楊立擁 吳耘森 葛濤 劉超,2

（1海安上海交通大學(xué)智能裝備研究院，江蘇南通，226600；2 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海交通大學(xué)，上海，200240）

0 引言

焊接工藝多種多樣，博大精深，跟焊接方法、焊接的材質(zhì)、焊接環(huán)境以及應(yīng)用的等級(jí)等諸多因素密切相關(guān)。在進(jìn)行焊接工作之前，設(shè)計(jì)人員首先要根據(jù)具體情況選擇確定焊接方法；焊接方法確定后，要進(jìn)一步調(diào)試焊接參數(shù)；最終進(jìn)行焊縫結(jié)果對(duì)比，并對(duì)焊樣進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，確定焊接工藝。當(dāng)然，嚴(yán)格意義上影響焊接工藝的因素有很多，并不只是工藝參數(shù)，其他如熱變形需考慮焊接順序、需要做硬支撐、甚至需要做預(yù)熱或冷處理等。

對(duì)于專業(yè)的焊接工人，個(gè)人的焊接技術(shù)是需要經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐和長(zhǎng)期的積累，其焊接技藝才會(huì)越來越好。但是人的精力總是有限的，再加上焊接工作是特殊工種，對(duì)工人身體素質(zhì)的要求相對(duì)較高，因此工廠很難招到足夠多的、經(jīng)驗(yàn)豐富的電焊工人來滿足生產(chǎn)的需求。對(duì)此，筆者思考著把好的焊接工藝寫進(jìn)程序，讓機(jī)器人替代人工，實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定地、不停機(jī)地工作。

1 焊接系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要由西門子PLC、ABB IRB2600機(jī)器人、林肯 R500數(shù)字化焊機(jī)、周邊附件及相關(guān)軟件包等構(gòu)成。附件主要包括DSQC52 IO板、電壓電流檢測(cè)傳感器、ABB WELDGUIDE IV板、TBI焊槍、送絲機(jī)、信號(hào)線、動(dòng)力線、SMB線、氣管等。軟件包括LINCOLN R500驅(qū)動(dòng)、SMARTAC軟件包、WELDGUIDE IV軟件包。系統(tǒng)組成如圖1所示。。

焊接機(jī)器人的本體部分是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該類型的焊接機(jī)器人是六自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型機(jī)器人。本體由腰座、肩部、大臂、肘、小臂、腕部組成，在機(jī)器人末端加裝有焊槍，在肘部上方加裝有送絲機(jī)。

圖1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成

1.2 功能簡(jiǎn)介

PLC的作用是控制工位夾具氣缸等一系列邏輯動(dòng)作，使工件能夠固定到標(biāo)準(zhǔn)位置，配合處理生產(chǎn)過程中機(jī)器人的移位、打開氣缸、翻轉(zhuǎn)變位機(jī)等請(qǐng)求。機(jī)器人中保存了各個(gè)工件型號(hào)的示教程序，通過PLC觸摸屏給定的生產(chǎn)型號(hào)，調(diào)用指定的程序進(jìn)行工作。示教程序中保存有各種焊縫的焊接工藝參數(shù)。焊機(jī)通過機(jī)器人調(diào)用示教程序中給定的焊接參數(shù)，進(jìn)行焊接工作。

機(jī)器人控制柜相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，控制著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與工作。此外控制柜還具有教學(xué)功能、通信功能、存儲(chǔ)功能、定位功能化及良好的人機(jī)交互功能、傳感器的數(shù)據(jù)傳輸功能、異常的分析與處理功能等。

機(jī)器人應(yīng)用中有多種坐標(biāo)系，常用的屬工件坐標(biāo)系了。工件坐標(biāo)系是人為設(shè)定的編程坐標(biāo)系，用起來非常的方便，因?yàn)楫?dāng)工件類似而工位不同時(shí)，整個(gè)程序可以移植過來使用，只要改變整體的工件坐標(biāo)系就可以，節(jié)省了很多用在示教位置訓(xùn)練的時(shí)間。在設(shè)立工件坐標(biāo)系時(shí)需要注意的是Z軸的方向，其遵循三維坐標(biāo)系右手定則，右手四指先指向X軸劃線方向，然后四指向Y軸劃線方向彎曲，大拇指方向就是Z軸方向。Z軸方向判斷如圖2所示。

圖2 Z軸方向判斷

2 系統(tǒng)焊接工藝介紹

2.1 焊接工藝

筆者在工廠電焊老師傅們的幫助下，結(jié)合國(guó)家焊接標(biāo)準(zhǔn)，把機(jī)器人焊接中厚鋼板的工藝簡(jiǎn)單應(yīng)用，并不斷完善。對(duì)此，筆者采用的是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接（二保焊），它的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高、抗裂性能好、焊接變形小、性價(jià)比高，缺點(diǎn)是飛濺有點(diǎn)大。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于焊接工藝的不同，下料設(shè)備精度偶有偏差，焊接過程中發(fā)熱變形等因素，都會(huì)影響焊縫質(zhì)量。在沒有視覺系統(tǒng)的前提下，筆者普遍通過固定夾具，提高下料精度，巧妙地運(yùn)用接觸尋位和焊縫跟蹤來保證焊接條件。

