復雜工件機器人焊接

朱獻

1. 概述

在焊接領域，現大多大中型企業已逐步實現自動化或半自動化焊接，這給產品質量及生產能力帶來了進一步的保障與提升。但是，機器人焊接全面使用的步伐仍然需要更成熟的技術要求及工藝水平才能得以前進。小工件機器人焊接當然也需要操作人員對焊接工藝有一個很好的認識，才能在出現問題時能夠通過分析去解決問題。本文將通過焊接復雜工件逐步解析機器人焊接存在的問題及其解決措施。

2. 拐角位置難點分析

（1）拐角位置主要缺陷 咬邊、焊縫單邊、焊腳尺寸不足、焊縫成形不良等，如圖1、圖2所示。

（2）主要影響原因 焊接參數、焊槍角度、焊絲對準位置、焊絲干伸長和示教編程等。

（3）難點分析 選擇合適的焊接參數進行焊接，外四周及內四周平角焊可以滿足評判要求。而在焊接焊縫拐角位置時，要求焊縫達到圓滑過渡，并保證機器人手臂不會碰到工件，編程時一般需建立三個步點（一般作為圓弧點）。如果編程的步點增加，機器人手臂擺動的動作就會增加，這樣焊接停頓時間變長，將導致拐角處溫度相對集中，母材燒損情況變得嚴重，特別是拐角位置Ⅳ，故采用平角處的焊接參數將會出現嚴重咬邊缺陷。因此，在焊接速度不變的情況下，電流過大，拐角處焊縫將出現焊腳過大，立板處咬邊、焊縫成形不良等缺陷；反之，電流過小，拐角處焊縫將出現焊腳過小、成形不良等缺陷。

（4）拐角位置咬邊缺陷產生原因及解決措施 第一，拐角位置咬邊缺陷產生原因：①焊絲過于指向立側板。②電弧長度過長（電壓過高）。③母材燒損嚴重。④在電流電壓等其他參數未變化時，焊接速度太慢。⑤編程過程中步點過多。

第二，拐角位置咬邊缺陷解決措施：編程時焊槍角度保持在45°~55°，且焊絲對準底板，距離立板位置3~4mm處；焊絲干伸長始終保持在10~12mm；選擇合理的焊接參數；在進行拐角位置編程時盡量要求步點越少越好。

圖 1

圖 2

3. 機器人焊接產生的其他缺陷及解決措施

（1）焊縫單邊 以焊縫偏向底板為例（見圖3）。①焊槍角度（焊槍與立板間角度）太小。②焊絲指向立板側。③電流過大。④電壓過低。⑤焊絲指向過于朝向底板。⑥焊接速度過快。

解決措施：調整合適的焊槍角度，保持在45°~50°；焊絲應指向焊縫處稍接近底板，距離立板3~4mm；減小焊接電流，加大電壓；電流電壓值不變的情況下，適當降低焊接速度。

（2）焊腳尺寸不足 ①焊接速度過快。②焊接電流、電壓過小。③電弧長度過短。④機器人手臂動作不協調，導致焊縫不圓滑過渡，如圖4所示。

解決措施：匹配適當的焊接速度；適當加大焊接電流及電弧長度；編程過程中焊絲指向位置需一致。

（3）焊后產生變形 ①裝配點焊時，點焊未牢固。②使用焊接參數過大。如使用的焊接電流偏大。③焊接順序不規范。

解決措施：裝配工件時，點焊必須得牢固；選擇合適的焊接參數；采用合理的焊接順序。

4. 影響焊縫主要因素

除焊接參數影響焊縫以外，編程過程中的焊槍角度及焊絲干伸長對焊縫的影響也是非常大的。前面提到焊接過程中焊槍角度需保持在45°~50°，焊絲干伸長要求10~12mm，那么，以下將通過分析說明焊槍角度及焊絲干伸長對焊縫的影響。

（1）焊槍角度對焊縫的影響（見圖5） ①當焊槍的角度＞50°時，保護氣體將熔池吹向立板，導致立板熔池吸附的比底板多得多，使焊縫偏向立板，致使底板焊腳尺寸偏小；當焊接電流偏大時，立板處也容易產生咬邊。②當焊槍角度＜45°時，且焊絲對準位置不變，焊接過程熔池集中流向底板，導致焊縫偏向底板，且焊縫成形較差，中間焊縫凸起，從而導致立板焊腳尺寸偏小。

（2）焊絲干伸長對焊縫的影響 焊絲干伸長是指從導電嘴部到工件的距離，當干伸長過長時，氣體保護效果不佳，易產生氣孔，引弧性能差，電弧不穩，飛濺加大，熔深變淺且焊縫成形變差；當干伸長過短時，噴嘴易被飛濺物堵塞，飛濺大，熔深變深，焊絲易于導電嘴粘連。當焊接電流一定時，干伸長增加，會使焊絲熔化速度增加，但電弧電壓下降，造成電流降低，電弧熱量減少，故焊絲干伸長對焊縫的影響也是較大的。因此焊接時一般要求焊絲的干伸長為

