FANUC焊接機器人在連鑄扇形段中的堆焊技術研發及應用

張 佩

（江蘇省常州市寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213022）

1 背景及行業現狀

焊接技術是裝備制造業中的核心技術之一。傳統鋼結構件的焊接多依賴人工，但是面對國內外市場的激烈競爭，面對企業勞動力成本、環保要求的不斷提高，焊接技術工人的短缺，產品焊接工藝技術質量、生產效率要求的不斷提高，傳統的生產方式已經無法滿足要求。自動化焊接設備效率高、焊接性能好、多功能、有利于實現焊接機械化和自動化等優點，正逐步成為焊接設備的主流，其中焊接機器人就是最具代表性的自動化焊接設備。

連鑄設備是各大鋼廠的重要設備，其中扇形段包括扇形段框架及其他關鍵零部件，涉及大量大熔深坡口焊接以及表面堆焊。目前焊接機器人主要應用于點焊，例如汽車行業；也較多應用于批量、小型焊接件的弧焊，以角焊縫、≤10mm坡口為主，焊接量較少，焊接路徑相對簡單，焊接程序多以定義路徑點為主，基本不涉及循環指令、偏移指令。

2 研究重點、過程及結果

焊接機器人在重工行業大焊接量的應用案例很少，主要有以下幾個難點：①持續工作時間長；②多層多道焊接；③批量零件的裝夾定位；④焊接機器人程序設計；⑤焊接質量控制。研究過程重點如下：

2.1 設備選型

焊接機器人及其零配件的選型需考慮機器人的覆蓋范圍、可用焊絲種類、穩定性、焊接電源性能等方面因素。世界四大機器人品牌KUKA、ABB、FANUC、安川各有特點，運動控制系統ABB最好，但是價格較高；KUKA的人機界面符合國人的操作習慣，但同樣價格高，且故障率較高；安川機器人價格便宜，穩定性好，但是重復定位精度略差；國產機器人價格便宜，但運動控制系統較差，無法實現一些循環、寄存器功能；FANUC專注于數控系統，市場占有率高，重復定位精度高，但負載性能略差。

主要產品座塊如圖1所示，材質為Q345D+N，圖紙要求槽底面堆焊不銹鋼，硬度HB200~300，堆焊層成品厚度2mm。考慮焊接變形等因素，將堆焊層加深2mm，即成品4mm，再考慮加工余量，需堆焊7-8mm，即需堆焊2層。

產品需求：①批量堆焊；②堆焊層厚度統一；③堆焊不能出現塌邊或缺陷；④最終硬度需要符合圖紙要求；⑤使用氣保焊，實心焊絲；⑥連續工作時間長。

綜合考慮以上內容分析如下：①為保證批量操作、堆焊層厚度統一及不出現塌邊，需要重復定位精度高；②長時間工作需要機器人和焊接電源故障率低；③硬度符合圖紙要求焊接電源輸出穩定，通過比較最終選擇FANUC焊接機器人，優點如下：

（1）FANUC焊接機器人M10ia/8L，覆蓋半徑2m，重復定位精度高。

（2）FANUC焊接機器人控制柜R30iB-A柜，具備后期擴展3個外部軸的能力，實現復雜曲線的焊接。

（3）FANUC配套焊接電源SFP-P500iA及送絲機，額定暫載率高，經過FANUC調校優化，使用DeviceNET數字量通訊方式與控制柜和機器人通訊，實現迅速、準確、穩定的焊接參數輸出；支持一元化參數功能，即只需要調節焊接電流或送死速度，焊接電壓可根據所選模式自動匹配；支持直流和雙脈沖焊接。

（4）德國進口TBI帶防碰撞傳感器水冷焊槍，能夠進行長時間的焊接作業。

（5）FANUC焊接機器人在粉塵等惡劣環境中每3年才需要進行更換潤滑油保養，3年內只需日常維護和更換電池即可，維護成本低。

2.2 試驗過程

在正式投產前，需要對堆焊產品進行試驗，主要目的是調試各項焊接參數、焊接路徑及堆焊層硬度。

2.2.1 坐標系設定

機器人是按照設定好的坐標系、運動方向、運動速度行進的。焊接機器人的坐標系主要有工具坐標系、世界坐標系和用戶坐標系。工具坐標系指焊槍的坐標系，定義工具坐標系后機器人的直線運動和旋轉運動都以焊絲尖為基準進行，直接關系焊槍的定位精度；世界坐標系是機器人本體的坐標系，是以機器人1軸為中心的固定坐標系；用戶坐標系是用戶可以自己定義的坐標系。零件堆焊的平臺按照需要擺放在不同角度，這就需要根據平臺位置設定不同的用戶坐標系。用戶坐標系的靈活運用可以讓1臺機器人覆蓋多工位，提升工作效率，但是也對平臺的平面度和穩定性提出很高要求，因此平臺必須機加工后才能使用，并固定在車間地面，避免移動。

2.2.2 產品尺寸精度

在使用機器人前，座塊槽有的是直接火焰切割出；有的是只加工槽，外形不加工。如果每次只堆焊1個座塊，只加工槽不加工外形可以滿足要求，但是火焰切割外形無法保證垂直度、平行度，每個座塊放到固定的平臺上，無法保證機器人的起弧點和收弧點在相同位置，會影響堆焊區域和堆焊質量，每次都需要重新定義起弧收弧點，將大大降低焊接效率。

