關節(jié)機器人焊接鋼結構組件實踐

焦玉瀟，劉景新，馮 超，朱寶才

（萊蕪鋼鐵集團有限公司濟南萊鋼鋼結構有限公司，山東 濟南250017）

關節(jié)機器人焊接鋼結構組件實踐

焦玉瀟，劉景新，馮 超，朱寶才

（萊蕪鋼鐵集團有限公司濟南萊鋼鋼結構有限公司，山東 濟南250017）

關節(jié)焊接機器人較少應用于鋼結構的加工中，其主要原因是完全相同的、且適用于關節(jié)機器人焊接的構件在鋼結構項目中較為少見。通過使用關節(jié)機器人批量焊接成品件的實踐，發(fā)現(xiàn)并解決了使用機器人焊接時所遇到的問題，不僅提升了焊縫的質量，降低了操作人員的勞動強度，工作效率也提升了3～4倍。

關節(jié)機器人；焊接成品件；工作效率

1 前言

相比于人工，機器人更加高效、可持續(xù)穩(wěn)定工作，并能適應惡劣的環(huán)境。工業(yè)機器人目前廣泛應用于汽車及工程機械行業(yè)的噴漆、碼垛、焊接等工序，并逐漸替代人工成為有效的勞動力。但是機器人不具備人類的思維、判斷力，前期投入相對較大，對焊縫的準備工作要求較高?，F(xiàn)代鋼結構追求質量的同時在造型上千變萬化，相同構件批量小是推廣焊接機器人面臨的難題之一。

2 關節(jié)機器人焊接鋼結構組件實踐

本文介紹的某國產(chǎn)關節(jié)式焊接機器人共有6個自由軸，每個軸皆能360°旋轉（目前有些關節(jié)機器人能夠實現(xiàn)末軸無限制旋轉），理論最大工作半徑為1.4 m。外配專用數(shù)字化焊機，機器人具備示教、再現(xiàn)功能。公司某鋼結構項目中有一類焊接成品件，數(shù)量達13 000余組，組件結構形式如圖1所示。

圖1 焊接組件結構形式

此組件由HP及FP兩個零件組成。其中FP厚度為16 mm，為日標材料SM490A；HP厚度為16 mm、22 mm及35 mm不等，材料為國標材料Q235B；焊接材料使用京雷焊絲GFL-71，國標對應牌號E501 T-1，焊腳高全部為≥4 mm，四周圍焊。

2.1 焊接方案初步設想

此構件數(shù)量多，后期修磨量大，人工焊接需要4個焊接接頭，若能減少3個接頭，修磨量將能減少一半以上，這就需要機器人在焊接到直角點時需要以一定的速度快速變化姿態(tài)并保持焊槍的穩(wěn)定。

使用小型數(shù)控火焰切割下料，此類小型零件少部分實測下料邊長最大偏差為±2 mm（影響自動焊接操作）。若利用工裝進行組裝，以FP的兩條直角邊DA、AB為基準，保證HP相鄰兩條邊到DA、AB的尺寸，誤差將被累積到BC、CD兩條邊，如圖1所示。

開發(fā)機器人“預約”功能，即添加兩個按鈕，重復焊接時只需按下按鈕，就可執(zhí)行焊接軌跡程序，減少示教器的LED屏使用頻率，延長其壽命；設置零點為第二個按鈕，已消除機器人運作時的累積誤差。

2.2 出現(xiàn)問題及解決方法

根據(jù)以上思路，開始進行自動化焊接試驗。在實踐過程中，更多的問題細節(jié)顯現(xiàn)出來。

1）自動圍焊只設定1個焊接接頭，機器人末軸焊槍只能360°旋轉，這就增加了編程的困難，在編程中經(jīng)常出現(xiàn)限位抱死的狀況。經(jīng)過反復試驗，確定最終焊接順序：在D點起弧，在A、B、C三處拐角繞焊，最后回到D點覆蓋起弧點，熄弧。焊接順序如圖2所示。

2）由于下料存在偏差，多數(shù)為±1 mm，通過上述方法將偏差累積到兩條直角邊，底板與墊板的累積偏差達到±2 mm，小電流小電壓的焊接方法熔寬過小，不能將熔池吹到被焊接件上，造成焊偏。將電流、電壓增大，焊腳高又會增加造成焊接材料的浪費，起弧時也會因電壓不穩(wěn)影響焊縫成型。在焊接時電流電壓不可動態(tài)即時更改，但焊接速度可調，當在偏差累積的兩條邊放慢焊接速度時，熔池變寬，焊偏現(xiàn)象得到解決，焊接速度如圖2所示。

