工業機器人焊接工藝研究

吳福森

（國家特種機器人產品質量監督檢驗中心，福建泉州 362021）

0 引言

隨著我國工業的縱深化發展，在焊接領域，機器人焊接正在逐步取代傳統的手工焊接[1]。但由于機器人焊接與傳統手工焊接工藝存在較多的差別，機器人焊接工藝目前還沒有標準的焊接工藝數據庫，以至于在生產實踐中，工人需要對焊接焊件機器人進行多次重復試驗，才能獲得較好的焊接參數，影響了焊接效率也浪費了焊接材料[2]。

本文以MIG氣保焊為例，采用庫卡KR5ARC機器人和奧太MAG-350RPL焊機（氣冷）的組合[3]，使用80%Ar+20%CO2的混合氣體對Q235板材進行焊接。分別針對不同的板材厚度進行組合焊接對比試驗，獲得Q235碳鋼的工業弧焊機器人焊接參數配置。本文介紹的實驗方法可以用于其他焊接模式、焊接對象的最佳焊接參數實驗，有利于從事機器人焊接的相關人員進行參照借鑒，研究機器人焊接的工藝參數庫。

1 實驗設備和材料

圖1 弧焊站示意圖

如圖1所示，本文采用的弧焊站設備[4]包括1KUKA公司研發的6軸弧焊機器人KR5ARC1、山東奧太電氣有限公司研制的弧焊電源MAG-350RPL（氣冷）機2、TBI清槍機3、混合氣瓶4、強制排風系統5、變位機6等。其中，MAG-350RPL（氣冷）機默認的電流與送絲速度的關系如表1所示。

表1 MAG-350RPL機近控電流與送絲速度關系

針對工業機器人MIG焊，使用Q235材質板材[5]，如圖2所示，試件進行焊接實驗，試件的零件參數如表2所示，該試件包含了平焊縫、水平外角焊縫、立向外角焊縫、立向內角焊縫等，各焊縫經不同厚度板材組合成型。焊絲使用的是金橋焊材不銹鋼藥芯焊絲JQ-308L，直徑為1.2 mm。

圖2 試件尺寸及裝配圖

表2 焊接試件零件尺寸參數

2 焊縫標準

機器人姿態好，焊接過程中有利于保護氣體充分發揮保護作用。根據現有的碳鋼厚度3 mm、6 mm進行組對，如表3所示各個焊縫類型分別有1到多條相同厚度的焊縫，在這里為了使焊縫焊接變量一致，在焊接相同類型不同位置的焊縫時，使用轉向器將焊縫位置改變，使機器人焊接方式一致。

表3 焊縫類型對應材料編號

焊縫成形系數在GB/T3375-1994中定義為：φ=B/H（焊縫成形系數φ、焊縫寬度B、焊縫計算厚度H）[6]。間隙為1 mm的蓋板工藝要求雙面成型所以焊縫成形系數φ＞1.3，且焊縫反面需要有融化的焊絲成型。

焊縫為3 mm和3 mm的水平外角焊縫、焊縫為3 mm和6 mm的水平外角焊縫、焊縫為3 mm和6 mm的立向外角焊縫、焊縫為6 mm和6 mm的立向外角焊縫等要求焊接邊緣的焊縫飽滿，又因為在焊接過程中焊點溫度會融化焊件[7]，所以通常情況下允許融化0.5～1.0 mm，也就是說焊縫寬度B=幾何拼接斜邊+0～1.0，所以以焊縫為3 mm和3 mm的水平外角焊縫為例，在不焊穿焊件的情況下如圖3所示，其允許焊縫寬度范圍為4.24 mm≤B＜5.7 mm。