在尋位模式下，系統(tǒng)將導(dǎo)電嘴或焊絲按指定路徑接觸工件，一旦接觸到就反饋電平信號(hào)，并計(jì)算出當(dāng)前位置與原始位置的偏差。其工作條件為工件表面沒有氧化層和絕緣層，如果是焊絲接觸需要伸出的長(zhǎng)度一致（為了確保伸出焊絲長(zhǎng)度一致，工作前先進(jìn)行剪絲），如果是水冷焊槍需使用蒸餾水。

電弧跟蹤是在擺動(dòng)焊接過程中實(shí)時(shí)對(duì)焊接電壓電流采樣分析，得出水平及垂直方向的路徑偏差和趨勢(shì)，及時(shí)糾偏方向，以確保填充路徑始終在焊縫中心。

2.2 角焊縫及參數(shù)

按照夾具上焊縫的形式區(qū)分，有平焊縫和角焊縫。中厚板的平焊縫大部分是開坡口的，且板越厚坡口就越大。角焊縫根據(jù)空間位置不同，焊接形式又可分為平角焊、立角焊、船焊、仰焊和斜坡角焊等等。

工藝參數(shù)包括焊接的起弧電壓電流，預(yù)送氣時(shí)間，焊接電壓電流，送絲速度及焊絲直徑，焊接速度，擺焊形式，收弧電壓電流，防粘絲回?zé)妷弘娏骷皶r(shí)間，弧坑填充時(shí)間，收尾送氣時(shí)間，電弧長(zhǎng)度及電感大小等等。這些參數(shù)與焊接件的材質(zhì)，厚薄以及焊縫的空間擺放方式有關(guān)。

表1所示為工藝參數(shù)參照表，此參數(shù)僅為MAG焊二元化試行參數(shù)。

表1 25mm厚碳鋼板1.2mm焊絲工藝參數(shù)參照表

從表1可見，坡口焊與船焊極為相似，在機(jī)器人焊接工作中，用此工藝相對(duì)比較容易測(cè)試。

平角焊對(duì)焊接位置要求相對(duì)精確一些，誤差在1mm左右，距離偏差大會(huì)偏焊或者咬邊。電壓電流需要測(cè)試匹配，參數(shù)設(shè)置大容易往下淌焊液，參數(shù)小則容易虛焊。

立角焊從下往上焊，這是因?yàn)槠湫枰隙?；如果從上往下，由于熱量高，上面的熔池凝固不了?huì)直往下淌液。

斜坡角焊可以從上往下焊，也可以從下往上焊。這需要注意兩個(gè)方面，第一看斜坡的角度，第二看測(cè)試的參數(shù)。筆者在測(cè)試及生產(chǎn)過程中總結(jié)出：一般傾斜角度在45°以下，由上往下焊效果比較好。

仰焊技術(shù)難度比較大，生產(chǎn)過程中飛濺大，容易往下淌液。此技術(shù)要求電流相對(duì)小一些，要注意及時(shí)冷卻。

2.3 送絲速度與電流大小

在試驗(yàn)中，筆者統(tǒng)計(jì)林肯RD500焊機(jī)1.2mm焊絲一元化參數(shù)，表2是送絲速度與電流大小的對(duì)照。

表2 1.2mm焊絲送絲速度與電流大小的對(duì)照表

由表2數(shù)據(jù)可得到圖3所示的折線圖。

圖3 送絲速度與電流大小對(duì)照

從圖3的趨勢(shì)線上可以看出：一元化參數(shù)下，電流大小與送絲速度關(guān)系趨向于直線：

y=2x。

這可大致認(rèn)為：在數(shù)值上，電流是送絲速度的2倍。

2.4 舉例介紹

假設(shè)25mm的厚板V型坡口焊，鈍邊為10mm，坡口角度為90°，坡口長(zhǎng)度100mm，采用1.2mm直徑焊絲，那么坡口的底面積為直角等腰三角形。此時(shí)，需要填充的體積為：

V1=S1*H=16500mm3。

理論上，需要填充的焊絲長(zhǎng)度為：

L=V1/S2=14597mm。

事實(shí)上，焊絲長(zhǎng)度還需要加上一個(gè)損耗率，實(shí)際長(zhǎng)度會(huì)比理論值要長(zhǎng)一些。

3 焊縫質(zhì)量對(duì)比

中厚板的焊縫一般有熔深、焊縫角度、有效高度及余高和外觀等指標(biāo)。熔深一般需要探傷儀檢測(cè)或切開斜面察看，焊縫角度、有效高度及余高一般用焊縫尺測(cè)量。中厚板焊接由于需要達(dá)到以上指標(biāo)，很少有一遍就能夠焊接到位的情況，一般需要先用較高的電流電壓在接縫處快速地“打底”，以確保有足夠的熔深，然后用正常的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。

大坡口要求填平、角焊有效高度及余高要求達(dá)到最大板厚的80%，這些情況都需要考慮時(shí)間成本與焊接效果之間的平衡，選擇合適的焊接方式。

筆者認(rèn)為可以采用多層多道焊接方式，這種方式焊接時(shí)間稍短，但需要花時(shí)間試驗(yàn)匹配的電流電壓；或者進(jìn)行擺焊，時(shí)間稍長(zhǎng)但成樣外形美觀。

4 結(jié)束語

焊接機(jī)器人在當(dāng)今的焊接自動(dòng)化中越來越被廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)楹附訖C(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)，如優(yōu)化焊接效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)各種作業(yè)環(huán)境等，所以受到很多企業(yè)的青睞。同時(shí)，機(jī)器人焊接也對(duì)我國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化、智能化發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。