圖2 焊接件每條邊的焊接速度及焊接順序

3）在拐角繞焊中，若要使焊縫均勻，成型良好，必須使機器人變位迅速，但還要維持焊槍焊接的穩(wěn)定性。經(jīng)過反復試驗，確定如下繞焊方式：拐角繞焊時，在極短的時間內使機器人連續(xù)變換3種姿態(tài)，而焊絲點基本保持不動，就可以實現(xiàn)平滑的過渡。拐角繞焊時焊槍姿態(tài)軌跡如圖3所示。

圖3 拐角繞焊時焊槍姿態(tài)軌跡

4）圖紙要求控制焊腳高度≥4 mm，這就需要把電流、電壓減小，或者加快焊接速度。當把焊接參數(shù)設置為電流220 A，電壓24 V，焊接速度10 mm/s，出現(xiàn)明顯咬邊現(xiàn)象。即使電流、電壓再減小，咬邊現(xiàn)象還是明顯。由于焊接速度過快，熔池來不及填充便已冷卻，造成咬邊。降低焊接速度，當速度控制在7～9 mm/s時，咬邊現(xiàn)象得到明顯改善。

5）焊縫成形差。焊縫出現(xiàn)“起脊”現(xiàn)象，即焊喉細且高高鼓起，并且渣殼難以去除，焊縫熔合差，分析原因是火焰切割的割渣沒有去除干凈。金屬在氣割后會在表面形成一層氧化皮，清除不凈直接焊接時，會在焊縫中產(chǎn)生夾渣，造成焊縫成形極差。徹底去除割渣后，外觀成形得到很大提高。

6）撞槍。機器人在生產(chǎn)前，必須進行各方面的調試來選擇最合適的姿態(tài)和行走軌跡。如果要進行單一的重復動作，就要避免機器人與構件發(fā)生碰撞，雖然機器人具有碰撞感應系統(tǒng)，即每次撞槍都會自動熄弧急停，但是每次撞槍都會使機器人的原點發(fā)生輕微改變，運動軌跡也會發(fā)生相應漂移，需要重新校正原點。機器人撞槍不僅與構件發(fā)生碰撞，也會被體積較大的飛濺擋住激發(fā)碰撞感應自動熄弧。為了解決這個問題，在保證焊接質量條件下，適當增大焊絲的干伸長，微調焊槍角度及焊接角度，即減小焊槍與水平面夾角（這樣焊接的焊縫更為平滑），同時增大焊槍與焊縫長度方向的角度（從45°增大到75°）。撞槍的情況得以解決。

7）零點漂移。機器人每一次執(zhí)行程序后都會產(chǎn)生微小的誤差，雖然單次誤差可以忽略不計，但是多次累積后依然會不利于焊接。加入兩個“預約”按鈕，一個按鈕負責指揮施焊，一個按鈕為自動回零來消除累積誤差并自動尋找防堵膏，這樣就解決了零點漂移的校準問題，同時方便了人工的操作。

3 關節(jié)機器人自動焊效果及擴展應用

在連續(xù)工作狀態(tài)下，2 h的不間斷焊接可焊接成品件100件，即8 h工作制可焊接400件。如果加入換焊絲、氣瓶等必要的時間，每天可以完成至少300件的焊接量。對比手工焊，人工8 h可焊接80～100件，因連續(xù)工作，焊接人員容易疲憊，難以保證效率和質量。在修磨方面，機器人焊接件焊縫較為平滑，只需要修磨1個接頭及飛濺，而手工焊需要修磨4個接頭及飛濺，且焊縫表面需要磨平工作效率提高了 3～4倍。

通過本工程積累了一些關節(jié)機器人的應用經(jīng)驗，當將等離子切割的動作加入到機器人的程序中，可通過示教器編程控制等離子點火切割。下一步的目標是使用機器人配合翻轉工裝焊接更多形式的結構組件，如鋼牛腿等。

4 結 語

鋼結構焊接的自動化是未來發(fā)展的一個趨勢。當前人工成本的提高帶來的制造業(yè)成本增加越來越明顯。自動化水平的提高，意味著改善操作人員勞動強度的同時也提高了加工制造水平。但是當前焊接自動化升級前期的成本比較昂貴，對大多數(shù)鋼結構公司來說還是一個不小的門檻。針對不同的鋼結構項目特點，以較小的投入，開發(fā)適用的焊接專機，逐步向焊接自動化過渡，也是一個選項。關節(jié)機器人的焊接實踐為公司的焊接自動化探索提供了一定的經(jīng)驗積累。

TG43

B

1004-4620（2017）05-0077-02

2017-07-20

焦玉瀟，男，1991年生，2015年畢業(yè)于哈爾濱理工大學材料成型及控制工程專業(yè)?，F(xiàn)為濟南萊鋼鋼結構有限公司技術工藝部助理工程師，從事鋼結構加工技術工作。