齒軌座雙機(jī)器人協(xié)同焊接工藝研究

楊澤坤，董曼淑，肖秀程，趙寶，付傲，李洪濤，黎榮波

1.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

2.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753000

3.深圳常順力達(dá)特種設(shè)備技術(shù)咨詢有限公司 廣東深圳 518000

1 序言

齒軌座是刮板輸送機(jī)的重要零件，適用于煤礦井下用刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)的中部槽部分，將齒軌座焊接在中部槽的槽幫上，齒軌座上放置齒軌[1]。由于齒軌座承受著采煤機(jī)通過(guò)齒軌傳遞過(guò)來(lái)的交變載荷，不僅工作條件十分惡劣，而且齒軌座焊接路徑復(fù)雜，存在大量的異形曲線焊道，所以對(duì)齒軌座焊接要求尤為嚴(yán)格。齒軌座和槽幫焊接屬于異種高強(qiáng)鋼焊接，為了避免焊后出現(xiàn)冷裂紋，需要在焊前進(jìn)行預(yù)熱，而預(yù)熱溫度一般為130℃以上，在此高溫下工人無(wú)法連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間保證高質(zhì)量焊接，不僅導(dǎo)致生產(chǎn)效率和質(zhì)量的降低，而且在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體影響焊工的身體健康。近些年，隨著機(jī)器人焊接逐漸成為國(guó)內(nèi)外煤機(jī)、軌道交通等行業(yè)焊接制造的熱點(diǎn)，機(jī)器人焊接對(duì)于減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要意義[2,3]。哈爾濱焊接研究院有限公司聯(lián)合寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)新型齒軌座雙機(jī)器人柔性焊接系統(tǒng)，配合高精度夾具和變位機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了基于雙機(jī)器人協(xié)同焊接，并進(jìn)行相應(yīng)的焊接工藝研究，大幅度提高了生產(chǎn)效率。

對(duì)于智能雙機(jī)器人協(xié)同焊接工藝的研究而言，主要意義在于減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短示教再現(xiàn)編程時(shí)間，提高焊接質(zhì)量和效率。針對(duì)齒軌座雙機(jī)器人焊接技術(shù)，重點(diǎn)需要解決始端尋位位置的選取，電弧跟蹤穩(wěn)定性調(diào)整，多層多道焊接工藝優(yōu)化開(kāi)發(fā)，雙機(jī)器人焊接接頭處理，以及焊接順序的選取等問(wèn)題。

2 始端尋位和電弧跟蹤設(shè)定

工件在上下料、組對(duì)的過(guò)程中難免會(huì)存在誤差，導(dǎo)致焊接起始位置存在一定差異；且由于在焊接的過(guò)程中工件會(huì)產(chǎn)生一定的變形，因此在同一焊縫中，已焊接的部分產(chǎn)生的變形會(huì)導(dǎo)致未焊接的部分產(chǎn)生偏移。為了保證焊接質(zhì)量，適應(yīng)自動(dòng)化外控設(shè)備，要求機(jī)器人在焊接時(shí)能夠自動(dòng)尋找焊縫的起始位置與正確的焊接方向，并且在起焊后根據(jù)電弧的規(guī)律性擺動(dòng)而導(dǎo)致弧壓的變化，通過(guò)內(nèi)置軟件監(jiān)測(cè)電弧長(zhǎng)度

對(duì)弧壓的影響，計(jì)算出電弧相對(duì)于焊縫中心的距離并隨之調(diào)整。對(duì)于齒軌座焊接而言，由于齒軌座鑄件由人工定位焊在方孔板與面板上，所以相對(duì)位置無(wú)法保證完全一致，這就對(duì)自動(dòng)化焊接帶來(lái)了一定程度的困難。

通過(guò)設(shè)定合理的始端尋位方式和位置，針對(duì)產(chǎn)品工件的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)定不同電弧跟蹤參數(shù)，從而確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。當(dāng)工件位置發(fā)生偏移時(shí)，機(jī)器人通過(guò)預(yù)先設(shè)置的程序進(jìn)行接觸式尋位，當(dāng)接觸到工件時(shí)，尋位停止，通過(guò)程序計(jì)算出實(shí)際位置與示教編程時(shí)工件表面位置的偏差，而后將偏差加入到示教時(shí)的焊接位置，修正焊接位置，以糾正裝夾、組對(duì)以及焊接時(shí)所產(chǎn)生的焊接位置的偏差，從而來(lái)保證焊接質(zhì)量。由于焊接位置和焊道形狀的不同，因此尋位位置、尋位方式以及尋位順序均不相同?，F(xiàn)針對(duì)不同焊縫進(jìn)行尋位分析，由于面板與槽幫的焊道受到空間幾何結(jié)構(gòu)的限制，所以只適合二維尋位方式，即在Y、Z方向進(jìn)行尋位，其他位置為了保證尋位的準(zhǔn)確性，均選擇三維尋位方式，即在X、Y、Z方向進(jìn)行尋位，可以選擇用焊絲端部進(jìn)行觸碰尋位，也可以用焊絲側(cè)面進(jìn)行尋位，且兩種方式交替使用更能夠適應(yīng)不同的空間結(jié)構(gòu)。尋位位置如圖1所示，通過(guò)多次試驗(yàn)確定均能有效地尋到焊道的起點(diǎn)。

