臥式注塑機(jī)油箱自動(dòng)化焊接工藝設(shè)計(jì)與研究

朱玉田，吳悠，高世權(quán)，管敏超

1. 同濟(jì)大學(xué) 上海 20092

2. 海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司 浙江寧波 315800

1 序言

國內(nèi)注塑機(jī)行業(yè)限于成本與生產(chǎn)批量的問題，大多采用手工進(jìn)行裝配以及焊接作業(yè)，自動(dòng)化水平很低。并且傳統(tǒng)的手工焊接，雖然靈活性較高，但生產(chǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，焊接質(zhì)量受限于焊工操作水平，不穩(wěn)定，不均勻焊接、虛焊等問題時(shí)有發(fā)生[1]。因此采用自動(dòng)化焊接，能實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約成本、改善作業(yè)環(huán)境，提升企業(yè)核心競爭力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。

臥式注塑機(jī)是一種特定行業(yè)特種材料（塑料）加工設(shè)備，作為其中一個(gè)組成部分——油箱（見圖1），可以借鑒已經(jīng)成熟的自動(dòng)化焊接方案。

圖1 注塑機(jī)油箱

劉彥麗等[2]用機(jī)器人自動(dòng)化焊接解決原來手工焊接質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致的外柴油箱滲漏問題。丁剛[3]設(shè)計(jì)了機(jī)車變壓器油箱焊接生產(chǎn)線工藝過程，對(duì)生產(chǎn)線中的各部分工藝進(jìn)行了分析，研究了油箱焊接生產(chǎn)線的工位設(shè)計(jì)。

2 油箱的結(jié)構(gòu)分析

（1）油箱的組成零件功能及板材分類 油箱除法蘭外，材質(zhì)為Q235A，厚度一般＜6mm，即以中薄板為主，結(jié)構(gòu)簡潔：2件折彎板+2件平板就構(gòu)成了主體框架，再根據(jù)功能要求設(shè)置外接法蘭即可，如圖2所示。

圖2 注塑機(jī)油箱功能設(shè)置

（2）油箱結(jié)構(gòu)分析 已經(jīng)整體組裝的油箱，在一定的自動(dòng)化設(shè)備下，仍會(huì)有遮蔽現(xiàn)象，造成無法焊接的問題。機(jī)器人用標(biāo)準(zhǔn)焊槍，對(duì)工件內(nèi)部空間尺寸有所要求，為防止機(jī)器人與工件干涉，焊槍與工件之間具有一定的安全距離，如圖3所示。

根據(jù)機(jī)器人的外形，干涉處主要是凸出的法蘭零件間、法蘭與油箱安裝面平板間，這些位置在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮并結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖3 油箱法蘭接頭與平板間距過小

3 油箱的自動(dòng)化焊接工藝分析與試制

3.1 試制試驗(yàn)意義

生產(chǎn)需求是否能由現(xiàn)有設(shè)備滿足，是否需要新的專用設(shè)備，新的專用設(shè)備會(huì)面臨怎樣的工況，自動(dòng)化的生產(chǎn)需求是否可以套用既定焊接工序，如何優(yōu)化既定焊接工序，最終的自動(dòng)化效果如何，這些都需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行佐證。

3.2 試制試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

結(jié)合工藝分析和優(yōu)化結(jié)果，制定出初步的油箱自動(dòng)焊接目標(biāo)。機(jī)器人焊接比例占油箱全焊縫98%以上；因?yàn)椴糠治恢萌杂凶詣?dòng)焊困難或漏油可能的問題，所以人工補(bǔ)焊還是無法避免。

3.3 試制試驗(yàn)焊接工藝分析

選取中間檔的油箱作為試驗(yàn)及分析機(jī)型。借鑒其他自動(dòng)化焊接研究的成果，試制試驗(yàn)需對(duì)焊絲、焊接方式、焊接工藝、焊接順序等方面進(jìn)行選擇。

（1）焊絲的選擇 根據(jù)章正[4]對(duì)焊絲選擇進(jìn)行的分析，丁連征[5]對(duì)藥芯與實(shí)芯焊絲進(jìn)行的焊接分析可知，藥芯焊絲會(huì)干擾電弧跟蹤器，且進(jìn)行角焊時(shí)容易出現(xiàn)氣孔，影響生產(chǎn)效率；不適于自動(dòng)化焊接。因此，試制試驗(yàn)選用實(shí)芯焊絲，采用脫氧劑來防止產(chǎn)生氣孔及減少飛濺。飛濺只能減少，無法消除，故試制試驗(yàn)仍需設(shè)置自動(dòng)清槍剪絲機(jī)構(gòu)。

