться воздействию сварочного дыма, ультрафиолетового излучения, риску получения ожогов и удара электрическим током, а также опасности контакта с искрами, горячими поверхностями и движущимися механизмами.

Для обеспечения безопасности установки могут потребоваться сварочные экраны, местная вытяжная вентиляция, системы блокировки доступа, защитные сканеры, устройства аварийной остановки, защитная спецодежда и использование контролируемых режимов работы.

Заключение

Поддержание правильного угла наклона сварочной горелки требует согласованного контроля таких параметров, как рабочий угол, угол наклона в направлении сварки, положение точки центра инструмента (TCP), расстояние от наконечника до изделия (CTWD), а также учета характеристик оснастки, ориентации робота, параметров сварки и стабильности геометрии деталей.

После надлежащей разработки и проверки траектории робот способен поддерживать требуемое положение горелки с высокой повторяемостью.

Регулярная калибровка, проверка в режиме холостого хода, контрольная сварка образцов и упорядоченное внесение изменений в программы помогают предотвратить превращение постепенных отклонений в производственный брак.

Оценка решения Huawei Laser для роботизированной лазерной сварки

Компания Huawei Laser предлагает решения для роботизированной сварки, включающие функции обучения методом ведения (drag teaching), графического программирования, перемещения по шести осям, управления процессом сварки, колебательного движения горелки (weaving), планирования многослойной и многопроходной сварки, а также опциональные функции поиска или отслеживания шва.

Специалисты Huawei Laser могут оценить доступность горелки, рабочую зону робота, грузоподъемность, конструкцию оснастки, требования к позиционеру, параметры сварки, возможности систем контроля и состав оборудования для обеспечения безопасности с учетом конкретной заготовки заказчика.

Для получения технической оценки или проведения пробной сварки отправьте в Huawei Laser информацию о заготовке: чертеж, материал, толщину, тип соединения, пространственное положение сварки, длину шва, объем производства, требования к качеству и целевое время цикла.