圖3 3×3水平外角焊縫融寬范圍示意圖

3 實驗過程

在KR5ARC機器人和MAG350RPL（氣冷）機配置完畢之后，使用焊接機器人前先對實驗材料焊件按圖1進行裝配，固定在變位機上。

確認KR5ARC機器人周圍無障礙物后打開強制排風系統[8]、MAG350RPL（氣冷）機、TBI清槍機，旋開混合氣，最后開啟KR5ARC機器人的控制柜電源，待啟動完畢后按下外部啟動鍵。使用XYZ 4點法建立TCP點，移動機器人使得TOOL坐標系的X、Y、Z軸分別與WORLD坐標系的Z、Y、X平行，建立工具坐標系。手持示教器，點擊文件夾Program，再任意選1個程序點擊，最后點新就新建1個程序。選中新建程序點擊選定進入程序示教編程。SLIN（機器人直線運動指令）、SPTP（機器人點到點運動指令）、ARCON（機器人對焊機起弧指令）、ARCSWI（機器人對弧延續指令）、ARCOFF（機器人對焊機熄弧指令）。圖3所示焊接參數設置按照焊縫路徑通過各指令進行編程。

編程完畢后，進入程序修改界面后再進入數據更改界面修改各項參數。

4 焊接工藝參數分析

在實驗過程中發現，焊接模式、焊機電流、焊接速度、機器人擺動、保護氣均會對焊接工藝產生影響，以下各舉1個例子進行焊接工藝分析。

4.1 焊接模式

設置焊機電流為165 A、送絲速度為4.1 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機器人速度30 cm/min、擺動方式為不擺動，選用材料為焊縫6 mm和6 mm的立向外角焊縫（2號板材和10號板材、5號板材和6號板材、6號板材和8號板材），如圖4所示。

圖4 焊接模式對6 mm和6 mm立向外角焊縫的影響

立向內角焊接焊槍與水平面呈-15°夾角，與垂直方向呈105°夾角焊絲伸長1 cm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機器人運動方向相反（機器人焊接方向由上到下）。相比于正常焊接（弧長修正值為0），弧長修正值為正值焊縫的熔深加深，弧長修正值為負值焊縫的熔深變淺[9]。

焊縫為6 mm和6 mm的立向外角焊縫等要求焊接邊緣的焊縫飽滿，在不使焊件穿的情況下其允許焊縫寬度范圍為8.49 mm≤B＜9.9 mm。從圖5中可以看到編號26和編號33的熔寬符合要求。而編號30，因為脈沖模式會使焊件融化的更多，所以不適合立向外角焊縫。焊縫為6 mm和6 mm的立向外角焊縫，低飛濺模式跟恒壓模式[10]的熔寬相差不大，3種模式下熔深差別不大。

圖5 焊接模式對6 mm和6 mm立向外角焊縫焊接數據

4.2 焊機電流

設置送絲速度為5.4 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機器人速度120 cm/min、焊接模式為脈沖不擺動，選用材料為3 mm和3 mm拼接成的間隙為1 mm的蓋板（11號板材和12號板材）。水平焊接焊槍與水平面呈75°～85°夾角，焊絲伸長1 cm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機器人運動方向一致。間隙為1 mm的蓋板工藝要求雙面成型所以焊縫成形系數φ＞1.3，且焊縫反面需要有融化的焊絲成型。圖6為在不同焊接電流下對3 mm和3 mm間隙1 mm水平焊縫焊接影響。

圖6 在不同焊接電流下對3 mm和3 mm間隙1 mm水平焊縫焊接影響

從圖7可以看出焊縫成形系數φ＞1.3，只有編號54符合要求，此時電壓為22.7 V、熔寬7.51 mm、余高2.23 mm、熔深5.5 mm，而且在電流為165 A時熔寬、余高、熔深均在相對峰值點。

圖7 焊接電流下對3 mm和3 mm間隙1 mm水平焊縫焊接數據

4.3 焊接速度

設置焊機電流為105 A、送絲速度為3.3 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、焊接模式為低飛濺模式且不擺動，選用材料為3 mm和3 mm拼接成的水平外角焊縫（3號板材和12號板材、4號板材和12號板材）。如圖8所示，采用外角水平焊接焊槍與水平面呈45°～75°夾角，與垂直方向呈45°夾角焊絲伸長10 mm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機器人運動方向一致。經測量，3mm和3 mm的水平外角焊縫在不使焊件穿的情況下其允許焊縫寬度范圍為4.24 mm≤B＜5.7 mm。

