簡析焊接夾具在焊接自動化中的應用

邱賢寧 韋真光

摘要：主要介紹利用焊接夾具工裝在焊接自動化中的應用，并通過對實例進行具體分析，進一步介紹焊接夾具工裝的設計步驟和主要優點等。同時與汽車零部件焊接傳統設計方法進行了比較，進一步總結出新方法的優點。

關鍵詞：焊接夾具 焊機機器人 自動化焊接

近年來，由于機器人技術的進步成熟，在焊接加工領域，越來越多的企業使用工業機器人代替人工進行焊接。在焊接生產過程中，由于真正用于焊接的時間比較少，而超過2/3的時間主要用于備料、裝配等工作，進而在一定程度上影響了焊接的生產速度，進而難以適應焊接機器人的生產節奏。為此，需要對機械化、自動化程度較高的焊接夾具裝備等加大推廣使用的力度。焊接夾具是保證焊接質量的主要因素之一，是焊接工藝的重要組成部分，它可以確保焊接零件形狀、尺寸、精度符合產品圖樣技術要求?？梢哉f，焊接夾具是構成自動化焊接的“核心”。因此，為滿足焊接零件的自動化焊接要求，用最快最簡單的方法設計最優質的焊接夾具勢在必行。

1 ABB焊接機器人工作站簡介

ABB焊接機器人工作站主要由主控制柜、機器人本體、清搶裝置、工位按鈕、配置焊機、示教器、氣動工裝夾具等組成。

2 地板橫梁焊接件的結構分析

2.1 結構組成分析

地板橫梁組成，其是由地板橫梁、離合拉索支架、組合通管支架焊合件、水管安裝支架焊合件、地板橫梁支架焊合件（左）、地板橫梁支架焊合件（右）拼裝焊接而成，總共有焊縫18條。

2.2 焊接結構件焊接性能分析

所謂焊接性是指金屬適應焊接加工，進而形成完整的，同時具備一定使用性能的特性。對于金屬焊接性來說，其概念主要涉及兩個方面的內容：一是在焊接加工中，金屬是否容易形成缺陷；二是在一定條件下，焊成的接頭可靠運行的能力。

通常情況下，在焊接過程中形成的缺陷包括：

①氣孔，與深埋氣孔相比，焊縫表面或鄰近表面的氣孔更具危險性，與單個氣孔相比，成串或密集氣孔更危險；

②夾渣，材料的抗拉強度隨著夾渣或夾雜物截面積的增大而成比例降低，但是對屈服強度構成的影響比較小；

③幾何形狀造成的不連續，咬邊，焊縫成型不良或燒穿等由幾何形狀造成的不連續性缺陷，一方面降低構件的截面積，另一方面產生應力集中；

④未熔合和未焊透，與氣孔夾渣相比，未熔合和未焊透的危害性更大；

⑤裂紋，對于焊接來說，裂紋是最危險的缺陷。

該焊接件屬于薄板焊接件，薄板對熱源極為敏感，并且一旦受熱極易變形，用傳統的矯正方法很難達到理想的效果。此特性決定了其焊接不能采用手工焊、埋弧焊等焊接方法，因其焊接殘余應力過大，所以變形較大，因此不能滿足施工質量要求。氬弧焊雖能得到較好質量的焊縫和外觀，但焊接成本太高，生產效率較低，不利于結構性薄板的批量焊接。

采用氣動夾緊工裝夾具配合機器人二氧化碳氣體保護焊的焊接方法，將需要焊接的零件按照裝配要求裝配夾緊在工裝上，并按焊接工藝調整好電流、電壓及機器人焊接時的焊接速度和擺動幅度，既能克服手工焊、氬弧焊焊接方法的缺陷，又能滿足薄板結構批量焊接的需求，焊縫質量高、觀感質量好，提高生產的效率。

3 制定焊接結構件的焊接工藝

3.1 焊接方法及焊接規范

焊接方法：二氧化碳氣體保護焊。

焊接設備：ABB焊接機器人。

焊接規范：

①焊接電流：120-140A；

②電壓：25-32V；

③保護氣體：二氧化碳；

④焊接預熱：無要求。

3.2 機器人焊接工序的確定

將地板橫梁、離合拉索支架、組合通管支架焊合件、水管安裝支架焊合件、地板橫梁支架焊合件（左）、地板橫梁支架焊合件（右）拼裝定位，按順序焊接，機器人焊接過程中需要轉動工件到一定位置以方便焊接。

