基于弧焊機(jī)器人的高強(qiáng)鋼多層焊接工藝研究*

烏日根 王玉榮 董昱峰

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.國(guó)網(wǎng)新能源云技術(shù)有限公司，北京100000)

焊接作為工業(yè)“裁縫”，已成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)必不可少的關(guān)鍵加工技術(shù)，約有70%的鋼為焊接結(jié)構(gòu)。在焊接技術(shù)由傳統(tǒng)的手工焊、半自動(dòng)焊向自動(dòng)焊、智能焊方向發(fā)展過程中，機(jī)器人焊接成為提高焊接生產(chǎn)率、改善焊工勞動(dòng)條件、提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、航空、車輛等行業(yè)。[1-2]

弧焊機(jī)器人作為典型焊接機(jī)器人，常用于中厚板高強(qiáng)鋼的焊接。[3-4]但是高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度硬度較高，韌性塑性較低，淬硬傾向明顯，厚板結(jié)構(gòu)剛度大，焊接殘余應(yīng)力高，容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷，加之常用焊接機(jī)器人多數(shù)沒有厚板多層焊自動(dòng)編程功能，給中厚板高強(qiáng)鋼的焊接帶來一定困難，需要合理規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)器人多層焊接工藝等才能得到中厚板高強(qiáng)鋼的較高焊接質(zhì)量。[5]

本研究在正交試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，通過弧焊機(jī)器人示教編程功能優(yōu)化多層焊接工藝，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)行軌跡，調(diào)整焊接電流、電壓及焊接速度等主要焊接參數(shù)，以期提升高強(qiáng)鋼的焊縫內(nèi)部質(zhì)量和外觀成形質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

弧焊機(jī)器人為松下TA-1400型焊接機(jī)器人，焊絲選用H08Mn2SiA，保護(hù)氣體為80%CO2+20%Ar，Q345高強(qiáng)鋼試板尺寸為250mm×100mm×10mm，屬于中厚板焊接結(jié)構(gòu)。

1.2 試驗(yàn)方法

試板坡口加工為50°V形，鈍邊為1mm，裝配間隙為2mm。根據(jù)母材板厚、性能等因素采取三層單道焊加擺動(dòng)機(jī)器人焊接工藝。按照正交試驗(yàn)L9(34)設(shè)計(jì)，共焊接9組試件，并觀察焊縫表面成形質(zhì)量。

采用射線檢測(cè)設(shè)備HS-XY-320,對(duì)焊縫進(jìn)行X射線照相檢測(cè)。檢測(cè)工藝為透照厚度10mm、單筆透照、焦距700mm、能量150kv、管電流5mA、曝光時(shí)間2min、像質(zhì)劑位置源側(cè)等。

2 機(jī)器人示教再現(xiàn)

2.1 軌跡規(guī)劃

根據(jù)焊接機(jī)器人及試件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人完成焊接所需的運(yùn)行軌跡，即確定機(jī)器人示教軌跡，合理設(shè)置示教點(diǎn)數(shù)量和位置等。

焊接各層的示教軌跡為P1→P2→P3→P4→P5→P6→P7→P8。共設(shè)置8個(gè)示教點(diǎn)，其中除P3為焊接點(diǎn)外，其余均為空走點(diǎn)。P1→P2→P3區(qū)間和P6→P7→P8區(qū)間為機(jī)器人空走區(qū)間，P3→P6為焊接區(qū)間，P4和P5為焊槍擺動(dòng)的左右振幅點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人示教軌跡規(guī)劃

2.2 示教編程

通過示教器移動(dòng)機(jī)器人完成如圖1所示機(jī)器人示教軌跡的示教操作。具體示教編程步驟如下：

示教初始位置P1點(diǎn)后將機(jī)器人移到焊接臨近點(diǎn)P2進(jìn)行示教，經(jīng)觀察焊槍姿態(tài)、移動(dòng)安全等后再將機(jī)器人移到焊接開始點(diǎn)P3示教。

