搬運(yùn)機(jī)器人鋁合金機(jī)架氬弧焊變形控制研究

張宏偉

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫交通分院，江蘇 無錫 214151）

搬運(yùn)機(jī)器人已經(jīng)向重量輕、耗能低、牢固耐用、便于操控等方面發(fā)展，對(duì)承載此類機(jī)器人的機(jī)架必須選用質(zhì)量輕、易加工、強(qiáng)度高的材料。由于本文研發(fā)的搬運(yùn)機(jī)器人要求載重大約50 公斤，能負(fù)重完成運(yùn)輸和爬坡的任務(wù)，再綜合考慮機(jī)器人的自身重量、承載能力、運(yùn)動(dòng)性能等因素，機(jī)器人機(jī)架選用鋁合金6061，鋁合金雖然能減輕重量、保證強(qiáng)度，但焊接性能較差，焊縫容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，尤其是焊件變形大、尺寸較難控制的問題。針對(duì)上述問題，我們首先需要設(shè)計(jì)與之配套的專用焊接工裝夾具，既能輔助定位，又能控制變形；其次，制定合理的焊接工藝，其中包括焊接設(shè)備、焊前裝配、定位、焊接工藝參數(shù)等；最后，焊后檢測(cè)，保證焊接質(zhì)量和控制變形。

1 焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)

鋁合金機(jī)架由15×15×2mm 的鋁合金方管拼裝焊接而成，其主要尺寸如下圖1 所示?？紤]到鋁合金焊接時(shí)容易變形，而機(jī)架焊后尺寸必須控制在±1mm 公差范圍內(nèi)，因此，為方便焊接裝配和定位，以及降低焊接變形，我們根據(jù)鋁合金機(jī)架的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)配套的焊接工裝夾具，該夾具采用材質(zhì)是同種鋁合金，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工，具體如圖2 所示。

圖1 鋁合金機(jī)架主要尺寸

圖2 鋁合金機(jī)架焊接工裝夾具

2 焊接工藝

（1）焊機(jī)和焊材選用。被焊工件的材料是常用的鋁合金6061，由于鋁合金表面有一層致密難熔的Al2O3氧化膜，氧化膜嚴(yán)重影響焊縫的質(zhì)量和性能，因此，必須有效地清除這層氧化膜。同時(shí)，為了減少鎢極的燒損，我們選用交流氬弧焊的方法。盡管如此，鋁合金在焊接過程中，依然很容易出現(xiàn)氣孔和變形。我們選用OTC 品牌焊機(jī)，型號(hào)為全數(shù)字式IGBT 逆變控制交直流兩用脈沖氬弧焊機(jī)ADP400，選擇相匹配的ER5356 焊絲，直徑是1.6mm。

（2）焊前清理。由于機(jī)加工后表面有油污等，會(huì)導(dǎo)致焊后形成氣孔和夾渣等。因此，焊前需要仔細(xì)清理，采用化學(xué)清理和機(jī)械清理兩種方法，化學(xué)清理用丙酮反復(fù)幾次擦洗焊縫兩側(cè)25mm 以上區(qū)域，機(jī)械清理采用風(fēng)動(dòng)不銹鋼絲輪或不銹鋼絲刷清理焊縫兩側(cè)至少25mm 以上的區(qū)域，打磨至亮白色。

（3）機(jī)架的裝配與焊接。機(jī)器人機(jī)架的焊接工藝步驟主要如下：首先，機(jī)器人機(jī)架底座的裝配與定位焊。把4 個(gè)鋁合金方管按下圖3 拼成長(zhǎng)方形，不留裝配間隙，不開坡口，在方管接縫處采用氬弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊定位，固定好4 個(gè)方管，形成一個(gè)矩形框架。

圖3 機(jī)架底座尺寸及立體圖

其次，機(jī)器人機(jī)架底座的焊接。采用氬弧焊進(jìn)行焊接，先焊接矩形框架的上下表面的水平位置焊縫，再焊接垂直位置焊縫，最后焊角焊縫。主要的氬弧焊焊接工藝參數(shù)如表1。

表1 鋁合金機(jī)架的氬弧焊工藝參數(shù)

在鋁合金機(jī)架的氬弧焊過程中，由于鋁合金焊接時(shí)導(dǎo)熱快，母材和焊絲熔化較快，手工送絲速度也較快，同時(shí)方管厚度是2mm，屬于薄板，因此，焊接過程中焊絲不需要擺動(dòng)。由于鋁合金熔化顏色沒有變化，形成熔池時(shí)不易察覺，需要注意觀察熔池的形成和焊絲的熔化，控制送絲速度，防止停留時(shí)間過長(zhǎng)引起燒穿或塌陷。此外，需要注意引弧時(shí)氬氣提前送氣，息弧時(shí)氬氣的滯后停氣，充分保護(hù)鋁合金焊縫不被氧化。最后，機(jī)架中四根長(zhǎng)桿的裝配與定位焊。要在長(zhǎng)方形底座上焊接四根長(zhǎng)桿，先把四根長(zhǎng)桿插入定制焊接夾具孔中，借助夾具裝配與固定四根長(zhǎng)桿的位置，防止四根長(zhǎng)桿焊接變形，如下圖4 所示。然后，在四個(gè)長(zhǎng)桿和底座拼接處采用氬弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊定位，固定好四根長(zhǎng)桿在底座上的位置。最后，四根長(zhǎng)桿與底座的焊接。采用氬弧焊方法，焊接四根長(zhǎng)桿與底座的接縫，共16 條焊縫，全部焊接完成后，夾具套在長(zhǎng)桿上，保持一段時(shí)間，可以1 ～2 小時(shí)后再拆下來，最后，對(duì)機(jī)架外表面部分的焊縫進(jìn)行適當(dāng)磨平，機(jī)器人機(jī)架的焊接成品如圖5。

圖4 機(jī)架焊接夾具

圖5 機(jī)架焊接成品

圖6 合格的機(jī)架焊縫

（4）焊縫的檢測(cè)。對(duì)四個(gè)機(jī)器人鋁合金機(jī)架焊接成品的所有焊縫進(jìn)行外觀檢測(cè)，要求焊縫表面無肉眼可見的氣孔和裂紋，如圖6 所示。此外，由于機(jī)架對(duì)尺寸變形必須在±1mm 公差范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)焊后底座長(zhǎng)度，其中一個(gè)底座焊后四邊的尺寸分別為174.5mm、174.8mm、83.9mm、83.2mm，對(duì)應(yīng)的變形尺寸公差分別為-0.5mm、-0.2mm、-0.1mm、-0.8mm，在變形范圍內(nèi)，其他三個(gè)底座也均被檢測(cè)合格。

3 結(jié)語

研發(fā)的搬運(yùn)機(jī)器人鋁合金機(jī)架氬弧焊過程中，易出現(xiàn)變形。為控制變形，我們先設(shè)計(jì)配套的專用焊接夾具；然后，制定合理的氬弧焊焊接工藝，選用OTC 焊機(jī)，改進(jìn)工藝步驟，做好焊前裝配和定位，選用合適的焊接工藝參數(shù)，主要是氬氣流量10L/min、焊接電流114A、焊接電壓20V 等；最后，進(jìn)行焊后檢測(cè)，確保在達(dá)到焊接質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，有效地控制機(jī)器人鋁合金機(jī)架變形。