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摘要：目前，由于用工環境的惡劣，人工費用的增加，國內開始大量使用機器人來代替人工。我國工業機器人年安裝量達到１０萬臺以上，擁有巨大的市場，但如何使用好機器人焊接來提高產品質量就顯得尤為重要，本文主要論述了機器人焊接碳鋼板容器試件焊接工藝設計及實現。通過對比不同參數下的焊縫成形，找出最優的焊接工藝參數，設計機器人焊接路徑規劃，達到焊縫質量要求，解決了以往復雜工件焊接質量、效率不高的問題。
關鍵詞：機器人；焊接工藝；路徑規劃
０前言
容器試件由于工件復雜，包含不同焊接位置，施焊時，焊縫對于施焊者的相對空間位置，有平焊、橫焊、立焊和仰焊等位置。平焊最易保證焊接質量，其次橫焊，再次是立焊，仰焊最難保證質量。不同焊接位置、不同接頭形式、不同材料及板厚焊接的難易程度是不同的，本文針對立悍、橫焊焊接位置機器人焊接工藝設計及路徑規劃，著重解決機器人實現全位置焊接的難題，對于實現高效的機器人自動化焊接意義重大［１－３］。
１焊接性分析
試驗材料選用Ｑ３４５Ｂ低合金高強度鋼，其化學成分如表１所示。碳當量Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／１５＋Ｃｕ／１５＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／５＋Ｖ／５，計算Ｃｅｑ＝０．４９％，由碳當量稍大于０．４５％可推測，Ｑ３４５Ｂ鋼焊接性很好，在焊接時需遵循正確的焊接工藝規范。
２焊接工藝設計
焊接方法采用常用的ＭＡＧ焊，與二氧化碳氣體保護焊相比具有電弧穩定，熔滴過渡穩定，焊接飛濺少，焊縫成形美觀等優點。立向焊接的熔滴過渡形式適合采用短路過渡，在短路過渡過程中，電流產生的磁力場是主要的影響因素。電極前端的熔融部分逐漸變成球狀并增大形成熔滴，與母材熔池里的熔融金屬相接觸，借助于表面張力向母材過渡。短路過渡在采用低電流和較小焊絲直徑的條件下產生，適合于直徑為１．２ｍｍ焊絲的焊接。短路過渡易形成一個較小的、迅速冷卻的熔池，適合于立焊位置焊接［４－５］。
３結果分析
３．１機器人對接立悍焊接工藝設計
對試樣進行編號，設置不同的組別，確定不同位置焊接焊工藝參數。具體參數設置見表２。圖２是在焊接速度為０．２５ｍ／ｍｉｎ、０．３ｍ／ｍｉｎ、０．３５ｍ／ｍｉｎ，送絲速度為４ｍ／ｍｉｎ、４．５ｍ／ｍｉｎ、５ｍ／ｍｉｎ時所得焊縫成形宏觀形貌。由圖２ａ）我們可以看出（焊接速度０．２５ｍ／ｍｉｎ、送絲速度４．５ｍ／ｍｉｎ），焊縫基本成型，但成型一般，中間鐵水沒有鋪開，余高過大。由圖２ｂ）－ｄ）為焊接速度０．３ｍ／ｍｉｎ，送絲速度分別為４ｍ／ｍｉｎ、４．５ｍ／ｍｉｎ、５ｍ／ｍｉｎ時所得焊縫成形宏觀形貌，由圖我們可以看出。２號試樣焊縫成形尚可，起弧收弧段成形一般。３號焊縫成形美觀，魚鱗紋也較為明顯，但由于送絲速度增大后，余高偏大。４號焊縫由于送絲速度增大到５ｍ／ｍｉｎ后，熔融金屬量增大，焊縫寬度變大，并有下淌趨勢，左右邊熔合情況不好。