圖1 主要焊縫始端尋位

3 多層多道焊接工藝

由實(shí)際情況可知，對(duì)于角焊縫而言，當(dāng)焊腳尺寸>10mm時(shí)，如果采用單層焊接方法，要保證足夠的焊腳尺寸則需要增加熱輸入，從而導(dǎo)致焊縫較寬、坡度較大，以及熔敷金屬出現(xiàn)下淌的現(xiàn)象[4-6]。對(duì)于多層多道焊而言，可以使用相對(duì)較小的熱輸入進(jìn)行小電流高速焊接，前一道焊道相對(duì)后一道焊道起到預(yù)熱作用，后一道對(duì)于前一道相當(dāng)于正火，改善二次組織，從而提高焊縫塑韌性，這對(duì)于齒軌座焊接意義巨大。因此，開(kāi)發(fā)雙機(jī)器人多層多道焊接工藝十分必要，現(xiàn)基于EN 25817—2003標(biāo)準(zhǔn)C級(jí)進(jìn)行大量工藝試驗(yàn)，焊接參數(shù)見(jiàn)表1，電流模式選擇直流非脈沖焊接。

表1 FANUC機(jī)器人焊接參數(shù)

打底焊道選擇擺動(dòng)是為了使用電弧跟蹤功能，在電弧跟蹤的糾正作用下可以降低齒軌座對(duì)裝配和編程精度的要求，擺動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 打底焊道擺動(dòng)主要參數(shù)

通過(guò)對(duì)于實(shí)際齒軌座工件的試驗(yàn)，得出上述擺動(dòng)參數(shù)，在±5mm之內(nèi)都可以糾正焊道軌跡，配合電弧傳感功能以及恰當(dāng)?shù)钠屏课恢眉拇嫫?，可以快速地?shí)現(xiàn)多層多道焊縫的編程和焊接，如圖2所示。

圖2 齒軌座多層多道焊接

4 焊接接頭處理

對(duì)于雙機(jī)器人協(xié)同焊接而言，由于雙機(jī)器人的特性，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)起弧端和收弧端相交；由于起弧前工件溫度較低，因此起弧后要使母材和填充材料熔合，就必須使母材的溫度達(dá)到其熔點(diǎn)，這一過(guò)程有較大的溫度梯度，需要在起弧時(shí)加大電流和等待一定時(shí)間來(lái)提高熱輸入量給母材加熱，導(dǎo)致起弧點(diǎn)填充材料增多，在起弧階段會(huì)形成一個(gè)相對(duì)于焊縫較寬的起弧接頭。而收弧時(shí)會(huì)出現(xiàn)弧坑，這是因電流衰減時(shí)間較短、收弧處熔敷金屬量少所致。由于弧坑處的強(qiáng)度薄弱，在相變應(yīng)力和拘束應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生微裂紋，所以起弧和收弧的交接處是雙機(jī)器人焊接的薄弱位置，如果處理不好會(huì)產(chǎn)生夾渣、氣孔、未熔合、應(yīng)力集中等缺陷，造成焊件失效。因此最關(guān)鍵的是通過(guò)焊接工藝的調(diào)整，改善雙機(jī)器人焊接起弧和收弧交界處的外觀形貌和力學(xué)性能，通過(guò)觀察齒軌座設(shè)備的放置位置和工件特性，優(yōu)先確定焊接方向。