因此座塊外形和槽均改為機加工，定位裝夾使用的面均要求保證垂直度和平行度在0.1mm以內。這樣平臺1次可以裝夾多個座塊，配合機器人的高精度，只需要找正1次位置；換一批座塊，只需要按開始按鈕就可以繼續焊接，而且1個人完全可以控制兩臺機器人，焊接效率大大提升。

2.2.3 程序設計

我曾見過某企業使用國產機器人堆焊座塊，一排裝夾8個座塊，單個座塊使用卷尺劃線定義了30個點，然后每個座塊定義不同的坐標系。在試驗時發現定義點位置不合理，需要重新劃線、重新定義30個點，調試進度非常緩慢，而且卷尺劃線無法保證每道焊縫的偏移量一致，焊接質量無法保證。

因此程序中定義點位應盡量少，在產品機加工精度保證的前提下，通過偏移、循環等指令讓機器人自動完成每個座塊的多層多道焊接，程序中指定每道焊縫的偏移量，焊縫成形美觀，熔合質量高。

2.2.4 工裝設計

保證定位精度除了要求產品本身機加工精度高，對裝夾工裝的精度要求也很高。文章前面已經介紹過，裝夾工裝影響機器人用戶坐標系的定義。如果工裝精度差，用戶坐標系精度就受影響，無法保證機器人行走方向和工件裝夾方向一致，導致堆焊面出現未熔合等問題。

因此根據座塊的特點設計了專用裝夾工裝，座塊裝夾在可移動平臺上，通過快速扳手壓緊，可移動平臺可更換，便于座塊的上下料；兩個座塊間使用銅板隔開，為了防止焊接塌邊，一般都以貼磁條的方式，但是座塊批量堆焊顯然不適合貼磁條。經過不斷嘗試新材料新方法，最終找到磁條的最佳替代品-紫銅。紫銅近似于純銅，熔點為1083℃，與Q345D材料不易焊接到一起，可以重復利用。

以上試驗根據不同座塊尺寸，通過焊縫成型、機加工、熱處理前后硬度對比等結果，最終確定了起弧收弧點位置、焊縫偏移量、總焊接道數、焊接速度等參數。

2.3 試驗結果

2.3.1 焊接參數

最終每次裝夾，只需以位置寄存器的方式示教定義4個點位，即可以開始自動焊接，準備時間少，操作難度小。如果更換同規格的座塊，無需再次進行示教就可以開始堆焊。

程序中所有需調整焊接參數均在程序開頭以數值寄存器形式定義，編輯數值寄存器名稱，便于理解該參數用途。程序其余部分所有參數均以相應數值寄存器代替，不需要重復修改。

2.3.2 起弧位置

為了達到圖紙要求的堆焊厚度及良好的焊縫成型，焊接過程分為兩部分：兩側槽和平面，圖2分別標識出了堆焊槽和平面時最佳焊槍角度和起弧位置。在每次示教起弧收弧點時，以此為參考，使用鋼皮尺測量焊槍前端氣罩距堆焊面的距離。確保測量時，焊絲伸出氣罩約15mm，因為定義焊槍的工具坐標系是以伸出氣罩的焊絲尖為參考。

圖2 焊接裝夾的角度示意圖

2.3.3 堆焊層數和硬度

以上所有的試驗都是為了座塊最終符合圖紙要求的成分、硬度和加工余量。前期通過做PQR（焊接工藝評定），確定使用ER430焊絲進行堆焊。

試驗用機器人堆焊了4件座塊，均使用哈焊所的ER430不銹鋼實心焊絲。其中2件堆焊1層、2件堆焊2層，堆焊完成后按照0.5~1mm的落差銑出多檔臺階，送熱處理580°回火，回火前后均使用便攜式里氏硬度計打硬度。

由最終數據可見，堆焊1層回火前硬度范圍HB385~447，回火后硬度范圍HB247~290；堆焊2層回火前硬度范圍HB279~437，回火后硬度范圍HB224~277。但是堆焊1層的座塊僅能保證有效堆焊層厚度3~3.5mm，即加工余量為1~1.5mm，余量較少，因此確定堆焊2層，保證有效的加工余量。

圖2所示外圈為回火前硬度曲線，內圈為回火后硬度曲線，由曲線可見，回火后硬度均勻且符合圖紙要求。

3 效率提升和經濟效益

正式投產后，通過1個月的試生產，每人每班開1臺機器人，按照座塊尺寸不同可以堆焊約24~42個座塊，而人工堆焊時，每人每班僅能產出11~18件，效率大大提升。目前熟練的操作人員已經可以1人開2臺機器人，效率提升翻倍。

提升效率的同時，焊絲消耗也比人工堆焊降低約15%；降低焊絲消耗時也降低了氣體等輔材的消耗；效率提升后每個座塊攤到的人工成本也大幅下降。通過測算，每個座塊的總堆焊成本平均可以下降15元，每年需堆焊6000~8000個座塊，共可節約9~12萬，具有非常可觀的經濟效益。

另外焊接質量也顯著提高，以前手工堆焊硬度不均勻且缺陷多，機加工車間加工1個座塊面就需要更換刀片；機器人堆焊的座塊，加工4個座塊面才需更換刀片，每個項目約可以節約刀片費用4~5萬元，并減少了因為堆焊不良返修造成的機床停工損失。