工業(yè)機(jī)器人焊接工藝研究

吳福森

（國(guó)家特種機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建泉州 362021）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的縱深化發(fā)展，在焊接領(lǐng)域，機(jī)器人焊接正在逐步取代傳統(tǒng)的手工焊接[1]。但由于機(jī)器人焊接與傳統(tǒng)手工焊接工藝存在較多的差別，機(jī)器人焊接工藝目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，以至于在生產(chǎn)實(shí)踐中，工人需要對(duì)焊接焊件機(jī)器人進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，才能獲得較好的焊接參數(shù)，影響了焊接效率也浪費(fèi)了焊接材料[2]。

本文以MIG氣保焊為例，采用庫(kù)卡KR5ARC機(jī)器人和奧太MAG-350RPL焊機(jī)（氣冷）的組合[3]，使用80%Ar+20%CO2的混合氣體對(duì)Q235板材進(jìn)行焊接。分別針對(duì)不同的板材厚度進(jìn)行組合焊接對(duì)比試驗(yàn)，獲得Q235碳鋼的工業(yè)弧焊機(jī)器人焊接參數(shù)配置。本文介紹的實(shí)驗(yàn)方法可以用于其他焊接模式、焊接對(duì)象的最佳焊接參數(shù)實(shí)驗(yàn)，有利于從事機(jī)器人焊接的相關(guān)人員進(jìn)行參照借鑒，研究機(jī)器人焊接的工藝參數(shù)庫(kù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

圖1 弧焊站示意圖

如圖1所示，本文采用的弧焊站設(shè)備[4]包括1KUKA公司研發(fā)的6軸弧焊機(jī)器人KR5ARC1、山東奧太電氣有限公司研制的弧焊電源MAG-350RPL（氣冷）機(jī)2、TBI清槍機(jī)3、混合氣瓶4、強(qiáng)制排風(fēng)系統(tǒng)5、變位機(jī)6等。其中，MAG-350RPL（氣冷）機(jī)默認(rèn)的電流與送絲速度的關(guān)系如表1所示。

表1 MAG-350RPL機(jī)近控電流與送絲速度關(guān)系

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人MIG焊，使用Q235材質(zhì)板材[5]，如圖2所示，試件進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，試件的零件參數(shù)如表2所示，該試件包含了平焊縫、水平外角焊縫、立向外角焊縫、立向內(nèi)角焊縫等，各焊縫經(jīng)不同厚度板材組合成型。焊絲使用的是金橋焊材不銹鋼藥芯焊絲JQ-308L，直徑為1.2 mm。

圖2 試件尺寸及裝配圖

表2 焊接試件零件尺寸參數(shù)

2 焊縫標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)器人姿態(tài)好，焊接過(guò)程中有利于保護(hù)氣體充分發(fā)揮保護(hù)作用。根據(jù)現(xiàn)有的碳鋼厚度3 mm、6 mm進(jìn)行組對(duì)，如表3所示各個(gè)焊縫類型分別有1到多條相同厚度的焊縫，在這里為了使焊縫焊接變量一致，在焊接相同類型不同位置的焊縫時(shí)，使用轉(zhuǎn)向器將焊縫位置改變，使機(jī)器人焊接方式一致。

表3 焊縫類型對(duì)應(yīng)材料編號(hào)

焊縫成形系數(shù)在GB/T3375-1994中定義為：φ=B/H（焊縫成形系數(shù)φ、焊縫寬度B、焊縫計(jì)算厚度H）[6]。間隙為1 mm的蓋板工藝要求雙面成型所以焊縫成形系數(shù)φ＞1.3，且焊縫反面需要有融化的焊絲成型。

焊縫為3 mm和3 mm的水平外角焊縫、焊縫為3 mm和6 mm的水平外角焊縫、焊縫為3 mm和6 mm的立向外角焊縫、焊縫為6 mm和6 mm的立向外角焊縫等要求焊接邊緣的焊縫飽滿，又因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中焊點(diǎn)溫度會(huì)融化焊件[7]，所以通常情況下允許融化0.5～1.0 mm，也就是說(shuō)焊縫寬度B=幾何拼接斜邊+0～1.0，所以以焊縫為3 mm和3 mm的水平外角焊縫為例，在不焊穿焊件的情況下如圖3所示，其允許焊縫寬度范圍為4.24 mm≤B＜5.7 mm。

圖3 3×3水平外角焊縫融寬范圍示意圖

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在KR5ARC機(jī)器人和MAG350RPL（氣冷）機(jī)配置完畢之后，使用焊接機(jī)器人前先對(duì)實(shí)驗(yàn)材料焊件按圖1進(jìn)行裝配，固定在變位機(jī)上。

