簡析焊接夾具在焊接自動化中的應(yīng)用

邱賢寧 韋真光

摘要：主要介紹利用焊接夾具工裝在焊接自動化中的應(yīng)用，并通過對實(shí)例進(jìn)行具體分析，進(jìn)一步介紹焊接夾具工裝的設(shè)計步驟和主要優(yōu)點(diǎn)等。同時與汽車零部件焊接傳統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行了比較，進(jìn)一步總結(jié)出新方法的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：焊接夾具 焊機(jī)機(jī)器人 自動化焊接

近年來，由于機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步成熟，在焊接加工領(lǐng)域，越來越多的企業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行焊接。在焊接生產(chǎn)過程中，由于真正用于焊接的時間比較少，而超過2/3的時間主要用于備料、裝配等工作，進(jìn)而在一定程度上影響了焊接的生產(chǎn)速度，進(jìn)而難以適應(yīng)焊接機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)奏。為此，需要對機(jī)械化、自動化程度較高的焊接夾具裝備等加大推廣使用的力度。焊接夾具是保證焊接質(zhì)量的主要因素之一，是焊接工藝的重要組成部分，它可以確保焊接零件形狀、尺寸、精度符合產(chǎn)品圖樣技術(shù)要求?？梢哉f，焊接夾具是構(gòu)成自動化焊接的“核心”。因此，為滿足焊接零件的自動化焊接要求，用最快最簡單的方法設(shè)計最優(yōu)質(zhì)的焊接夾具勢在必行。

1 ABB焊接機(jī)器人工作站簡介

ABB焊接機(jī)器人工作站主要由主控制柜、機(jī)器人本體、清搶裝置、工位按鈕、配置焊機(jī)、示教器、氣動工裝夾具等組成。

2 地板橫梁焊接件的結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)組成分析

地板橫梁組成，其是由地板橫梁、離合拉索支架、組合通管支架焊合件、水管安裝支架焊合件、地板橫梁支架焊合件（左）、地板橫梁支架焊合件（右）拼裝焊接而成，總共有焊縫18條。

2.2 焊接結(jié)構(gòu)件焊接性能分析

所謂焊接性是指金屬適應(yīng)焊接加工，進(jìn)而形成完整的，同時具備一定使用性能的特性。對于金屬焊接性來說，其概念主要涉及兩個方面的內(nèi)容：一是在焊接加工中，金屬是否容易形成缺陷；二是在一定條件下，焊成的接頭可靠運(yùn)行的能力。

通常情況下，在焊接過程中形成的缺陷包括：

①氣孔，與深埋氣孔相比，焊縫表面或鄰近表面的氣孔更具危險性，與單個氣孔相比，成串或密集氣孔更危險；

②夾渣，材料的抗拉強(qiáng)度隨著夾渣或夾雜物截面積的增大而成比例降低，但是對屈服強(qiáng)度構(gòu)成的影響比較??；

③幾何形狀造成的不連續(xù)，咬邊，焊縫成型不良或燒穿等由幾何形狀造成的不連續(xù)性缺陷，一方面降低構(gòu)件的截面積，另一方面產(chǎn)生應(yīng)力集中；

④未熔合和未焊透，與氣孔夾渣相比，未熔合和未焊透的危害性更大；

⑤裂紋，對于焊接來說，裂紋是最危險的缺陷。

該焊接件屬于薄板焊接件，薄板對熱源極為敏感，并且一旦受熱極易變形，用傳統(tǒng)的矯正方法很難達(dá)到理想的效果。此特性決定了其焊接不能采用手工焊、埋弧焊等焊接方法，因其焊接殘余應(yīng)力過大，所以變形較大，因此不能滿足施工質(zhì)量要求。氬弧焊雖能得到較好質(zhì)量的焊縫和外觀，但焊接成本太高，生產(chǎn)效率較低，不利于結(jié)構(gòu)性薄板的批量焊接。

采用氣動夾緊工裝夾具配合機(jī)器人二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊接方法，將需要焊接的零件按照裝配要求裝配夾緊在工裝上，并按焊接工藝調(diào)整好電流、電壓及機(jī)器人焊接時的焊接速度和擺動幅度，既能克服手工焊、氬弧焊焊接方法的缺陷，又能滿足薄板結(jié)構(gòu)批量焊接的需求，焊縫質(zhì)量高、觀感質(zhì)量好，提高生產(chǎn)的效率。

3 制定焊接結(jié)構(gòu)件的焊接工藝

3.1 焊接方法及焊接規(guī)范

焊接方法：二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。

焊接設(shè)備：ABB焊接機(jī)器人。

焊接規(guī)范：

①焊接電流：120-140A；

②電壓：25-32V；

③保護(hù)氣體：二氧化碳；

④焊接預(yù)熱：無要求。

3.2 機(jī)器人焊接工序的確定

將地板橫梁、離合拉索支架、組合通管支架焊合件、水管安裝支架焊合件、地板橫梁支架焊合件（左）、地板橫梁支架焊合件（右）拼裝定位，按順序焊接，機(jī)器人焊接過程中需要轉(zhuǎn)動工件到一定位置以方便焊接。