圖8 機器人運行速度對3 mm和3 mm水平外角焊縫焊接的影響

如圖9所示，隨著機器人運行速度的增加熔寬、熔深值均略微降低。想要獲得符合要求的參數配比此時需要降低電流值，或者提高機器人運行的速度。

圖9 機器人運行速度對3 mm和3 mm水平外角焊縫焊接數據

4.4 擺動方式

設置焊機電流為120 A、送絲速度為2.8 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機器人速度為36 cm/min、焊接模式為低飛濺模式，選用材料為焊縫3 mm和6 mm的立向外角焊縫（2號板材和3號板材、4號板材和5號板材）。如圖10所示，采用立向外角焊接焊槍與水平面呈-15°夾角，與垂直方向呈105°夾角焊絲伸長1 cm，焊絲末端與焊縫間隙12～15 mm，方向與機器人運動方向相反（機器人焊接方向由上到下）。焊縫為3 mm和6 mm的立向外角焊縫在不使焊件穿的情況下其允許焊縫寬度范圍為6.71 mm≤B＜8.1 mm。

圖10 擺動方式對3 mm和6 mm立向外角焊縫的影響

如圖11所示，低飛濺模式下焊縫3 mm和6 mm的立向外角焊縫，不擺動使得焊縫的熔深加深，熔寬減小而三角擺動和梯形擺動方式的熔深較淺[11]。梯形擺動焊出來的焊縫接近于人工魚鱗焊的效果但是擺動幅度過大使得焊寬超過了標準范圍，三角擺動方式符合在焊機電流為120 A、送絲速度為2.8 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機器人速度為36 cm/min、焊接模式為低飛濺模式下的熔寬要求（6.71 mm≤B＜8.1 mm），均值7.16 mm。螺旋擺動符合熔寬要求焊縫成型較完好。

圖11 擺動方式對3 mm和6 mm立向外角焊縫數據

4.5 保護氣

設置焊機電流為135 A、送絲速度為3.3 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機器人速度35 cm/min、焊接模式為低飛濺模式且不擺動，選用材料為焊縫為3 mm和6 mm的水平外角焊縫（2號板材和11號板材、6號板材和11號板材、2號板材和12號板材、5號板材和12號板材、6號板材和12號板材），如圖12所示。

圖12 保護氣體方向對3 mm和6 mm水平外角焊縫的影響

如圖13所示，焊縫為3 mm和6 mm的水平外角焊縫的MAG焊（熔化極活性氣體保護焊）保護氣體的作用是隔絕空氣中的水蒸氣，同時有支持或吹動熔融焊絲。沒有保護氣體的短時焊接容易造成焊縫氣泡過多且表面不平滑，反向吹起則容易堆積，垂直吹起會造成咬邊不均勻。

圖13 保護氣體方向對3 mm和6 mm水平外角焊縫數據

4.6 工藝參數匯總

3 mm和3 mm拼接成的水平外角焊縫，送絲速度為3.3 m/min、焊絲直徑為1.2 mm、機器人速度40 cm/min焊接模式為低飛濺模式且不擺動的情況下，提高電流值熔寬增寬，熔高升高；焊縫為3 mm和3 mm的水平外角焊縫（3號板材和12號板材、4號板材和12號板材），焊接時焊槍與水平面呈45°～75°角，與垂直方向呈45°角，方向與機器人運動方向一致。最適焊接參數配置如圖14所示。

圖14 最適焊接參數配置表

5 結束語

本文研究結果說明了機器人焊接過程中，焊接工藝參數的正確選擇對焊接質量起著關鍵性的影響。從本文的試驗總結出探索機器人焊接工藝參數的試驗方法，得出機器人焊接工藝參數的優化是存在一定的內部關聯性。同時，通過本文的研究也解決了目前機器人焊接工藝與傳統焊接工藝在理解上的沖突問題，創新性地把傳統焊接工藝與機器人焊接工藝進行融合分析，為機器人焊接的應用推廣奠定了良好的理論基礎。