由圖２ｅ）－ｇ）為焊接速度０．３５ｍ／ｍｉｎ，送絲速度分別為４ｍ／ｍｉｎ、４．５ｍ／ｍｉｎ、５ｍ／ｍｉｎ時所得焊縫成形宏觀形貌，在圖２ａ）－ｄ）基礎上，增加了擺動焊接及左右延遲時間，由圖我們可以看出。５號焊縫由于擺幅太小，熔融金屬沒有完全鋪開，成形不好，熔寬不均勻。６號焊縫由于焊接速度增加，偏轉大，焊縫沒有魚鱗紋且寬窄不均，７號焊縫成形好，左右延遲時間得當，兩邊熔合情況優。由圖２可以看出，在焊接速度為０．３５ｍ／ｍｉｎ時，調節送絲速度焊縫成形較好。由圖２ｂ）－ｄ）可以看出，隨著送絲速度的增加，即焊接電流的加大，焊縫的熔深和寬度也在增加。原因是焊接電流增加，焊絲熔化量也在增加，焊接線能量也在增加。反之，送絲速度越小，熔深越小，焊縫也越窄。在送絲速度不變的情況下，改變焊接速度來分析其對焊縫成形的影響。由圖２ａ）、ｃ）、ｅ）可以看出，隨著焊接速度的增加，相對于送絲速度，焊縫的寬度減小速度更快。因為焊絲的熔化速度基本相同的情況下，焊接速度越快，單位面積的焊絲熔化量越小。焊接速度越小，魚鱗紋越細密而且美觀，但是鐵水不容易淌開，當焊接速度增大到一定范圍時，魚鱗紋更美觀，而且焊縫比較飽滿，焊縫成形更好。由試驗可知，立悍工藝設計時盡量避免熔合不夠現象的出現，未熔合現象是指在焊縫金屬和母材之間或焊道金屬之間未完全熔化和結合的部分。造成未熔合的原因有：焊接電流過小、速度太快造成熱輸入不夠；焊槍角度不合理或焊槍沒有充分擺動；層間溫度太低；工件太厚；坡口形狀不合理、有死角；工件坡口及附近、層道間有氧化膜、油污；焊接時流入熔渣妨礙了金屬間的熔合；或存在磁偏吹等。未熔合使焊縫承載面積減小，不能承受較高的靜載荷，引起的應力集中大，在一定條件下可能成為脆性斷裂的裂紋源，其危害性僅次于裂紋；為避免出現未熔合，需選擇合適的焊接參數和焊槍角度；層間溫度合理；厚板進行預熱；坡口尺寸設計合理、避免死角；坡口及附近、層道間的污物和氧化膜清理徹底，并避免出現溝槽；減少磁偏吹［７］。
３．２機器人角接橫悍焊接工藝設計
機器人角接橫悍焊接工藝設計試驗，將工件裝夾至工作臺上，焊槍位置調整至與焊縫成４５°角位置。用機器人操控面板編寫焊接程序并使用預定的參數進行試驗。具體的編程如下：氣體流量為１４Ｌ／ｍｉｎ，焊絲干伸長度為１２ｍｍ，焊槍傾角為４５°，焊縫厚度為５ｍｍ，直接進行蓋面焊接，表３為機器人角接橫悍焊接工藝參數表，圖３為機器人角接橫悍焊接成型宏觀形貌。如圖３可知，１號使用參數為送絲速度５ｍ／ｍｉｎ，焊接速度為０．３ｍ／ｍｉｎ，偏轉為４、擺長為３，兩邊沒有加延時時間進行試驗，結果發現，焊縫上部有很深的咬邊。２號使用的參數為送絲速度５ｍ／ｍｉｎ，焊接速度為０．３ｍ／ｍｉｎ，偏轉為４、擺長為２，增加兩邊加延時時間，兩邊延時各為０．１ｓ進行試驗，結果發現，焊縫成形美觀，焊縫飽滿，魚鱗紋比較明顯，也解決了１號的咬邊問題。但是，焊縫厚度太大，說明擺動幅度太大，熔融金屬太多。３號試樣增加焊接速度，減少擺動幅度，焊接工藝參數為送絲速度５ｍ／ｍｉｎ，焊接速度為０．