臥式注塑機油箱自動化焊接工藝設計與研究

朱玉田，吳悠，高世權，管敏超

1. 同濟大學 上海 20092

2. 海天塑機集團有限公司 浙江寧波 315800

1 序言

國內注塑機行業(yè)限于成本與生產(chǎn)批量的問題，大多采用手工進行裝配以及焊接作業(yè)，自動化水平很低。并且傳統(tǒng)的手工焊接，雖然靈活性較高，但生產(chǎn)費時費力，焊接質量受限于焊工操作水平，不穩(wěn)定，不均勻焊接、虛焊等問題時有發(fā)生[1]。因此采用自動化焊接，能實現(xiàn)高效生產(chǎn)、降低勞動強度、節(jié)約成本、改善作業(yè)環(huán)境，提升企業(yè)核心競爭力，實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。

臥式注塑機是一種特定行業(yè)特種材料（塑料）加工設備，作為其中一個組成部分——油箱（見圖1），可以借鑒已經(jīng)成熟的自動化焊接方案。

圖1 注塑機油箱

劉彥麗等[2]用機器人自動化焊接解決原來手工焊接質量不穩(wěn)定導致的外柴油箱滲漏問題。丁剛[3]設計了機車變壓器油箱焊接生產(chǎn)線工藝過程，對生產(chǎn)線中的各部分工藝進行了分析，研究了油箱焊接生產(chǎn)線的工位設計。

2 油箱的結構分析

（1）油箱的組成零件功能及板材分類 油箱除法蘭外，材質為Q235A，厚度一般＜6mm，即以中薄板為主，結構簡潔：2件折彎板+2件平板就構成了主體框架，再根據(jù)功能要求設置外接法蘭即可，如圖2所示。

圖2 注塑機油箱功能設置

（2）油箱結構分析 已經(jīng)整體組裝的油箱，在一定的自動化設備下，仍會有遮蔽現(xiàn)象，造成無法焊接的問題。機器人用標準焊槍，對工件內部空間尺寸有所要求，為防止機器人與工件干涉，焊槍與工件之間具有一定的安全距離，如圖3所示。

根據(jù)機器人的外形，干涉處主要是凸出的法蘭零件間、法蘭與油箱安裝面平板間，這些位置在設計時需要考慮并結構優(yōu)化。

圖3 油箱法蘭接頭與平板間距過小

3 油箱的自動化焊接工藝分析與試制

3.1 試制試驗意義

生產(chǎn)需求是否能由現(xiàn)有設備滿足，是否需要新的專用設備，新的專用設備會面臨怎樣的工況，自動化的生產(chǎn)需求是否可以套用既定焊接工序，如何優(yōu)化既定焊接工序，最終的自動化效果如何，這些都需要大量的試驗數(shù)據(jù)進行佐證。

3.2 試制試驗目標

結合工藝分析和優(yōu)化結果，制定出初步的油箱自動焊接目標。機器人焊接比例占油箱全焊縫98%以上；因為部分位置仍有自動焊困難或漏油可能的問題，所以人工補焊還是無法避免。

3.3 試制試驗焊接工藝分析

選取中間檔的油箱作為試驗及分析機型。借鑒其他自動化焊接研究的成果，試制試驗需對焊絲、焊接方式、焊接工藝、焊接順序等方面進行選擇。

（1）焊絲的選擇 根據(jù)章正[4]對焊絲選擇進行的分析，丁連征[5]對藥芯與實芯焊絲進行的焊接分析可知，藥芯焊絲會干擾電弧跟蹤器，且進行角焊時容易出現(xiàn)氣孔，影響生產(chǎn)效率；不適于自動化焊接。因此，試制試驗選用實芯焊絲，采用脫氧劑來防止產(chǎn)生氣孔及減少飛濺。飛濺只能減少，無法消除，故試制試驗仍需設置自動清槍剪絲機構。

（2）焊接工藝方式的選擇 油箱的首要技術要求為密封性，必須采用連續(xù)焊形式完成。連續(xù)焊之前的組立焊點間距保持在250mm。試制試驗為使自動焊接過程連續(xù)性得到保障，減少更換焊絲的頻次，需設置大容量焊絲筒。

焊縫的焊腳尺寸均在5mm內，從提高焊接效率考慮，所有油箱的焊道均為單道焊接。由于角接試板焊接可以達到單面焊雙面成形的效果，且在較大電流（180A）時，反面成形較飽滿、連續(xù)，因此試驗將采用較大電流，加快焊接速度，在一定程度上克服油箱不能在內部焊接的缺點，具體焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

（3）焊接順序的選擇 順序1：整體一次組裝完成，單面焊雙面成形。

順序2：油箱留一個面不組裝，先焊接油箱內部焊縫，再進行二次組裝蓋面，并焊接油箱外側焊縫。

順序1的優(yōu)勢在于一次組裝成形，特別適合機器人自動化焊接，相應的劣勢也很明顯，由于油箱作為儲油容器的屬性，密封性是首要條件，單面焊雙面成形能否確保不漏油是該方案成敗的關鍵。

順序2則剛好相反，雖然通過雙面焊接來確保油箱的密封，但非常不利于大規(guī)模生產(chǎn)，二次組裝生產(chǎn)線布局繁瑣，零件流轉周期增加，導致整體生產(chǎn)效率大幅降低。且在第一次焊接油箱內部時，由于單面開口剛度不如整體組裝的油箱，焊后更容易發(fā)生內凹變形，因此需要增加額外的支撐架，并在二次組裝時拆除，這會進一步影響自動化焊接效率。

