弧焊機器人焊接工藝參數計算方法研究

霍厚志，黃 程，張玉財，李登攀，謝鵬飛（.山東山推機械有限公司，山東 濟寧7000；

2.寧夏中測計量測試檢驗院（有限公司），銀川750001；

3.元鴻(山東)光電材料有限公司，山東 濟寧272000）

弧焊機器人焊接工藝參數計算方法研究

霍厚志1，黃 程1，張玉財2，李登攀1，謝鵬飛3（1.山東山推機械有限公司，山東 濟寧272000；

2.寧夏中測計量測試檢驗院（有限公司），銀川750001；

3.元鴻(山東)光電材料有限公司，山東 濟寧272000）

為了提高弧焊機器人在工程機械領域的工作效率，減少焊接編程中通過試驗途徑獲取焊接工藝參數造成的資源浪費，根據焊縫理論體積與焊接時弧焊機器人所填充焊絲體積相等的關系，求解出焊縫橫截面面積與焊接電流、焊接速度及所用焊絲直徑的關系式。基于此關系式求解出3組焊腳長為10 mm船形焊的焊接工藝參數。試驗結果表明，根據關系式計算的焊接工藝參數焊接出的焊縫尺寸與設計的尺寸基本相符，并且此計算方法在實際生產中得到了很好的應用。

焊接；弧焊機器人；焊接編程；焊縫橫截面面積；焊接工藝參數；船形焊

伴隨著工業(yè)經濟的發(fā)展，弧焊機器人在焊接工業(yè)領域的應用越來越廣泛[1]，根據焊縫的設計尺寸編寫焊接工藝參數是弧焊機器人焊接編程中一個必不可少的環(huán)節(jié)，是確保焊接質量的關鍵環(huán)節(jié)[2]。建立焊接工藝參數與焊縫幾何尺寸的關系，也是保證熔焊快速成型零件精度的基本要素[3]。工程機械領域編程人員一般是通過大量的試驗來獲取相應的焊接工藝參數，尤其是接頭形式比較復雜且涉及多重多道焊的焊縫，獲取其相應的工藝參數就更為復雜。這不僅浪費大量的人力、物力及財力，還延長了企業(yè)新產品的生產周期，進而降低企業(yè)的競爭力。所以，研究焊縫尺寸及弧焊機器人焊接工藝參數間的關系就變得頗為重要。

1 算法推導

焊縫橫截面面積由焊絲的熔化速度（送絲速度）、熔敷效率及焊接速度決定[4]。根據焊縫體積與填充焊絲體積相等的關系可得以下關系式

式中：S焊縫—焊縫橫截面面積；

L—焊縫長度；

φ—焊接熔敷效率；

S焊絲—焊絲橫截面面積；

v送絲1，v焊接1—分別為第一道焊縫的送絲速度、焊接速度；

v送絲2，v焊接2，v送絲n，v焊接n—對應的第二道和第n道焊縫的送絲速度、焊接速度。

查閱焊縫的設計圖紙，便能算出焊縫的橫截面面積。選用合適的焊絲后，根據式（2）可以推算出對應的焊接速度及送絲速度。由于送絲速度反映焊接電流的大小[4]，這樣便可以得到焊接的主要工藝參數，即焊接電流及焊接速度。

本研究選用日本神鋼ARCMAN－MP焊接機器人，焊機型號為SENSARCUC500-AUT1J；ER50-G焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，進行試驗驗證。通過試驗獲取了焊接電流及送絲速度的關系，具體數據見表1。

表1 焊接電流與送絲速度的對應關系

將表1數據繪制成圖，如圖1所示。由圖1可以看出，焊接電流與送絲速度成線性關系。通過計算，此線性關系式為v送絲=50 I。故（2）式可整理為

式中：I1，I2和In—分別為相應焊道的焊接電流。

圖1 焊接電流與送絲速度的關系

2 理論推導焊接工藝參數

由于焊接電壓對焊縫橫截面面積的影響不大[5-7]，本研究只需要考慮電壓與電流的匹配（選用的焊機為一元特性焊機，即確定電流后設備會自動匹配一個最佳的焊接電壓），忽略電壓對焊縫橫截面面積的影響。參考實心焊絲CO2焊的熔敷效率研究[8-9]中焊接熔敷效率的測量方法，選用300A電流、電壓設置100%、干伸長25 mm時 ARCMAN－MP焊接機器人的熔敷效率為97.2%。以該熔敷效率為參考，可粗略推算出腳長為10 mm船形焊的3組工藝參數（實際生產過程中根據母材和強度設計要求來確定焊接尺寸、相應的焊絲及電流范圍，然后通過本研究推導出的理論公式便可計算出相應的焊接速度），并以此工藝參數進行工藝驗證。

采用船形焊焊接方式，設計角焊縫尺寸K為10 mm，焊縫橫截面面積50 mm2，焊絲直徑為1.2 mm，腳長為10 mm船形焊的3組工藝參數見表2，船形焊焊縫形狀如圖2所示。

