焊接機(jī)器人在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

■ 孟慶彪，李偉，張建民，秦建偉，齊杭賓

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1. 概述

電力變壓器是輸變電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，變壓器外殼——油箱承裝著整個(gè)器身并充滿變壓器油，焊縫強(qiáng)度及密封性是變壓器的兩個(gè)重要指標(biāo)。

目前，在變壓器油箱制造行業(yè)，雖然有的企業(yè)已經(jīng)開始使用機(jī)器人，但總體仍是以手工焊接和仿形半自動(dòng)焊接為主，自動(dòng)化焊接還有很大的提升空間。與手工焊接相比，機(jī)器人焊接在穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率等方面存在著巨大優(yōu)勢。因此，大力推廣應(yīng)用焊接機(jī)器人，提高焊接自動(dòng)化水平是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

圖1 焊接機(jī)器人

圖2 示教器

2. 焊接機(jī)器人構(gòu)造及功能

下面就以我公司使用的德魯斯DRW3110F-40型焊接機(jī)器人（見圖1）為例，簡要介紹一下機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)及主要功能。

這是一款可移動(dòng)式6軸焊接機(jī)器人，由移動(dòng)工作站系統(tǒng)和焊接機(jī)器人系統(tǒng)兩大部分組成，可通過吊車將整套工作站或焊接機(jī)器人系統(tǒng)吊到需要的工作位置，其基體由機(jī)器人、弧焊系統(tǒng)、電纜、控制柜、系統(tǒng)軟件等幾部分構(gòu)成。焊接系統(tǒng)采用FANUC公司生產(chǎn)的M-710iC/20L機(jī)械臂和美國LINCOLN公司的POWER WAVE i400數(shù)字焊接電源，能夠很好的滿足操作靈活度和焊縫質(zhì)量的要求。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，提高焊縫成形質(zhì)量，焊接機(jī)器人還具備如下功能。

（1）示教功能 不同于軌道固定式機(jī)器人，移動(dòng)式機(jī)器人坐標(biāo)系的基準(zhǔn)零點(diǎn)不固定，程序的創(chuàng)建和修改要通過示教器（見圖2）進(jìn)行操作。

機(jī)器人有三種運(yùn)動(dòng)軌跡，分別為：點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、圓弧運(yùn)動(dòng)，針對不同的焊縫路徑選擇不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）擺焊功能 為了增大焊縫寬度。提高焊接強(qiáng)度，手工焊接操作時(shí)常常沿著焊接方向以特定角度（形狀）周期性左右搖擺焊槍。焊接機(jī)器人同樣具備這一擺焊功能，并可以選擇正弦型擺焊、圓型擺焊、8字形擺焊、L形擺焊等多種擺焊模式，擺焊條件設(shè)置分為頻率、振幅、右停留時(shí)間、左停留時(shí)間、角度等幾個(gè)參數(shù)。

（3）焊縫跟蹤功能 電弧傳感器可周期性對焊接電流實(shí)施監(jiān)測，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，按照事先設(shè)定的增益、偏差等參數(shù)值，對焊槍上下和左右方向進(jìn)行補(bǔ)償（見圖3）。這項(xiàng)功能在應(yīng)對工件出現(xiàn)加工偏差或者受熱變形等情況時(shí)非常有效，能夠及時(shí)糾正焊縫跑偏或?qū)捳灰磺闆r。

（4）多層多道焊功能 在變壓器油箱的箱底、箱蓋等較厚鋼板的焊接中，往往采取多層多道焊的方式。焊接機(jī)器人可以通過焊接路徑記憶和再現(xiàn)功能、焊接路徑偏移功能，使用位置寄存器使得在第一層焊接時(shí)跟蹤傳感器存儲的焊接線稍許偏移，從而實(shí)現(xiàn)反復(fù)多層焊接。多層焊接功能只需示教打底焊縫一次即可，其余各層焊縫均自動(dòng)焊接完成。

圖3 位置補(bǔ)償

圖4 立角焊示教點(diǎn)位置

3. 應(yīng)用實(shí)例

變壓器油箱上存在多種焊接接頭型式，有對接焊縫、平角焊縫、立角焊縫等。下面，我們就以焊接難度較大的立角焊為例，介紹一則焊接機(jī)器人在變壓器制造中的應(yīng)用實(shí)例。

為保證焊接強(qiáng)度，油箱在焊接立角焊縫時(shí)需要采取由下向上立焊的方法。此方法熔深較大，容易焊透，但熔池底部是個(gè)斜面，熔融金屬在重力作用下比較容易下淌。因此，必須采用比平焊稍小的電流，焊槍的擺動(dòng)頻率應(yīng)稍快，采用鋸齒形節(jié)距較小的擺動(dòng)方式進(jìn)行焊接，使熔池小而薄，熔滴過渡采用短路過渡形式。

焊接機(jī)器人立角焊如圖4所示，首先要對預(yù)設(shè)位置點(diǎn)1、焊接起始點(diǎn)2、中間點(diǎn)3、焊接終止點(diǎn)4進(jìn)行示教并創(chuàng)建程序，必須加入擺焊功能和跟蹤功能。如果示教器中已保存有立角焊程序，僅需對焊接開始、結(jié)束點(diǎn)進(jìn)行示教即可，操作步驟就可大大簡化。

在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，可以根據(jù)不同的材質(zhì)、板厚、接頭形式及焊接位置等情況，設(shè)定不同的焊接參數(shù)。

使用上述程序和參數(shù)，對變壓器油箱箱沿與箱壁連接處進(jìn)行立角焊，就會形成一道魚鱗紋均勻、焊縫寬窄一致、不跑偏且沒有接頭的美觀焊縫，手工焊接是很難達(dá)到這種效果的。

值得注意的是，在焊接機(jī)器人示教過程中，調(diào)整好焊槍的傾斜角度很關(guān)鍵，如果角度偏差較大，就會出現(xiàn)焊腳不對稱的情況。同時(shí)，還要保證焊絲伸出長度足夠，否則焊接飛濺會堵塞槍嘴并造成保護(hù)罩過熱。

4. 推廣焊接機(jī)器人需要改進(jìn)的問題

實(shí)際應(yīng)用證明，對不受空間限制的變壓器長直焊縫或帶法蘭的圓形角焊縫，機(jī)器人焊接比人工焊接具有巨大優(yōu)勢。但焊接機(jī)器人在變壓器制造行業(yè)的應(yīng)用尚處于初級階段，為了提高焊接機(jī)器人利用率，還要從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）焊接機(jī)器人制造企業(yè)要提高其便捷化、智能化水平，以便能與生產(chǎn)現(xiàn)場更加有效的對接。如：使用無線定位技術(shù)，用激光筆模擬示教點(diǎn)及焊槍角度，代替示教時(shí)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)；增加機(jī)器人手臂作業(yè)半徑，開發(fā)實(shí)用工裝，使機(jī)器人能移動(dòng)到翻箱放倒的變壓器油箱內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部焊縫焊接。

（2）變壓器設(shè)計(jì)部門要提高產(chǎn)品及零部件標(biāo)準(zhǔn)化程度，合理布局焊縫位置，減少零件扣壓、跨越焊縫現(xiàn)象，給機(jī)器人連續(xù)焊接創(chuàng)造良好條件。