焊接機器人在鋼結構中的應用

■ 孟慶彪，李偉，張建民，秦建偉，齊杭賓

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1. 概述

電力變壓器是輸變電系統中的關鍵設備，變壓器外殼——油箱承裝著整個器身并充滿變壓器油，焊縫強度及密封性是變壓器的兩個重要指標。

目前，在變壓器油箱制造行業，雖然有的企業已經開始使用機器人，但總體仍是以手工焊接和仿形半自動焊接為主，自動化焊接還有很大的提升空間。與手工焊接相比，機器人焊接在穩定和提高焊接質量，改善勞動條件，提高生產效率等方面存在著巨大優勢。因此，大力推廣應用焊接機器人，提高焊接自動化水平是行業發展的必然趨勢。

圖1 焊接機器人

圖2 示教器

2. 焊接機器人構造及功能

下面就以我公司使用的德魯斯DRW3110F-40型焊接機器人（見圖1）為例，簡要介紹一下機器人的組成結構及主要功能。

這是一款可移動式6軸焊接機器人，由移動工作站系統和焊接機器人系統兩大部分組成，可通過吊車將整套工作站或焊接機器人系統吊到需要的工作位置，其基體由機器人、弧焊系統、電纜、控制柜、系統軟件等幾部分構成。焊接系統采用FANUC公司生產的M-710iC/20L機械臂和美國LINCOLN公司的POWER WAVE i400數字焊接電源，能夠很好的滿足操作靈活度和焊縫質量的要求。

為了實現自動化焊接，提高焊縫成形質量，焊接機器人還具備如下功能。

（1）示教功能 不同于軌道固定式機器人，移動式機器人坐標系的基準零點不固定，程序的創建和修改要通過示教器（見圖2）進行操作。

機器人有三種運動軌跡，分別為：點對點運動、直線運動、圓弧運動，針對不同的焊縫路徑選擇不同的運動軌跡。

（2）擺焊功能 為了增大焊縫寬度。提高焊接強度，手工焊接操作時常常沿著焊接方向以特定角度（形狀）周期性左右搖擺焊槍。焊接機器人同樣具備這一擺焊功能，并可以選擇正弦型擺焊、圓型擺焊、8字形擺焊、L形擺焊等多種擺焊模式，擺焊條件設置分為頻率、振幅、右停留時間、左停留時間、角度等幾個參數。

（3）焊縫跟蹤功能 電弧傳感器可周期性對焊接電流實施監測，并與設定值進行比較，按照事先設定的增益、偏差等參數值，對焊槍上下和左右方向進行補償（見圖3）。這項功能在應對工件出現加工偏差或者受熱變形等情況時非常有效，能夠及時糾正焊縫跑偏或寬窄不一情況。

（4）多層多道焊功能 在變壓器油箱的箱底、箱蓋等較厚鋼板的焊接中，往往采取多層多道焊的方式。焊接機器人可以通過焊接路徑記憶和再現功能、焊接路徑偏移功能，使用位置寄存器使得在第一層焊接時跟蹤傳感器存儲的焊接線稍許偏移，從而實現反復多層焊接。多層焊接功能只需示教打底焊縫一次即可，其余各層焊縫均自動焊接完成。

圖3 位置補償

圖4 立角焊示教點位置

3. 應用實例

變壓器油箱上存在多種焊接接頭型式，有對接焊縫、平角焊縫、立角焊縫等。下面，我們就以焊接難度較大的立角焊為例，介紹一則焊接機器人在變壓器制造中的應用實例。

為保證焊接強度，油箱在焊接立角焊縫時需要采取由下向上立焊的方法。此方法熔深較大，容易焊透，但熔池底部是個斜面，熔融金屬在重力作用下比較容易下淌。因此，必須采用比平焊稍小的電流，焊槍的擺動頻率應稍快，采用鋸齒形節距較小的擺動方式進行焊接，使熔池小而薄，熔滴過渡采用短路過渡形式。

焊接機器人立角焊如圖4所示，首先要對預設位置點1、焊接起始點2、中間點3、焊接終止點4進行示教并創建程序，必須加入擺焊功能和跟蹤功能。如果示教器中已保存有立角焊程序，僅需對焊接開始、結束點進行示教即可，操作步驟就可大大簡化。

在焊接機器人系統中，可以根據不同的材質、板厚、接頭形式及焊接位置等情況，設定不同的焊接參數。

使用上述程序和參數，對變壓器油箱箱沿與箱壁連接處進行立角焊，就會形成一道魚鱗紋均勻、焊縫寬窄一致、不跑偏且沒有接頭的美觀焊縫，手工焊接是很難達到這種效果的。

值得注意的是，在焊接機器人示教過程中，調整好焊槍的傾斜角度很關鍵，如果角度偏差較大，就會出現焊腳不對稱的情況。同時，還要保證焊絲伸出長度足夠，否則焊接飛濺會堵塞槍嘴并造成保護罩過熱。

4. 推廣焊接機器人需要改進的問題

實際應用證明，對不受空間限制的變壓器長直焊縫或帶法蘭的圓形角焊縫，機器人焊接比人工焊接具有巨大優勢。但焊接機器人在變壓器制造行業的應用尚處于初級階段，為了提高焊接機器人利用率，還要從兩個方面進行改進。

（1）焊接機器人制造企業要提高其便捷化、智能化水平，以便能與生產現場更加有效的對接。如：使用無線定位技術，用激光筆模擬示教點及焊槍角度，代替示教時機械臂運動；增加機器人手臂作業半徑，開發實用工裝，使機器人能移動到翻箱放倒的變壓器油箱內，從而實現變壓器內部焊縫焊接。

（2）變壓器設計部門要提高產品及零部件標準化程度，合理布局焊縫位置，減少零件扣壓、跨越焊縫現象，給機器人連續焊接創造良好條件。