確認(rèn)KR5ARC機(jī)器人周圍無(wú)障礙物后打開(kāi)強(qiáng)制排風(fēng)系統(tǒng)[8]、MAG350RPL（氣冷）機(jī)、TBI清槍機(jī)，旋開(kāi)混合氣，最后開(kāi)啟KR5ARC機(jī)器人的控制柜電源，待啟動(dòng)完畢后按下外部啟動(dòng)鍵。使用XYZ 4點(diǎn)法建立TCP點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器人使得TOOL坐標(biāo)系的X、Y、Z軸分別與WORLD坐標(biāo)系的Z、Y、X平行，建立工具坐標(biāo)系。手持示教器，點(diǎn)擊文件夾Program，再任意選1個(gè)程序點(diǎn)擊，最后點(diǎn)新就新建1個(gè)程序。選中新建程序點(diǎn)擊選定進(jìn)入程序示教編程。SLIN（機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)指令）、SPTP（機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)指令）、ARCON（機(jī)器人對(duì)焊機(jī)起弧指令）、ARCSWI（機(jī)器人對(duì)弧延續(xù)指令）、ARCOFF（機(jī)器人對(duì)焊機(jī)熄弧指令）。圖3所示焊接參數(shù)設(shè)置按照焊縫路徑通過(guò)各指令進(jìn)行編程。

編程完畢后，進(jìn)入程序修改界面后再進(jìn)入數(shù)據(jù)更改界面修改各項(xiàng)參數(shù)。

4 焊接工藝參數(shù)分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，焊接模式、焊機(jī)電流、焊接速度、機(jī)器人擺動(dòng)、保護(hù)氣均會(huì)對(duì)焊接工藝產(chǎn)生影響，以下各舉1個(gè)例子進(jìn)行焊接工藝分析。

4.1 焊接模式

設(shè)置焊機(jī)電流為165 A、送絲速度為4.1 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機(jī)器人速度30 cm/min、擺動(dòng)方式為不擺動(dòng)，選用材料為焊縫6 mm和6 mm的立向外角焊縫（2號(hào)板材和10號(hào)板材、5號(hào)板材和6號(hào)板材、6號(hào)板材和8號(hào)板材），如圖4所示。

圖4 焊接模式對(duì)6 mm和6 mm立向外角焊縫的影響

立向內(nèi)角焊接焊槍與水平面呈-15°夾角，與垂直方向呈105°夾角焊絲伸長(zhǎng)1 cm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相反（機(jī)器人焊接方向由上到下）。相比于正常焊接（弧長(zhǎng)修正值為0），弧長(zhǎng)修正值為正值焊縫的熔深加深，弧長(zhǎng)修正值為負(fù)值焊縫的熔深變淺[9]。

焊縫為6 mm和6 mm的立向外角焊縫等要求焊接邊緣的焊縫飽滿，在不使焊件穿的情況下其允許焊縫寬度范圍為8.49 mm≤B＜9.9 mm。從圖5中可以看到編號(hào)26和編號(hào)33的熔寬符合要求。而編號(hào)30，因?yàn)槊}沖模式會(huì)使焊件融化的更多，所以不適合立向外角焊縫。焊縫為6 mm和6 mm的立向外角焊縫，低飛濺模式跟恒壓模式[10]的熔寬相差不大，3種模式下熔深差別不大。

圖5 焊接模式對(duì)6 mm和6 mm立向外角焊縫焊接數(shù)據(jù)

4.2 焊機(jī)電流

設(shè)置送絲速度為5.4 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機(jī)器人速度120 cm/min、焊接模式為脈沖不擺動(dòng)，選用材料為3 mm和3 mm拼接成的間隙為1 mm的蓋板（11號(hào)板材和12號(hào)板材）。水平焊接焊槍與水平面呈75°～85°夾角，焊絲伸長(zhǎng)1 cm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向一致。間隙為1 mm的蓋板工藝要求雙面成型所以焊縫成形系數(shù)φ＞1.3，且焊縫反面需要有融化的焊絲成型。圖6為在不同焊接電流下對(duì)3 mm和3 mm間隙1 mm水平焊縫焊接影響。

圖6 在不同焊接電流下對(duì)3 mm和3 mm間隙1 mm水平焊縫焊接影響

從圖7可以看出焊縫成形系數(shù)φ＞1.3，只有編號(hào)54符合要求，此時(shí)電壓為22.7 V、熔寬7.51 mm、余高2.23 mm、熔深5.5 mm，而且在電流為165 A時(shí)熔寬、余高、熔深均在相對(duì)峰值點(diǎn)。

圖7 焊接電流下對(duì)3 mm和3 mm間隙1 mm水平焊縫焊接數(shù)據(jù)

4.3 焊接速度

設(shè)置焊機(jī)電流為105 A、送絲速度為3.3 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、焊接模式為低飛濺模式且不擺動(dòng)，選用材料為3 mm和3 mm拼接成的水平外角焊縫（3號(hào)板材和12號(hào)板材、4號(hào)板材和12號(hào)板材）。如圖8所示，采用外角水平焊接焊槍與水平面呈45°～75°夾角，與垂直方向呈45°夾角焊絲伸長(zhǎng)10 mm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向一致。經(jīng)測(cè)量，3mm和3 mm的水平外角焊縫在不使焊件穿的情況下其允許焊縫寬度范圍為4.24 mm≤B＜5.7 mm。