（2）焊接工藝方式的選擇 油箱的首要技術(shù)要求為密封性，必須采用連續(xù)焊形式完成。連續(xù)焊之前的組立焊點(diǎn)間距保持在250mm。試制試驗(yàn)為使自動(dòng)焊接過程連續(xù)性得到保障，減少更換焊絲的頻次，需設(shè)置大容量焊絲筒。

焊縫的焊腳尺寸均在5mm內(nèi)，從提高焊接效率考慮，所有油箱的焊道均為單道焊接。由于角接試板焊接可以達(dá)到單面焊雙面成形的效果，且在較大電流（180A）時(shí)，反面成形較飽滿、連續(xù)，因此試驗(yàn)將采用較大電流，加快焊接速度，在一定程度上克服油箱不能在內(nèi)部焊接的缺點(diǎn)，具體焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

（3）焊接順序的選擇 順序1：整體一次組裝完成，單面焊雙面成形。

順序2：油箱留一個(gè)面不組裝，先焊接油箱內(nèi)部焊縫，再進(jìn)行二次組裝蓋面，并焊接油箱外側(cè)焊縫。

順序1的優(yōu)勢(shì)在于一次組裝成形，特別適合機(jī)器人自動(dòng)化焊接，相應(yīng)的劣勢(shì)也很明顯，由于油箱作為儲(chǔ)油容器的屬性，密封性是首要條件，單面焊雙面成形能否確保不漏油是該方案成敗的關(guān)鍵。

順序2則剛好相反，雖然通過雙面焊接來確保油箱的密封，但非常不利于大規(guī)模生產(chǎn)，二次組裝生產(chǎn)線布局繁瑣，零件流轉(zhuǎn)周期增加，導(dǎo)致整體生產(chǎn)效率大幅降低。且在第一次焊接油箱內(nèi)部時(shí)，由于單面開口剛度不如整體組裝的油箱，焊后更容易發(fā)生內(nèi)凹變形，因此需要增加額外的支撐架，并在二次組裝時(shí)拆除，這會(huì)進(jìn)一步影響自動(dòng)化焊接效率。

綜上所述，順序1更適合于機(jī)器人自動(dòng)化焊接，而單面焊雙面成形的技術(shù)可以嘗試，因此確定順序1為本油箱最終試驗(yàn)工藝，試驗(yàn)?zāi)康闹皇谴_認(rèn)油箱焊后的密封和變形合格。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）焊接變形 研究表明：構(gòu)件想要同時(shí)獲得較小的焊接變形與焊接應(yīng)力非常困難。在焊接時(shí)，油箱受到工裝固定夾緊，即較大拘束時(shí)，焊后的變形小，但相應(yīng)的殘余應(yīng)力會(huì)加大。相反，在焊接時(shí)，雖然減少裝夾的剛性固定，油箱的焊后殘余應(yīng)力能得以控制，但焊后將出現(xiàn)較大的變形量（見圖4），甚至在焊接過程中就會(huì)出現(xiàn)焊槍的定位偏差，直接影響自動(dòng)焊接的連貫性[6]，此舉將導(dǎo)致自動(dòng)焊接中斷。故在自動(dòng)焊接過程中，還是會(huì)優(yōu)先注重焊接變形。

圖4 焊接試驗(yàn)焊后變形

薄板焊接變形分為整體與局部。整體變形是指焊接作業(yè)完成后整個(gè)結(jié)構(gòu)的比例與尺寸等大參數(shù)發(fā)生的變形，包括橫向變形、縱向變形、彎曲變形和扭曲變形等。局部變形則包括波浪變形和角變形。其中角變形是指在焊后使得兩連接件的相對(duì)角度發(fā)生了變化，這是由于接頭處沿板厚方向溫度不均勻分布造成橫向收縮不一致引起的。

第一次試焊后測試油箱長寬高三個(gè)尺寸變化量及六個(gè)平面的變形情況，結(jié)果總長度寬度與高度尺寸增加0～1mm。平面的變形則是，其中5個(gè)平面的變形均在1～4mm，最大變形出現(xiàn)在帶方孔的上平面，整個(gè)上平面呈向下凹陷狀態(tài)，最大變形處位于平面的中心附近，達(dá)到11mm，這屬于典型的焊接角變形。造成這種現(xiàn)象的主要原因是油箱采用外側(cè)單面焊接，導(dǎo)致厚度上的不均勻收縮。角變形大小的直接影響因素是鋼板的剛度（板厚與缺口）和溫度不均勻分布的程度（焊接速度、熱輸入和熔深等）。相比較其余平面，此上平面由于開了大面積的方形孔，剛性最差，最大變形處既是平面剛度最差的部位，又是方形孔的角變形處，兩者疊加導(dǎo)致。