機(jī)器人焊槍到達(dá)P3后進(jìn)入焊接區(qū)間，因需擺動(dòng)焊接，示教第一振幅點(diǎn)P4和第二振幅點(diǎn)P5，再將機(jī)器人焊槍移到焊接結(jié)束點(diǎn)P6進(jìn)行示教，即按照P3→P4→P5順序移動(dòng)機(jī)器人并完成各點(diǎn)的示教操作。

將機(jī)器人焊槍從P6點(diǎn)移到焊槍規(guī)避點(diǎn)P7，經(jīng)確認(rèn)安全后可將機(jī)器人焊槍移到終點(diǎn)P8示教，也可以通過示教器的復(fù)制粘貼功能將P1復(fù)制粘貼到P8，使P8與P1完全重合。

完成上述示教操作后示教器上將形成示教程序，包括焊接參數(shù)設(shè)置語句等。示教程序共17行程序語句，其程序語句具體內(nèi)容和注釋如表1所示。

表1 示教程序

2.3 再現(xiàn)操作

示教程序生成后還需要對(duì)其進(jìn)行再現(xiàn)操作，即再現(xiàn)機(jī)器人在示教過程所記憶的運(yùn)行動(dòng)作，從而觀察機(jī)器人是否按照示教軌跡和設(shè)置參數(shù)運(yùn)行，包括示教點(diǎn)位置、插補(bǔ)方式、示教速度、焊接速度、擺幅等。如提示錯(cuò)誤或發(fā)現(xiàn)示教偏離預(yù)期，則需要立即修改程序。示教程序經(jīng)過再現(xiàn)驗(yàn)證和修改優(yōu)化后進(jìn)行焊接操作。

3 機(jī)器人焊接工藝

3.1 焊接參數(shù)設(shè)置

機(jī)器人焊接參數(shù)按照打底層、填充層及蓋面層設(shè)置，如表2所示。填充層焊接工藝參數(shù)按照正交試驗(yàn)L9(34)設(shè)計(jì)，以考察其對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量的影響規(guī)律。

表2 焊接工藝參數(shù)

3.2 機(jī)器人焊接操作

機(jī)器人焊接操作步驟如下：

3.2.1 檢查示教程序

通過自動(dòng)再現(xiàn)方式再次檢查示教程序的準(zhǔn)確與否。

3.2.2 檢查焊絲和保護(hù)氣體

如圖2所示，通過示教器的向前送絲和向后退絲動(dòng)作功能鍵檢查送絲正常與否，同時(shí)調(diào)整焊絲伸出長(zhǎng)度符合焊接要求。

圖2 電弧鎖定開關(guān)及送絲檢氣功能鍵

通過示教器上的氣閥開關(guān)檢查送氣是否正常。

3.2.3 焊接操作

打開示教器上的電弧鎖定開關(guān)(見圖2)，將示教器上的模式開關(guān)撥到自動(dòng)擋位，接通伺服電機(jī)電源之后按下啟動(dòng)開關(guān)開始焊接，完成9組試件的焊接任務(wù)。

3.3 焊接結(jié)果

對(duì)已完成9組焊縫進(jìn)行表面成形和內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)和分析。9組試件焊縫中均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、咬邊、未焊透等表面缺陷，焊縫正反面成形質(zhì)量均優(yōu)良(見圖3)。

圖3 焊縫成形質(zhì)量

經(jīng)焊縫內(nèi)部的射線檢測(cè)，9組試件焊縫均未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋、氣孔、未熔合等內(nèi)部缺陷，焊縫評(píng)定結(jié)果均為Ⅰ級(jí)(見表3)，焊縫質(zhì)量達(dá)到優(yōu)等。

表3 射線檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本研究高強(qiáng)鋼機(jī)器人多層焊接示教編程、焊接工藝設(shè)計(jì)、焊接參數(shù)設(shè)置范圍等均較為合理，可作為工程厚板焊接產(chǎn)品的機(jī)器人焊接生產(chǎn)典型工藝使用。在焊縫外觀檢查和內(nèi)部射線檢測(cè)中，均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊縫成形優(yōu)良，焊縫評(píng)定結(jié)果均為Ⅰ級(jí)。