基于自動焊接技術的大型盤狀結構件定位焊接工藝設計

張忠芳 董航 田志遠 趙強

摘要：大型盤狀結構件類產品在實際生產中的需求日益增加，由于其本身的結構特點，在生產中存在生產效率低下、產品質量不高等問題。本文針對上述問題，對一種大型盤狀結構件（即大型電纜盤的上、下法蘭片）進行分析，制定了采用機器人自動定位焊接的工藝。試驗證明機器人自動焊接技術在該零件上的應用大大提升了生產效率和產品質量。

關鍵詞：盤狀結構件;機器人;自動焊接技術

中圖分類號：TH162+.1;TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0032-02

0? 引言

大型電纜盤目前被廣泛用于礦山、建筑施工、機械制造、港口碼頭、路橋建設等行業，是基礎設施建設的必需品，而本文所涉及的零件則為大型電纜盤的主要組成部件，即大型盤狀結構件[1、2]。

目前國內還沒有完整的大型盤狀結構件自動生產系統，需要人工加工或者人工操作。人工組立焊接缺點是尺寸和焊接質量與設計存在偏差，導致電纜盤的使用壽命降低;同時該零件焊接量分散且焊接位置多樣的特點，造成了焊接位置頻繁變換、頻繁起弧收弧的工藝執行難點和質量控制難點，在大批量生產時由人工組立焊接工作必然導致生產效率低下，質量成本升高[3]。

為克服上述問題，需要一種全面自動化、實用性廣、操作簡單、安全的焊接方式。本文采用自動焊接機器人對該零件進行組立及焊接。經試驗，該工藝在批量生產中可以維持較高生產率，同時保證焊接質量，取得了較好的經濟效益和社會效益。

1? 大型盤狀結構件工藝分析

大型盤狀結構件的組成較簡單，主要由外圓盤形鋼、輻條、內圓盤型鋼等組成（如圖1所示）。該結構為面積與高度比例巨大的片狀零件，且為框架結構，在制造過程中高度方向上的抗彎折能力較弱。材料為普通碳鋼，具備良好的焊接性能。

通過對上述結構分析，制定工藝為：對已初步加工后的內、外圈和軸芯放置并固定夾緊，將輻條送至預定位置后焊接成型。

該工藝中關鍵步驟為內、外圈的固定夾緊;內、外圈的中心對正;輻條的抓取及定位;整體的焊接成型。

上述工藝的難點為內、外圈和軸孔鋼管的中心對正;定位后工件的正面焊接、翻轉及反面焊接。該零件待焊區域分散，焊接位置受限，零件變位難度大。此外機器人焊接對初步加工后的內、外圈的外形尺寸要求比較高，否則會出現漏焊或干涉的現象。

2? 機器人自動焊接系統

2.1 機器人自動焊接技術要求

①自動焊接設備需結構合理，能滿足大型電纜盤及類似焊合件的焊接;需操作簡便，易于維修。②自動焊接設備需運行連續有效，安全性高。設備的控制系統保證自動控制，能夠自動完成正常運行時各項技術指標和功能，具備連鎖功能以防誤操作，能夠顯示和處理設備報警。③自動焊接設備需采用簡易便捷的夾具設計，保證在最短的時間內上、下料和夾緊工件。④自動焊接工位設置多處急停按鈕，在發生危險時，方便操作人員在工件就近位置能夠迅速停止設備工作。

2.2 機器人自動焊接系統的組成

該系統主要包含焊接機器人、焊接夾具、電控系統、翻轉機構（如圖2所示）。

①焊接機器人。焊接機器人型號為：庫卡KR8R1620;機器人工作臂展為1620mm，可滿足外徑1～2.2m電纜盤焊接需求。焊接機器人抓取重量為8kg，位置重復精度為±0.04mm。焊接機器人本體緊湊、靈活。焊接機器人本體圖見圖3。

②焊接夾具。焊接夾具用來實現工件的定位與夾緊，由電機控制旋轉角度，適應不同夾角輻射角鐵的焊接。焊接夾具外徑最大2.2m，能滿足1～2.2m法蘭片固定需求。焊接夾具上設有滑動塊和定位夾，滑動塊通過滑槽與焊接夾具滑動連接。工作時可以實現內外圈夾緊定位，夾爪松開、夾緊及徑向移動可以實現不同直徑的內外圈定位焊接，并校正中心位置。焊接完成后，松開焊接夾具。

③電控系統。由于機器人自動焊接系統包含了機器人的運動控制部分和變位機翻轉控制部分。因此該控制系統只需要將機器人自動焊接系統置于遠程控制模式，通過數字量信號控制機器人來實現焊接。根據總的硬件需求，電控系統設計框架如圖4所示。

④翻轉機構。工件翻轉機構由上、下傳送帶組成，工件完成正面焊接后，輸送至翻轉機構，此時，上、下兩層傳送帶合緊翻轉180°。完成翻轉后，上、下傳送帶分開，工件由上傳動帶轉入下一個工位進行反面焊接。