從焊縫來看，油箱的接頭均屬于角焊縫，T形接頭，焊接熔深已處于較低水平，熔深過淺則容易導(dǎo)致油箱出現(xiàn)漏油，且板厚直接影響材料成本和油箱容量難以變動(dòng)，便需要從提高油箱結(jié)構(gòu)剛度和減少熱輸入及優(yōu)化焊接順序等著手解決此問題。

第二次試焊時(shí)，調(diào)整油箱的焊接順序，先焊接平面四周連貫的邊焊縫，再焊接平面上的方形孔，同時(shí)減少方形孔的焊接電流和機(jī)器人焊槍移動(dòng)速度，并增加方形孔的焊縫點(diǎn)焊位置，焊點(diǎn)間距縮小至200mm以下，且焊前將此法蘭與蓋子采用螺釘初步固定，以提高其剛度，焊后此面變形最大量檢測為4mm。

（2）焊縫外觀質(zhì)量 焊縫為非常均勻美觀的魚鱗紋，如圖5所示。焊縫外表面有雜質(zhì)浮點(diǎn)，能用鐵棒輕易敲下，并且焊縫周圍的飛濺控制的較為理想，在后續(xù)的噴丸工序中可以去除。這是采用船型焊的優(yōu)勢(shì)。歐陽帆[7]研究對(duì)比了船型焊與平角焊的區(qū)別，得出船型焊可以克服平角焊產(chǎn)生的咬邊、焊腳不均勻等缺陷，焊接效率更高。

圖5 焊接試驗(yàn)焊縫質(zhì)量

圖6 焊接試驗(yàn)漏油改進(jìn)前后對(duì)比

（3）焊縫滲漏質(zhì)量 根據(jù)注塑機(jī)油箱的使用壓力，選擇煤油涂刷法來檢測。采用毛刷蘸上煤油后，涂刷于油箱內(nèi)部的焊縫及周圍5mm范圍，特別是油箱的直角焊縫搭接處，等待10～15min，觀察油箱外表面是否有液態(tài)煤油滲漏。

一次試驗(yàn)焊后發(fā)現(xiàn)除了包角處理的兩個(gè)角落未滲油，其余6個(gè)角落都滲油；而焊縫連續(xù)處都正常，如圖6所示。分析原因，應(yīng)該是焊縫與焊縫銜接的接頭處容易出現(xiàn)未焊透的缺陷，從而產(chǎn)生漏油，特別是兩條垂直焊縫或三條垂直焊縫交叉的油箱頂角處滲漏的可能性更大。在人工焊接時(shí)可以焊后肉眼觀察并對(duì)接頭進(jìn)行磨后補(bǔ)焊，但從自動(dòng)焊接角度看，焊接機(jī)器人雖然高效但無法自檢焊接效果。顯然不能使大批量的漏油油箱留到焊后檢查返工，否則自動(dòng)化生產(chǎn)效率將得不到體現(xiàn)。解決辦法是在自動(dòng)焊接時(shí)，焊槍配合油箱變位裝置，使焊縫圓滑過渡，盡量減少焊縫的搭接與焊縫數(shù)量。并且，直角焊縫在編程時(shí)應(yīng)使后道焊縫在熄弧前多向前搭接5～10mm，確保焊縫完整。

（4）焊接效率 焊接第二件時(shí)中間過程較為順利，基本無停頓，共耗時(shí)42min。相比人工焊接，主要是節(jié)省了油箱翻轉(zhuǎn)時(shí)間，以及人工需休息的時(shí)間。

4 結(jié)束語

通過對(duì)注塑機(jī)油箱自動(dòng)焊接工藝分析，并進(jìn)行試制試驗(yàn)研究，最終實(shí)現(xiàn)了注塑機(jī)油箱焊接自動(dòng)化表面質(zhì)量優(yōu)良，焊接變形平面翹曲≤5mm，并且自動(dòng)焊接時(shí)間共耗時(shí)42min，是手工焊接效率的2倍，實(shí)現(xiàn)了減輕焊接工人勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。