4 焊接氣動工裝夾具設(shè)計及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.1 工裝夾具整體設(shè)計思想

根據(jù)地板橫梁總成圖紙焊接要求，通過對結(jié)構(gòu)的合理性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化，以及夾具的優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行綜合考慮，在焊接過程中需要翻轉(zhuǎn)零件以便焊接各連接零件，這就要求夾具能夠旋轉(zhuǎn)，同時對定位的精確度進(jìn)行考慮，在裝配時，要求定位器與夾緊器的銷孔相互配合。

4.2 夾具的設(shè)計

對夾具進(jìn)行整體設(shè)計時，一方面需要把夾具的各種元件、機(jī)構(gòu)、裝置等連接成整體，另一方面考慮工件裝卸的方便性。因此，夾具各組成件的分布位置、工件的外形輪廓尺寸以及焊接焊槍有沒有關(guān)涉的條件等，在一定程度上決定著夾具體的形狀和尺寸。根據(jù)上述要求，該零件的工裝設(shè)計分析如下：

4.2.1 在裝配過程中把待裝零件、部件的相互位置確定下來的過程叫做定位。定位器是保證焊件在夾具中獲得正確裝配位置的零件和部件。地板橫梁是直徑為φ42×2.5的鋼管，根據(jù)其形狀定位可以用雙U形塊定位。在夾具上被定好位置的工件，必須進(jìn)行夾緊，否則無法維持它的即定位置，即始終使工件的定位基準(zhǔn)與定位元件緊密接觸。這樣就必須有夾緊裝置來完成這份工作，在夾緊時要使夾緊所需要的力應(yīng)能克服操作過程中產(chǎn)生的各種力，如工件的重力、慣性、因控制焊接變形而產(chǎn)生的拘束力等，考慮到減輕勞動強(qiáng)度，采用氣缸自動夾緊。

4.2.2 離合拉索支架需與地板橫梁相焊接起來，中間有孔，其定位可以用銷進(jìn)行定位。離合拉索支架形狀為U，可以利用地板橫梁夾緊，不需要額外加夾緊裝置。

4.2.3 組合通管支架焊合件和水管安裝支架焊合件中有孔，可以利用此孔進(jìn)行定位夾緊。由于水管安裝支架焊合件不用利用地板橫梁夾緊，需加夾緊氣缸。

4.2.4 地板橫梁支架焊合件壁厚1.8mm，為薄壁件，焊接時容易變形，在焊接的時候進(jìn)行多點(diǎn)夾緊防止變形。位置的定位可以利用地板橫梁支架焊合件上的孔來定位。

4.2.5 工件有焊縫在底部，焊接時候焊槍不方便伸進(jìn)去，且熔焊金屬流動造成焊縫不均勻，因此采用一個旋轉(zhuǎn)工作臺，把焊縫調(diào)整到水平面上。

4.3 完成夾具設(shè)計

根據(jù)前面的分析，編制設(shè)計方案書，根據(jù)設(shè)計方案書的要求對夾具進(jìn)行各個零部件的設(shè)計，在設(shè)計中盡可能的使用標(biāo)準(zhǔn)件（國家標(biāo)準(zhǔn)及公司標(biāo)準(zhǔn)），這樣能加快設(shè)計速度及制造速度，節(jié)約開發(fā)成本和制造成本。

5 焊接機(jī)器人程序編程與調(diào)試

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊縫要求，在實(shí)現(xiàn)自動化焊接過程中，機(jī)器人編程和焊接需要不斷變換位置和姿勢才能實(shí)現(xiàn)焊接的連續(xù)性，真正實(shí)現(xiàn)自動化焊接。焊接機(jī)器人在焊接時比手工焊有著更高的要求，需要考慮到機(jī)器人各軸的聯(lián)動關(guān)系，同時還需要注意變換機(jī)器人姿勢、焊槍角度的過程中空間位置的合理性。根據(jù)廠家生產(chǎn)技術(shù)要求，結(jié)合工裝設(shè)計特點(diǎn)，程序編程在滿足生產(chǎn)需求和焊縫質(zhì)量得到保證的前提下應(yīng)盡可能的減少時間，以此提高焊接生產(chǎn)效率。如：在機(jī)器人空運(yùn)過程中可以將移動速度加大、以最小的變換姿勢焊接下一道焊縫，這些都有助于提高生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對于焊接質(zhì)量，人們提出了更高的要求。自動化生產(chǎn)在一定程度上要求減少人力，提高產(chǎn)品一致性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，適合批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。進(jìn)行人工焊接時，受技術(shù)水平、疲勞程度、責(zé)任心、生理極限等因素的影響和制約，焊接工作的穩(wěn)定性和一致性難以保持較長時間。而且，由于焊接惡劣的工作條件，愿意從事手工焊接的人在減少，熟練的技術(shù)工人更有短缺的趨勢。所以，要保證自動化焊接零件的質(zhì)量焊接夾具很重要，一個好的夾具才能很好的保證焊接質(zhì)量。

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作者簡介：

邱賢寧（1985-），男，助理工程師，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要研究方向：焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成與焊接工裝設(shè)計。