為了避免兩臺(tái)機(jī)器人在焊接過(guò)程中發(fā)生干涉現(xiàn)象，故選擇同向施焊，焊接方向如圖3所示。由于齒軌座焊接是通過(guò)兩層四道焊接形式以達(dá)到既定的15mm焊腳尺寸，所以會(huì)在方孔板中央出現(xiàn)4次起弧與收弧相交，而每次交界處的參數(shù)與位置都需要考量，以避免在該處產(chǎn)生焊接缺陷。由于打底焊需要保證足夠的焊接熔深，增加焊縫的強(qiáng)度，因此打底焊電流參數(shù)都比較大，這樣不但起弧和收弧處的參數(shù)需要相對(duì)于正常焊接電流小一些，而且為了保證焊接接頭外觀形貌上的均勻性，保證起弧和收弧交界處有足夠的搭接長(zhǎng)度，應(yīng)使搭接長(zhǎng)度不低于弧坑長(zhǎng)度。

圖3 焊接方向和焊接接頭

第二層的三道焊縫也需要相互交錯(cuò)搭接，以防在接頭處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成接頭失效。基于EN 25817—2003標(biāo)準(zhǔn)C級(jí)進(jìn)行大量工藝試驗(yàn)得出合適的焊接參數(shù)，起弧和收弧參數(shù)見(jiàn)表3，接頭交錯(cuò)搭接（見(jiàn)圖2）。按照ISO 5817—2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊后外觀形貌目視檢測(cè)，基于相控陣探傷儀進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示接頭內(nèi)部無(wú)裂紋、夾渣、未熔合等缺陷，焊接效果良好。

表3 起弧和收弧處機(jī)器人焊接參數(shù)

5 焊接順序選取

焊接機(jī)器人是齒軌座焊接的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以示教再現(xiàn)配合離線編程方式進(jìn)行焊接軌跡編程。由于齒軌座是以角焊縫焊接在面板和方孔板上，因此受焊道曲線復(fù)雜、空間結(jié)構(gòu)受限等原因不適合雙絲焊接。為了提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量，采用雙機(jī)器人單絲同向焊接工藝；另外，為了避免在焊接過(guò)程中出現(xiàn)因焊接變形而導(dǎo)致焊道誤差較大，甚至無(wú)法焊接，以致于產(chǎn)生壞件、廢件，提高企業(yè)生產(chǎn)成本，故需要設(shè)定合理的焊接順序來(lái)避免上述問(wèn)題。

通過(guò)理論分析和優(yōu)化試驗(yàn)確定以下焊接順序：1）在齒軌座四周均勻分布采用斷續(xù)焊進(jìn)行定位焊，在面板與方孔板、槽幫兩端進(jìn)行定位焊。

2）施焊面板和槽幫背面異形曲線，進(jìn)行多層多道焊接，對(duì)前道焊縫相當(dāng)于進(jìn)行正火處理，既滿足焊腳尺寸，又提高了焊縫的力學(xué)性能。

3）施焊面板與槽幫正面搭接焊縫。此時(shí)面板和槽幫構(gòu)成整體，避免產(chǎn)生焊接變形。

4）通過(guò)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)進(jìn)行齒軌座與面板和方孔板的多層多道焊接，使其保證焊縫處于理想的平角焊縫位置。

5）進(jìn)行面板與方孔板焊接，確定齒軌座、面板、方孔板、槽幫之間的相對(duì)位置，減小焊接變形。平均每套齒軌座雙機(jī)器人協(xié)同焊接裝備可在60min之內(nèi)完成齒軌座組件的全部焊接工作，焊接質(zhì)量符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)設(shè)定合理的尋位位置和焊接順序，可以確保在鑄態(tài)工件尺寸精度不高、工件夾具存在誤差的情況下，正確地找到焊接的起始位置。尋位位置和焊接順序的設(shè)定要通過(guò)觀察工件的幾何形狀、焊道的位置、工裝夾具的位置等綜合考量，判斷可能發(fā)生位置偏移的方向進(jìn)行尋位。通過(guò)調(diào)整合理的電弧跟蹤參數(shù)，可以糾正焊道的偏移，減輕編程人員的工作強(qiáng)度，提高編程效率，并能達(dá)到理想的焊接效果。

2）優(yōu)化接頭處的焊接工藝，將后機(jī)器人的收弧端與前機(jī)器人的起弧端搭接一定長(zhǎng)度，解決收弧處因出現(xiàn)凹坑而產(chǎn)生拘束應(yīng)力導(dǎo)致焊接裂紋的問(wèn)題，增加接頭美觀程度，使接頭圓滑過(guò)渡，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

3）基于上述齒軌座施焊順序，解決了因焊接順序不當(dāng)導(dǎo)致焊接變形問(wèn)題，避免了后續(xù)焊道間隙變大無(wú)法正常施焊的現(xiàn)象，優(yōu)化了焊接順序，可避免多次翻轉(zhuǎn)變位機(jī)浪費(fèi)時(shí)間，提高生產(chǎn)節(jié)拍。