2.3 輻條抓取、上料裝置

輻條疊放在物料車上，通過抓取機械手抓取輻條。由抓取機械手完成輻條位置擺放調整、旋轉90°放置于滾筒輸送機上，由輸送機傳送至焊接取料位置。

滾筒輸送機上料端傳送寬度為80mm，滿足40×40×4、 50×50×5、60×60×6三種規格輻條傳送，對輻條輸送進行粗限位。

焊接取料位置設置一組導向調節機構，對輻條進行精度導向定位，其前端設置一行程限位傳感器，輻條送到位停止傳送;輻條取走后繼續進行輻條傳送。

抓取機械手由前端電吸盤爪具、旋轉氣缸、升降電缸、直線模組及整體旋轉電機等構成。通過定位坐標或結合視覺傳感器進行抓取及放置輻條，根據輻條上料擺放位置，爪具抓取輻條后擺動角度45°或135°，完成角鐵位置調整，機械手旋轉90°后可放置于供料平臺上[4]。

抓取機械手前端電吸盤爪具結構設計能滿足抓取兩種不同擺放位置的角鐵，夾具長180mm，抓取輻條中間位置，能滿足長度450～1152mm，以及40×40×4、50×50×5、60×60×6三種規格輻條抓取。

伺服機械手（三坐標式）轉運輻條，轉運的同時兩臺焊接機器人同時焊接。輻條抓取、上料裝置如圖5所示。

3? 焊接工藝

3.1 焊接要求

工件主體材料為Q235A，焊接工藝性良好，工件重量≤300kg，材料厚度為3～6mm。工件焊前狀態：初步加工件自動上料，工裝定位組對后自動調整加緊。工作站滿足焊接區域：不小于？準2200mm。采用MAG單層單道焊接。焊縫形式為對接焊縫。

在實際的焊接過程中，自動焊接機器人受多種因素影響，為了保證焊接質量以及焊縫的美觀性，需要調試人員對自動焊接機器人參數以及焊接工藝進行多次優化。

焊接完成不得有表面裂紋、未焊接、未融合、表面氣孔、未填滿和肉眼可見的夾渣等缺陷;焊縫與母材應當過渡圓滑;焊縫不得咬邊。

3.2 焊接工藝

①采用CO2保護氣體。采用焊接保護氣體可以提高焊縫質量，減少焊縫加熱作用帶來的寬度，避免材質氧化。CO2保護氣體適合自動焊合全方位焊接，并且成本低[5]。②焊接電源。采用負載持續率≥60%的AC380V±10%三相逆變式焊接電源。③電弧電壓。電弧電壓對熔池的深度和寬度影響較大。當電壓升高時，焊接熱量輸入增大，電弧太長，會使工件上電弧覆蓋面積增大，熔池的寬度和深度增加，容易產生咬邊等焊接缺陷[6];當電壓降低時，焊接熱量減少，若電弧太短，會使工件上電弧覆蓋面積減小，熔池的寬度和深度減小，焊縫會窄且凸。根據工件不同焊縫的特點選用的焊接電弧電壓在17～20V之間。④焊絲。由于CO2保護氣體具有較強的氧化性，固焊接材料應選擇具有脫氧元素Si和Mn的H08Mn2siA焊絲，焊絲直徑為1.0mm，桶裝與盤裝均可。⑤焊接電流。在焊接過程中，焊接電流對焊縫的形成、熔點的過渡形式以及熔覆效率均有較大的影響[7]。在反復的試驗后，焊接電流取70～120A，焊接速度為10～15L/min時，焊接效果最佳。

4? 分析與總結

本文針對大型盤狀結構件類的產品在實際生產中效率低下、產品質量不高等問題設計制定了采用機器人自動定位并焊接的工藝。經驗證得出以下結論：①提高了生產效率。單件工件采用機器人自動焊接工時為操作工1人/20min;傳統手工焊接的工時為焊工1人/40min+輔工1人/10min。工作效率提升了3/5以上;②焊接質量可控性高。機器人自動焊接焊縫的寬度誤差可以保證在±0.5mm內，且焊縫連續無接頭，即使在拐角處也可以獲得穩定的焊接質量，大大降低了后續修磨的人工成本;③該機器人自動焊接工藝可以實現在大批量生產時的連續作業，降低了勞動成本，且操作安全性高。

參考文獻：

[1]王剡.自動化焊接設備在工程機械制造中的應用研究[J].中國設備工程，2020（16）：126-127.

[2]彭永紅.鋼筒體鋼木結構電纜盤的設計[J].電線電纜，2010（12）.

[3]許式方，羅文森.一種大型電纜盤自動生產系統[P].中國：201510476917.3，2015-08-06.

[4]羅文森，許式方.一種自動輻條送料機[P].中國：201520586256.5，2015-08-06.

[5]張永杰，程石來，宋華修.某型號構架吊座與橫梁接頭焊接工藝研究[J].金屬加工，2019（2）.

[6]張忠科，王希靖，吳立民，等.電纜盤用異型鋼閃光對焊工藝[J].焊接技術，2010（4）.

[7]馬靜一，許愛玲，陳秀，徐軍升.一種拖拉機焊接支架自動焊接工作站的研制[J].拖拉機與農用運輸車，2018（3）.