圖8 機(jī)器人運(yùn)行速度對(duì)3 mm和3 mm水平外角焊縫焊接的影響

如圖9所示，隨著機(jī)器人運(yùn)行速度的增加熔寬、熔深值均略微降低。想要獲得符合要求的參數(shù)配比此時(shí)需要降低電流值，或者提高機(jī)器人運(yùn)行的速度。

圖9 機(jī)器人運(yùn)行速度對(duì)3 mm和3 mm水平外角焊縫焊接數(shù)據(jù)

4.4 擺動(dòng)方式

設(shè)置焊機(jī)電流為120 A、送絲速度為2.8 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機(jī)器人速度為36 cm/min、焊接模式為低飛濺模式，選用材料為焊縫3 mm和6 mm的立向外角焊縫（2號(hào)板材和3號(hào)板材、4號(hào)板材和5號(hào)板材）。如圖10所示，采用立向外角焊接焊槍與水平面呈-15°夾角，與垂直方向呈105°夾角焊絲伸長(zhǎng)1 cm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相反（機(jī)器人焊接方向由上到下）。焊縫為3 mm和6 mm的立向外角焊縫在不使焊件穿的情況下其允許焊縫寬度范圍為6.71 mm≤B＜8.1 mm。

圖10 擺動(dòng)方式對(duì)3 mm和6 mm立向外角焊縫的影響

如圖11所示，低飛濺模式下焊縫3 mm和6 mm的立向外角焊縫，不擺動(dòng)使得焊縫的熔深加深，熔寬減小而三角擺動(dòng)和梯形擺動(dòng)方式的熔深較淺[11]。梯形擺動(dòng)焊出來(lái)的焊縫接近于人工魚(yú)鱗焊的效果但是擺動(dòng)幅度過(guò)大使得焊寬超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)范圍，三角擺動(dòng)方式符合在焊機(jī)電流為120 A、送絲速度為2.8 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機(jī)器人速度為36 cm/min、焊接模式為低飛濺模式下的熔寬要求（6.71 mm≤B＜8.1 mm），均值7.16 mm。螺旋擺動(dòng)符合熔寬要求焊縫成型較完好。

圖11 擺動(dòng)方式對(duì)3 mm和6 mm立向外角焊縫數(shù)據(jù)

4.5 保護(hù)氣

設(shè)置焊機(jī)電流為135 A、送絲速度為3.3 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機(jī)器人速度35 cm/min、焊接模式為低飛濺模式且不擺動(dòng)，選用材料為焊縫為3 mm和6 mm的水平外角焊縫（2號(hào)板材和11號(hào)板材、6號(hào)板材和11號(hào)板材、2號(hào)板材和12號(hào)板材、5號(hào)板材和12號(hào)板材、6號(hào)板材和12號(hào)板材），如圖12所示。

圖12 保護(hù)氣體方向?qū)? mm和6 mm水平外角焊縫的影響

如圖13所示，焊縫為3 mm和6 mm的水平外角焊縫的MAG焊（熔化極活性氣體保護(hù)焊）保護(hù)氣體的作用是隔絕空氣中的水蒸氣，同時(shí)有支持或吹動(dòng)熔融焊絲。沒(méi)有保護(hù)氣體的短時(shí)焊接容易造成焊縫氣泡過(guò)多且表面不平滑，反向吹起則容易堆積，垂直吹起會(huì)造成咬邊不均勻。

圖13 保護(hù)氣體方向?qū)? mm和6 mm水平外角焊縫數(shù)據(jù)

4.6 工藝參數(shù)匯總

3 mm和3 mm拼接成的水平外角焊縫，送絲速度為3.3 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機(jī)器人速度40 cm/min焊接模式為低飛濺模式且不擺動(dòng)的情況下，提高電流值熔寬增寬，熔高升高；焊縫為3 mm和3 mm的水平外角焊縫（3號(hào)板材和12號(hào)板材、4號(hào)板材和12號(hào)板材），焊接時(shí)焊槍與水平面呈45°～75°角，與垂直方向呈45°角，方向與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向一致。最適焊接參數(shù)配置如圖14所示。

圖14 最適焊接參數(shù)配置表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究結(jié)果說(shuō)明了機(jī)器人焊接過(guò)程中，焊接工藝參數(shù)的正確選擇對(duì)焊接質(zhì)量起著關(guān)鍵性的影響。從本文的試驗(yàn)總結(jié)出探索機(jī)器人焊接工藝參數(shù)的試驗(yàn)方法，得出機(jī)器人焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化是存在一定的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，通過(guò)本文的研究也解決了目前機(jī)器人焊接工藝與傳統(tǒng)焊接工藝在理解上的沖突問(wèn)題，創(chuàng)新性地把傳統(tǒng)焊接工藝與機(jī)器人焊接工藝進(jìn)行融合分析，為機(jī)器人焊接的應(yīng)用推廣奠定了良好的理論基礎(chǔ)。