綜上所述，順序1更適合于機器人自動化焊接，而單面焊雙面成形的技術可以嘗試，因此確定順序1為本油箱最終試驗工藝，試驗目的之一是確認油箱焊后的密封和變形合格。

3.4 試驗結果分析

（1）焊接變形 研究表明：構件想要同時獲得較小的焊接變形與焊接應力非常困難。在焊接時，油箱受到工裝固定夾緊，即較大拘束時，焊后的變形小，但相應的殘余應力會加大。相反，在焊接時，雖然減少裝夾的剛性固定，油箱的焊后殘余應力能得以控制，但焊后將出現(xiàn)較大的變形量（見圖4），甚至在焊接過程中就會出現(xiàn)焊槍的定位偏差，直接影響自動焊接的連貫性[6]，此舉將導致自動焊接中斷。故在自動焊接過程中，還是會優(yōu)先注重焊接變形。

圖4 焊接試驗焊后變形

薄板焊接變形分為整體與局部。整體變形是指焊接作業(yè)完成后整個結構的比例與尺寸等大參數(shù)發(fā)生的變形，包括橫向變形、縱向變形、彎曲變形和扭曲變形等。局部變形則包括波浪變形和角變形。其中角變形是指在焊后使得兩連接件的相對角度發(fā)生了變化，這是由于接頭處沿板厚方向溫度不均勻分布造成橫向收縮不一致引起的。

第一次試焊后測試油箱長寬高三個尺寸變化量及六個平面的變形情況，結果總長度寬度與高度尺寸增加0～1mm。平面的變形則是，其中5個平面的變形均在1～4mm，最大變形出現(xiàn)在帶方孔的上平面，整個上平面呈向下凹陷狀態(tài)，最大變形處位于平面的中心附近，達到11mm，這屬于典型的焊接角變形。造成這種現(xiàn)象的主要原因是油箱采用外側單面焊接，導致厚度上的不均勻收縮。角變形大小的直接影響因素是鋼板的剛度（板厚與缺口）和溫度不均勻分布的程度（焊接速度、熱輸入和熔深等）。相比較其余平面，此上平面由于開了大面積的方形孔，剛性最差，最大變形處既是平面剛度最差的部位，又是方形孔的角變形處，兩者疊加導致。

從焊縫來看，油箱的接頭均屬于角焊縫，T形接頭，焊接熔深已處于較低水平，熔深過淺則容易導致油箱出現(xiàn)漏油，且板厚直接影響材料成本和油箱容量難以變動，便需要從提高油箱結構剛度和減少熱輸入及優(yōu)化焊接順序等著手解決此問題。

第二次試焊時，調整油箱的焊接順序，先焊接平面四周連貫的邊焊縫，再焊接平面上的方形孔，同時減少方形孔的焊接電流和機器人焊槍移動速度，并增加方形孔的焊縫點焊位置，焊點間距縮小至200mm以下，且焊前將此法蘭與蓋子采用螺釘初步固定，以提高其剛度，焊后此面變形最大量檢測為4mm。

（2）焊縫外觀質量 焊縫為非常均勻美觀的魚鱗紋，如圖5所示。焊縫外表面有雜質浮點，能用鐵棒輕易敲下，并且焊縫周圍的飛濺控制的較為理想，在后續(xù)的噴丸工序中可以去除。這是采用船型焊的優(yōu)勢。歐陽帆[7]研究對比了船型焊與平角焊的區(qū)別，得出船型焊可以克服平角焊產(chǎn)生的咬邊、焊腳不均勻等缺陷，焊接效率更高。

圖5 焊接試驗焊縫質量

圖6 焊接試驗漏油改進前后對比

（3）焊縫滲漏質量 根據(jù)注塑機油箱的使用壓力，選擇煤油涂刷法來檢測。采用毛刷蘸上煤油后，涂刷于油箱內部的焊縫及周圍5mm范圍，特別是油箱的直角焊縫搭接處，等待10～15min，觀察油箱外表面是否有液態(tài)煤油滲漏。

一次試驗焊后發(fā)現(xiàn)除了包角處理的兩個角落未滲油，其余6個角落都滲油；而焊縫連續(xù)處都正常，如圖6所示。分析原因，應該是焊縫與焊縫銜接的接頭處容易出現(xiàn)未焊透的缺陷，從而產(chǎn)生漏油，特別是兩條垂直焊縫或三條垂直焊縫交叉的油箱頂角處滲漏的可能性更大。在人工焊接時可以焊后肉眼觀察并對接頭進行磨后補焊，但從自動焊接角度看，焊接機器人雖然高效但無法自檢焊接效果。顯然不能使大批量的漏油油箱留到焊后檢查返工，否則自動化生產(chǎn)效率將得不到體現(xiàn)。解決辦法是在自動焊接時，焊槍配合油箱變位裝置，使焊縫圓滑過渡，盡量減少焊縫的搭接與焊縫數(shù)量。并且，直角焊縫在編程時應使后道焊縫在熄弧前多向前搭接5～10mm，確保焊縫完整。

（4）焊接效率 焊接第二件時中間過程較為順利，基本無停頓，共耗時42min。相比人工焊接，主要是節(jié)省了油箱翻轉時間，以及人工需休息的時間。

4 結束語

通過對注塑機油箱自動焊接工藝分析，并進行試制試驗研究，最終實現(xiàn)了注塑機油箱焊接自動化表面質量優(yōu)良，焊接變形平面翹曲≤5mm，并且自動焊接時間共耗時42min，是手工焊接效率的2倍，實現(xiàn)了減輕焊接工人勞動強度的目的，也取得了很好的經(jīng)濟效益。