表2 腳長為10 mm船形焊的3組工藝參數

圖2 船形焊縫形狀示意圖

3 試驗驗證

焊接設備采用日本神鋼ARCMAN－MP焊接機器人，焊機型號為SENSARC UC500-AUT1J；焊接時母材為150 mm×50 mm×8 mm的Q235鋼板，CO2氣體（純度大于99%），ER50-G1焊絲（焊絲直徑為1.2 mm）；3組試驗的焊接工藝參數見表2，焊接時3組試驗的干伸長、氣流量加焊接擺幅均相同，依次為干伸長25mm、氣流量20 L/min、焊接擺幅5 mm。

3組試驗得到的焊縫形狀及尺寸如圖3所示。通過圖3可以看出，焊縫形狀及尺寸基本相同。具體尺寸見表3。通過表3可以看出，實際焊接尺寸與設計尺寸誤差在1 mm以內，完全符合JB/T 7949—1999的焊縫尺寸要求。

圖3 3組試驗得到的焊縫形狀

表3 設計焊接尺寸與實際焊接尺寸對比

4 生產應用

根據母材和焊縫設計尺寸并參考焊接手冊[10]中焊接工藝參數給定的范圍，選用合適的焊絲及電流后便可確定焊接速度，從而可直接得到與焊縫設計尺寸基本相同的實際焊接尺寸，省去了中間試驗獲取相應焊接參數的環(huán)節(jié)。以下通過焊接挖掘機350驅動底座來驗證本研究推導的理論公式在多層焊中的應用情況。

由于驅動底座的焊縫較多，本研究只選取具有代表性的外圍環(huán)形焊縫，該焊縫的橫截面如圖4所示。

圖4 350驅動底座外圍環(huán)形焊縫橫截面示意圖

首先分析圖紙，規(guī)劃焊接層數。根據實際生產經驗，船形多層焊第一層一般不大于10 mm，后面層數的厚度一般在4~6 mm。由圖4可知，此焊縫需要兩層焊接，第一層厚度設置為8 mm，第二層厚度設置為4 mm。

然后確定焊絲直徑及焊接電流。參考焊接手冊[10]，選用直徑1.2 mm焊絲，焊接電流的設置范圍是200~450 A。綜合考慮設備性能及焊接效率，第一層焊接電流設置為300 A，第二層焊接電流設置為320 A。

最后計算焊接速度。第一層焊縫厚度為8mm，可粗略認為此焊縫橫截面為半徑8 mm的1/4圓，計算出第一層焊縫的橫截面積約為50 mm2。將焊絲直徑、熔敷效率、焊接電流代入（3）式，便可求出第一層焊縫的焊接速度。同理可算出第二層焊縫的焊接速度。具體焊接參數見表4。

表4 弧焊機器人焊接350驅動底座焊接參數

按照計算出的工藝參數進行焊接，得到350驅動底座外圍環(huán)形焊縫焊接結果，如圖5所示。由圖5可以看出所焊焊縫成形良好。

圖5 350驅動底座外圍環(huán)形焊縫焊接效果圖

5 結 語

根據設計焊縫的體積與填充焊材體積相等的關系，計算出了焊接尺寸與焊接參數的關系式，并通過日本神鋼ARCMAN－MP焊接機器人進行了試驗驗證。結果表明，根據關系式計算的焊接工藝參數焊接出的焊縫尺寸與設計的尺寸基本相符，達到了預期的效果。

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Study on Calculation Method of Robotic Arc Welding Process Parameter

HUO Houzhi1，HUANG Cheng1，ZHANG Yucai2，LI Dengpan1，XIE Pengfei3
（1.Shandong SHANTUI Machinery Co.,Ltd.,Jining 272000，Shandong,China；
2.Ningxia Zhongce Institute of Metrology and Inspection,Yinchuan 750001，China；
3.Yuanhong Photoelectric Material Co.,Ltd.(Shandong),Jining 272000，Shandong,China）

In order to improve the work efficiency of robotic arc welding in the mechanical engineering field and reduce the waste of resources caused by the experiment to obtain process parameters of welding programming.According to the relation of equality between weld volume and wire filling volume that welded by robotic arc welding,it solved out the relational expression between weld cross sectional area,welding current,welding speed and the diameter of the wire.Based on this equation 3 group of fillet welding in the flat position process parameters of 10 mm was solved.The experimental results showed that the weld size that welded according to the process parameters calculated by equation was basically consistent with the designed size,and this calculation method was applied in practical production well.

welding；robotic arc welding；welding programming；weld cross sectional area；welding process parameter；fillet welding in the flat position

TG409

A

1001－3938（2015）08-0034-04

霍厚志（1986—），男，山東臨沂人，畢業(yè)于太原科技大學，助理工程師，碩士研究生，主要研究方向為機器人焊接。

2015-05-13

修改稿收稿日期：2015-07-10

謝淑霞