用于核級機箱生產的自動焊接系統

樓永德

(上海自動化儀表有限公司，上海 200245)

0 引言

中國核電事業發展迅猛，不但國內核電需求巨大，而且作為中國的新名片，核電更擔負著“走出去”的重任。在核電控制系統的建設中，需要大量使用高質量的鈑金機箱。

雖然鈑金機箱對于核電而言并非核心生產技術，但對于保障核電安全十分重要。機箱生產在核電設備中的技術層級不高，卻同樣要執行核電焊接標準，生產中缺少技術過硬的焊接工人；而面對高速發展的核電事業，焊接效率也顯現了疲態。對于多樣化、小批量的生產需求，生產企業迫切需要可以減少人工干預、提高生產速度的自動化設備[1]。

1 手工焊接在核電機箱生產中的缺陷

手工焊接在核級機箱生產中的缺陷主要體現在質量和效率兩個方面[2]。

根據核電設備焊接的相關標準要求，經過焊接工藝評定后形成的焊接工藝規程，詳細規定了與焊接生產有關的大量技術參數。其中，焊接電流、電壓以及焊接速度是較為關鍵、同時也是較難控制的技術參數。在手工焊接中，由于手勢關系，電流和電壓會持續波動，有時波動超出了規定范圍，而焊工卻不能發現；焊接速度在工藝規程中以每分鐘焊接多少厘米來表示，在實際生產中也很難監控。因此，手工焊接在核級機箱生產的質量管理中存在困難。

在手工制造中，通過減慢生產速度，可以在一定程度上提升質量。由于核級機箱生產的質量要求較高，焊工在實際焊接中也是“精雕細琢”。比如不銹鋼機箱的邊角，由于不銹鋼機箱焊接完成后不作噴漆處理，因此對邊角焊接的要求格外嚴格，要求焊接后邊角保持直角；一旦發生失誤，無法補救，只能報廢。因此，這類焊縫的生產效率很低。

2 自動焊接的優勢和局限

2.1 自動焊接的優勢

自動焊接的原理是事先設定好焊接技術參數，包括焊接時的電流、電壓等[3]；同時，設定好焊槍的運行軌跡及運行速度[4]。開始執行后，焊槍將嚴格按照設定的路徑和速度進行移動，同時，電流及電壓也比較穩定，得到的焊縫質量相同且外觀整齊。由于機械運動可以避免手工操作中的不穩定。因此，焊接速度可以大幅提高。通常，手工焊接的速度是1.6～2 mm/s，而自動氬弧焊速度通常設定為4 mm/s，自動氣保焊速度更是可以達到40 mm/s。

2.2 自動焊接的局限

自動焊接雖具有以上優勢，但也具有一定的局限性。首先，由于焊槍只會嚴格按照設定路徑運動，因此，工件尺寸必須具有較好的一致性；其次，自動焊接前必須準備合適的工裝和焊接路徑的編程，這需要一定的時間。因此，自動焊接通常用于大批量生產。

對于核級機箱的焊接，工件的一致性尚可保證，但一次生產完全相同規格的情況很少。核級機箱的生產特點是：總量大、品種多，同品種數量少。所以，自動焊接應用于核級機箱生產時，必須克服上述局限性。

3 機器人自動焊接系統搭建及驗證

3.1 機器人自動焊接系統的設計與搭建

采用工業機器人驅動焊槍運動，可提高自動焊接系統的適應性[5]。傳統的自動焊接系統一般都是框架結構，在框架上布置電機、導軌、傳動系統等機械裝置，焊槍在這些機械部件的帶動下在三維空間中運動。這樣的結構比較適合于平焊位，其他位置的焊接會使結構變得很復雜，難以滿足較大工件的需求。隨著工業機器人技術的日趨成熟，工業機器人不再是汽車航天的專屬配置。六軸機器人的手腕活動更為靈活，能滿足復雜形狀的焊縫和工件的生產，同時也能適應不同位置的焊接[6]。機器人可以通過專門的編程語言對不同形狀的焊縫進行快速編程，并通過示教功能來編制運動路徑，縮短編程時間，提高重復精度。

采用柔性工作平臺及柔性工裝，可縮短不同工件在焊接前的工裝準備時間。在焊接工作平臺上，設有大小、間距相等的定位孔；在模塊化的工裝上，設置有同樣的定位孔。通過定位銷，可以實現工裝模塊的任意組合，并在工作平臺上任意位置快速安裝，從而避免了傳統工裝夾具加工時間長、功能用途單一的缺點。工裝模塊有多種形狀，可通過類似于搭積木的方式靈活組合，以滿足大部分焊件的定位需求。機器人可以360°工作，因此，將機械臂設置在工作平臺的中央。這一方面可以充分利用機械臂的工作空間，另一方面可以在工作平臺上放置更多種類的模塊工裝組合，避免工裝的反復拆裝，從而進一步縮短工裝準備時間[7]。

設計制作PLC控制柜，可簡化系統操作。六軸機械臂通常使用自帶手操器中的菜單及各種命令來進行操作，對于普通工人而言，復雜程度較高；而且在整個自動焊接系統中，會有各種設備需要協同工作。為了便于控制、簡化操作，可設置一臺PLC控制柜。它就相當于整個系統中的指令中樞。自動焊接系統中的設備包括機器人、焊機、夾具、屏蔽門等。其均由PLC控制柜統一協同控制，并將常用的操作以按鈕和指示燈的形式呈現在面板上，不但可以簡化操作，同時也使整個自動焊接系統更易于控制。系統中所有設備的工作指令全部由PLC控制柜給出。其操作面板包括：電源操作、機器人操作、焊機操作、夾具操作、屏蔽門操作和急停按鈕。進行機器人操作時，先在機器人中預置工作程序，然后通過PLC控制柜面板來進行選擇，從而大幅降低操作工人的操作難度。夾具動作采用氣動模式，PLC控制柜給出開關量電信號，控制電磁閥開閉，從而實現夾具的夾緊與松開。