10~12mm。

5. 復雜工件焊接技術要求

（1）保護氣體 采用98% Ar +2%CO2混合氣體。

（2）焊材 焊絲F1.2mm，ER50－6(AWS ER70S－6)。

（3）試件 材質Q235B，底板250mm×250 mm×12mm，立板1塊200mm×50mm× 12mm，3塊150mm×50mm ×12mm。

（4）機器人選擇 選用唐山松下TA1400—1+350 GL3/350GS4。（5）焊接位置 外四周全部平角焊；內四周全部平角滿焊，要求焊腳K=6.5mm。

（6）外觀 評判要求如表1所示。

圖 3

圖 4

圖 5

圖 6

6. 復雜工件焊接工藝

（1）焊前準備及打磨 焊前打磨機對試件焊接面進行打磨，去除試件表面鐵銹及油污，將立板垂直邊打磨平整。

（2）試件裝配定位焊（見圖6） ①以底板為基礎畫中心十字線。以中心線為基礎，東西方向75mm畫對稱直線。南北方向86mm畫對稱直線。按I、II、III、Ⅳ順序依次將各試板裝配在直線以內且試板外延在直線內。②定位焊。按圖進行定位，要求定位焊不宜過大，定位后鏟除四周飛濺。③依圖夾緊在焊接平臺夾具上，要求底板各角位置需夾緊。

（3）編程 掌握正確的編程方法及步驟是高效、精確完成編程工作的關鍵。對于簡單的直線或圓弧焊接；只需選擇焊縫固定的幾個步點進行編程，就可以完成焊接，而對于復雜工件焊接，需連續由直線及圓弧（拐角處采用圓弧進出編程）步點組成，需設置幾十個步點，且要求從頭到尾360o一次性進行焊接，并進行直線擺動和圓弧擺動。故在編程過程中需細致認真，熟悉各個步點的轉換。

可參照以下的步驟進行編程：①實踐中很難做到走一遍就得到完美的示教程序，初步示教后再進行修改和微調。②正確選擇坐標系：基本移動采用直角坐標系，接近或角度移動采用工具（或絕對）坐標系。③不做多余的空走點，如多余的待機點、接近點、焊接開始及結束點。④生成焊接點之后，焊槍后退設置接近點，為防止和夾具發生碰撞，應精確地靠近工件。⑤熟悉使用點動動作，掌握微動調整。⑥固定焊絲干伸長，及時觀察焊槍角度變化，增加編程準確度。⑦示教編程完成后，進行整個焊縫的預焊接。預焊接的過程中觀察各個步點的焊接參數是否進行正確調整，并仔細觀察焊槍角度的變化。

（4）焊接 ①焊接前檢查試件周邊是否有阻礙物。②檢查氣體流量，焊絲是否滿足整個焊接，以及焊機設備各變量是否準確。③擰緊導電嘴，先焊接外四角滿焊，待完成后，清理導電嘴焊渣，再進行內四角滿焊。焊接完成后，刷黑灰，鏟除飛濺。④焊接順序如圖7所示。

為節省編程時間，在編完外四周焊縫程序后，以外四周收弧點作為內四周起弧點。外四周編程方向為順時針方向，則內四周編程方向為逆時針方向。

7. 焊接參數

各個工藝參數是相互影響的，也是相互匹配的，在適合的焊接參數內變動任何一個參數，將會影響整個焊縫的焊接，也會產生或多或少的缺陷，比如說合適的焊接電流、電壓及焊接速度可以焊接出符合標準的焊縫，如果改變了焊接角度或電弧長度，將造成焊接電流、電壓值的改變。因此，在確定焊接角度及焊絲干伸長的同時，再進行焊接電流、電弧電壓及焊接速度等值的適當調節。為達到此復雜工件焊腳K值為6.5mm，避免焊接缺陷的產生，通過試驗，才能得出合適的焊接參數，具體參數如表2所示。

圖 7

表1 外觀評判標準

表2 焊接參數

8. 結語

通過分析機器人焊接產生的缺陷及其解決措施，采取合理的焊接參數，使拐角位置的缺陷問題得以解決，整個焊縫外觀能達到要求。整個復雜工件的焊接從編程到焊接結束，規定時間40min。2012年參加了北京“嘉克杯”國際焊接大賽中，進行了機器人碳鋼工件及不銹鋼工件的焊接，賽前經過不斷的練習及總結，最終榮獲機器人組第一名的成績。