３５ｍ／ｍｉｎ，偏轉為３、擺長為２，兩邊各停留０．１ｓ進行試驗，結果發現，解決了前面所有的問題而且焊縫成形美觀。經過試驗與分析可得，送絲速度太小，焊接速度太快的情況下，由于焊絲熔化量跟不上焊接速度，導致角焊縫會出現咬邊的情況，為解決角焊縫在擺動焊接下出現兩邊咬邊問題，一方面需要在兩邊加入延時時間，另一方面需要匹配好送絲速度與焊接速度之間的關系；送絲速度太大導致焊縫成形不好，中間鐵水量太多導致焊縫下垂，解決焊縫厚度問題，加快焊接速度，減少擺動幅度均可以降低焊縫厚度。在焊接速度在０．３ｍ／ｍｉｎ，送絲速度在５ｍ／ｍｉｎ，偏轉為４、擺長為２，兩邊延時各為０．１的時候，均滿足上述條件，焊接效果最好，焊縫飽滿度很好，焊縫成形也最好。所以，在焊接角焊縫時，應該在這個參數范圍內進行調節，得到最佳工藝參數。由試驗可知，咬邊是指沿著焊趾，在母材部分形成的凹陷或溝槽，是由于電弧將焊縫邊緣的母材熔化后沒有得到熔敷金屬的充分補充所留下的缺口。咬邊是由于電弧熱量太高（如電流過大、速度太慢等）；電弧過長；焊槍角度不合理、擺動不合理；焊接順序不合理等都會造成咬邊；直流焊時電弧的磁偏吹也會造成咬邊；某些焊接位置（立、橫、仰）會加劇咬邊。咬邊減小了母材的有效截面，降低結構承載能力；引起應力集中，產生疲勞裂紋；當這些缺陷與結構中的高殘余拉應力區或熱影響區中粗大脆化晶粒區相重疊時，常會引發脆性不穩定擴展裂紋，故在重要的或承受動載荷的結構中，一般不允許咬邊存在，或咬邊值有限制。選擇合適的焊接熱輸入、電弧長度、正確的焊槍角度和擺動；合理的焊接順序；減小或避免磁偏吹；盡量采用平焊等措施都可以防止咬邊［７］。
４機器人焊接路徑規劃
對于機器人焊接而言，焊接工藝是核心，路徑規劃是關鍵［６－７］，容器類試件需要進行路徑軌跡規劃，減少空走行程，讓焊接過程更加連續，提高焊接效率，首先對容器試件進行機器人示教編程和焊接，其示教軌跡如圖４所示，主要由編號①～20的二十個示教點組成。１）原點為19（ＨＯＭＥ）點，其處于與工件、夾具不干涉的位置，焊槍姿態為逆時針旋轉１８０°（相對于Ｘ軸）；２）①②④⑥⑦19點為過渡點（前進或退避），也要處于與工件、夾具不干涉的位置，①號焊槍角度為６０°，２號為９０°，④號為３０°，⑥號為３０°，⑦號為３０°，19號為１８０°；３）③⑤⑧點為立焊與弧面焊的引弧點和熄弧點，焊槍角度與工件夾角為４５°并與焊縫待焊方向垂直；⑨14點為角焊縫的引弧點，焊槍角度與工件的夾角為４５°，槍頭距工件兩側距離為２．５ｍｍ；４）⑩1121315161718角焊縫焊接過程，焊槍姿態應與工件角度為４５°且槍頭距工件兩側距離為２．５ｍｍ；
５結束語
機器人焊接質量首先取決于人的焊接質量意識，其次是機器人自身精度，弧焊包的功能，原材料質量，下料精度，組對精度，工裝夾具的合理設計，焊接工藝與機器人焊接路徑、姿態的匹配。焊接工藝與機器人焊接路徑、姿態是得到優質焊縫、焊接生產效率高、生產成本低產品的關鍵。
作者:耿祥 楊芳 單位:云南云內動力集團恒和環保科技有限公司