4 焊接氣動工裝夾具設計及結構特點

4.1 工裝夾具整體設計思想

根據地板橫梁總成圖紙焊接要求，通過對結構的合理性、工藝性、經濟性、標準化，以及夾具的優缺點等進行綜合考慮，在焊接過程中需要翻轉零件以便焊接各連接零件，這就要求夾具能夠旋轉，同時對定位的精確度進行考慮，在裝配時，要求定位器與夾緊器的銷孔相互配合。

4.2 夾具的設計

對夾具進行整體設計時，一方面需要把夾具的各種元件、機構、裝置等連接成整體，另一方面考慮工件裝卸的方便性。因此，夾具各組成件的分布位置、工件的外形輪廓尺寸以及焊接焊槍有沒有關涉的條件等，在一定程度上決定著夾具體的形狀和尺寸。根據上述要求，該零件的工裝設計分析如下：

4.2.1 在裝配過程中把待裝零件、部件的相互位置確定下來的過程叫做定位。定位器是保證焊件在夾具中獲得正確裝配位置的零件和部件。地板橫梁是直徑為φ42×2.5的鋼管，根據其形狀定位可以用雙U形塊定位。在夾具上被定好位置的工件，必須進行夾緊，否則無法維持它的即定位置，即始終使工件的定位基準與定位元件緊密接觸。這樣就必須有夾緊裝置來完成這份工作，在夾緊時要使夾緊所需要的力應能克服操作過程中產生的各種力，如工件的重力、慣性、因控制焊接變形而產生的拘束力等，考慮到減輕勞動強度，采用氣缸自動夾緊。

4.2.2 離合拉索支架需與地板橫梁相焊接起來，中間有孔，其定位可以用銷進行定位。離合拉索支架形狀為U，可以利用地板橫梁夾緊，不需要額外加夾緊裝置。

4.2.3 組合通管支架焊合件和水管安裝支架焊合件中有孔，可以利用此孔進行定位夾緊。由于水管安裝支架焊合件不用利用地板橫梁夾緊，需加夾緊氣缸。

4.2.4 地板橫梁支架焊合件壁厚1.8mm，為薄壁件，焊接時容易變形，在焊接的時候進行多點夾緊防止變形。位置的定位可以利用地板橫梁支架焊合件上的孔來定位。

4.2.5 工件有焊縫在底部，焊接時候焊槍不方便伸進去，且熔焊金屬流動造成焊縫不均勻，因此采用一個旋轉工作臺，把焊縫調整到水平面上。

4.3 完成夾具設計

根據前面的分析，編制設計方案書，根據設計方案書的要求對夾具進行各個零部件的設計，在設計中盡可能的使用標準件（國家標準及公司標準），這樣能加快設計速度及制造速度，節約開發成本和制造成本。

5 焊接機器人程序編程與調試

根據零件結構特點和焊縫要求，在實現自動化焊接過程中，機器人編程和焊接需要不斷變換位置和姿勢才能實現焊接的連續性，真正實現自動化焊接。焊接機器人在焊接時比手工焊有著更高的要求，需要考慮到機器人各軸的聯動關系，同時還需要注意變換機器人姿勢、焊槍角度的過程中空間位置的合理性。根據廠家生產技術要求，結合工裝設計特點，程序編程在滿足生產需求和焊縫質量得到保證的前提下應盡可能的減少時間，以此提高焊接生產效率。如：在機器人空運過程中可以將移動速度加大、以最小的變換姿勢焊接下一道焊縫，這些都有助于提高生產效率。

6 結束語

隨著經濟的發展，科學技術的進步，對于焊接質量，人們提出了更高的要求。自動化生產在一定程度上要求減少人力，提高產品一致性，提高產品質量，適合批量生產，降低生產成本，提高生產效率。進行人工焊接時，受技術水平、疲勞程度、責任心、生理極限等因素的影響和制約，焊接工作的穩定性和一致性難以保持較長時間。而且，由于焊接惡劣的工作條件，愿意從事手工焊接的人在減少，熟練的技術工人更有短缺的趨勢。所以，要保證自動化焊接零件的質量焊接夾具很重要，一個好的夾具才能很好的保證焊接質量。

參考文獻：

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作者簡介：

邱賢寧（1985-），男，助理工程師，工學學士學位，主要研究方向：焊接機器人系統集成與焊接工裝設計。