焊接機器人在連接板焊接中的應用

郭瑩峰

連接板是工程起重機常用的零部件，其結構如圖1所示，主要由底板和四個銷柱組成。銷柱與底板之間采用環(huán)形角焊縫焊接方式進行固定，以往的焊接方法采用手工CO2氣體保護加藥芯焊絲焊接工藝，由于焊縫為環(huán)形角焊縫，因而手工作業(yè)時容易造成焊縫外觀質量差，焊接作業(yè)效率低、焊縫環(huán)線與焊接部位環(huán)線結合性差等缺點，容易造成“脫焊”等情況，同時為保證焊縫外觀質量，焊接后需要采用砂輪機對焊縫進行打磨，也容易造成焊接成本的增加。通過分析，決定該工件采用焊接機器人進行焊接作業(yè)，關鍵是需要設計合理的焊接機器人操作系統(tǒng)和制定合理的焊接工藝，確保成本質量的有效統(tǒng)一。

圖1 連接板結構

1. 焊接機器人總體方案

根據(jù)連接板的尺寸、結構特點以及焊縫的形式，考慮到底板和四個銷柱是采用單面焊縫形式，焊縫在工件上呈規(guī)則性均勻分布，焊接過程不需要變位即可滿足所有焊縫的焊接。為降低成本和提高效率，在進行焊接機器人整體方案設計時，決定不采用翻轉工裝等機器人周邊設備，而采用固定平臺方式實現(xiàn)工件的焊接定位，同時為提高焊接效率，焊接機器人系統(tǒng)方案采取一機雙工位的模式，H型布置方式，如圖2所示，即機器人本體固定在兩自制焊接工作定位平臺之間，工作時一工位焊接機器人對人一側工件進行自動焊接，另一工位可以裝卸工件，交替進行作業(yè)，保證機器人連續(xù)不停工作。

為確保工件安裝定位精度，減少機器人焊接尋蹤次數(shù)，確保機器人焊接運行軌跡與工件所需焊接軌跡一致，在工件和焊接定位平臺上設計有定位銷孔，通過一面兩銷形式實現(xiàn)連接板在焊接作業(yè)平臺上的精確定位。

2. 機器人本體選用

機器人本體采用唐山松下具有六自由度的關節(jié)式焊接機器人，配套松下全數(shù)字化脈沖焊機電源，并加設自動清槍剪絲噴油裝置和弧光安全防護裝置，滿足機器人使用過程中安全防護和清槍需要。

圖2 焊接機器人整體方案

3. 焊接工藝的確定

焊接工藝采用富氬混合氣體+實芯焊絲代替原有的CO2氣體+藥芯焊絲，富氬保護焊接具有熔池可見度好，操作方便、適宜于全位置焊接，同時電弧在保護氣體的壓縮下熱量集中，焊接速度較快，熔池小，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，抗裂性能好，焊接過程中在惰性氣體保護下，具有焊接質量好的特點，非常利于焊接過程中的機械化和自動化。但由于電弧的光輻射較強，因此在焊接機器人總體方案設計中，需要設計弧光安全防護裝置進行安全保護。為提高焊接效率，采用一次施焊成形的工藝方法，避免由于焊接機器人重復定位而造成生產(chǎn)效率的降低。

4. 焊接電源的選用

通過對多種電源的試用，并針對試用過程中出現(xiàn)的問題，結合工件的材質、形狀特性、尺寸精度要求、焊縫長度及位置特點，焊接工作量及機器人的工作效率，該焊接機器人系統(tǒng)采用全數(shù)字脈沖氣體保護焊電源，即脈沖 MIG 焊接工藝電源。眾所周知，焊接過程中電弧控制精確程度，決定著焊接質量越好好壞，而全數(shù)字脈沖氣體保護焊電源由于采用了數(shù)字化技術，因此控制系統(tǒng)的反饋時間比傳統(tǒng)的焊機減少了幾個數(shù)量級，提高了反饋的精確性和靈敏性。在采用脈沖焊接時，能提供相適宜的脈沖波形，還可有效控制每個脈沖只過渡一個熔滴，這使得整個焊接過程中弧長保持不變，焊接過程幾乎沒有飛濺，而且可以實現(xiàn)超低熱輸入的焊接，同時還可以克服傳統(tǒng)的 GMA 焊機焊接結束后，焊絲的末端會形成一個影響再引弧結球的缺陷，實現(xiàn)焊接質量和焊接效率的最佳匹配。