采用氣保焊工藝，可適度彌補工件的一致性偏差。在鈑金生產過程中，偶爾也會出現加工偏差。這個偏差不一定會影響產品質量，也不會影響到手工鎢極氬弧焊接，但會影響到機器人自動焊接，引起焊接質量問題。機箱生產中常用的焊接方法是鎢極氬弧焊，有自熔焊和填料焊兩種方式。自熔焊熔深較深，焊縫余高較小，很適合箱體側板的焊接。但自熔焊應用于自動焊的條件是工件一致性偏差必須小于0.05 mm，這對于鈑金加工的要求過高。如果采用填料焊的方式，工藝復雜程度極高，很容易產生焊絲與工件粘連的問題。為了解決這一問題，可使用氣保焊。氣保焊自動化程度高，其送絲速度與焊接電流關聯，不容易粘絲，焊接中自動填料有一定寬度，足以覆蓋加工引起的偏差。此外，氣保焊焊接效率很高，其焊接速度約為鎢極氬弧焊的10倍。

除了這些關鍵設備的配置，還需要設置保護裝置，如工位圍欄和防弧光屏蔽門。由于機器人在運動時動作較快，為防止機器人工作時有人誤入，可在工位外圍設置圍欄[8]。為防止機器人以及弧光對操作工人安全的危脅，可同時在工作臺周圍設置防弧光屏蔽門[9]。屏蔽門通過氣缸上、下運動，由PLC進行控制，焊接時強制升起。同時，還可以在工位中設置貨架，用于放置工裝夾具；設置鉗工作業臺，用于進行一些簡單的手工加工等。

3.2 機器人自動焊接系統工作性能驗證

通過試生產，可以對整個自動焊接系統作出實用性評估。以核級小機箱為代表，其總量大、規格多，焊縫類型包括對接焊縫、角焊縫、塞孔焊等多種常見類型。以50臺小批量核級小機箱焊接為例，人工焊接不需要準備工裝夾具，也無需編程，焊接總耗時12.5 h，平均每臺耗時15 min。機器人自動焊接則需要準備工裝夾具，耗時15 min；機器人編程耗時30 min，示教耗時20 min。這屬于焊接前準備工作，完成后即可連續生產。上下料與焊接焊縫總耗時60 min，累加得出機器人自動焊接總時長為2.08 h，工作效率較人工焊接提高5倍左右。人工焊接與自動焊接操作時間比較如圖1所示。

圖1 人工焊接與自動焊接操作時間對比圖Fig.1 Comparision of operation time of manual welding and automatic welding

效率平衡點示意圖如圖2所示。設人工焊接1臺機箱需要15 min，機器人自動焊接前期準備時間為65 min，1臺機箱焊接的時間為1.2 min。通過計算可以得出，效率平衡點為5臺。也就是說，生產量大于等于5臺，自動焊接即可提高生產效率。由此說明，此機器人自動焊接系統可適用于多樣化、小批量的柔性生產。

圖2 效率平衡點示意圖Fig.2 Schematic diagram of efficiency balance points

對完成的焊件進行質量檢驗，目視檢測余高約為1 mm，焊縫整齊，無裂紋、未焊透、密集氣孔、夾雜物、咬邊、塌陷等缺陷，且一致性很好。根據工藝要求，將焊縫磨平后進行滲透檢驗，結果完全合格。

4 結束語

本文所闡述的機器人自動焊接系統，通過工業機器人來驅動焊槍運動，通過PLC控制來簡化操作，并采用柔性工作臺和工裝以及氣保焊工藝來提升適用性，使整個自動焊接系統具有焊接效率高、焊縫質量好等優點。針對核級機箱生產總量大、品種多、同品種數量少的特點，該系統完全可以替代人工焊接。該系統為自動焊接在小批量生產領域中的應用提供了一種解決方案。

參考文獻:

[1] 鄭三.淺談鈑金柔性自動化生產線[J].產品與技術,2014(4):94.

[2] 茍建軍.基于改進GA-BP算法的SMAW工藝參數的優化[D].包頭：內蒙古科技大學，2015.

[3] 鄒勇,蔣力培,薛龍,等.管道全位置焊接機器人人祝交互系統[J].電焊機，2009(4):56-58.

[4] 張撼鵬,黃鵬飛,殷樹言,等.新型低能量輸入電弧焊接系統的研制[J].電焊機,2007(2):37-39.

[5] 張厚寶.基于ARM的焊接機器人控制器的研究[D].南昌：南昌大學，2015.

[6] 徐鵬.3-RRRT并聯機器人傳動性能研究與尺度綜合[D].天津：天津理工大學，2009.

[7] 侯偉.工裝全生命周期管理關鍵技術研究與實現[D].西安：西北工業大學，2006.

[8] 胡國雨，段國強.關于焊裝生產線機器人布局的研究[J].福建質量管理，2016(2):1.

[9] 歐則兵.電弧焊弧光幅射的危害與防護[J].電焊機，2011(11):51-52.