5. 焊絲直徑選擇

結合焊接質量和焊接效率的需要，焊絲采用φ1.6mm的實芯焊絲，可以滿足連接板的實際焊接需要，同時也便于焊接效率的提高。

6. 焊接參數(shù)確定

（1）電弧電壓及焊接電流 電弧電壓是短路過渡時的關鍵參數(shù)，電弧電壓與焊接電流相匹配，可以實現(xiàn)飛濺小、焊縫成形良好和穩(wěn)定的焊接過程。通過多次試驗，電弧電壓確定為20～25 V，焊接電流確定為200～260A。

（2）焊接速度 焊接速度提高，焊縫熔寬、熔深和余高均減小，容易產(chǎn)生咬邊、氣孔和未焊透等缺陷；焊速過低，容易產(chǎn)生燒穿、組織粗大、焊接變形大等問題。

通過多次試驗，焊接速度定為400～800mm/min ，焊接起弧時間為點/0.5s、收弧時間點/0.5s，機器人空走時間平均點/1.5s。

（3）氣體混合比和流量確定 采用80%Ar和20%CO2混合氣體，CO2氣體的純度≥99.5%。氣體流量的確定要充分考慮室內(nèi)、室外作業(yè)地點的差別，氣體流量過低，保護氣體挺度不足，焊縫易產(chǎn)生氣孔；流量過大，容易浪費氣體，同時由于有可能出現(xiàn)紊流，而造成保護性變差，在焊縫表面形成灰色氧化層，使焊縫質量降低，一般氣體流量應定為15～25L/min。

（4）焊絲伸出長度 焊絲伸出長度增加時，焊絲上的電阻熱增加，焊絲熔化加快，生產(chǎn)效率高，但伸出長度過大時，焊絲容易產(chǎn)生過熱，造成成段熔斷、飛濺嚴重，從而使焊接過程不穩(wěn)定，合適的伸出長度應為焊絲直徑的10～12倍，因此本焊接工藝焊絲的伸出長度確定為16mm。

7. 連接板的機器人實際焊接應用

采用上述方案設計的焊接機器人實際焊接作業(yè)，連接板按照每組四個的固定位置安裝在定位平臺上。在定位過程中，為避免增加輔助定位基準而造成的成本增加和工序增加，在定位方式選擇上充分利用連接板自身的結構作為定位基準（見圖3），該定位方法以銷柱的內(nèi)孔和事先按照工件尺寸在定位平臺上已加工出的定位孔為基準，插入兩個定位銷，即可以實現(xiàn)連接板在定位平臺上“一面兩銷”精確定位。焊接機器人按照固定的運行軌跡和坐標數(shù)據(jù)進行編程，可以有效實現(xiàn)連接板的精確自動焊接作業(yè)。

圖3 機器人焊接實際操作

8. 效果

焊接機器人采用上述工藝及方案進行連接板焊接作業(yè)，工件定位精度高，機器人動作精度準確，焊接軌跡與焊縫重合度高，采用傳統(tǒng)焊接工藝和機器人焊接工藝焊縫成形情況如圖4、圖5所示。由圖可以明顯看出采用機器人的焊縫成形美觀、飽滿，因而焊接效率和焊接質量得到明顯提高；且使用實芯焊絲后，無需清理焊渣，對改善作業(yè)環(huán)境、降低工人勞動強度帶來了明顯的效果，也為企業(yè)自動化、智能化和高效化焊接機器人的全面投入使用，奠定的良好的應用基礎。

圖4 傳統(tǒng)焊接工藝焊縫

圖5 機器人焊接工藝焊縫