螺旋形焊縫工件的機器人焊接應用

馬輝

秦皇島秦冶重工有限公司工業設計中心 河北秦皇島 066318

1 序言

隨著我國社會老齡化不斷加劇，焊接作為一項工作環境差、勞動強度大、對人員操作要求高，且對身體有一定危害的工種，已經越來越難吸引年輕一代的加入，形成了普遍的焊工需求大與從業人員減少的矛盾。焊接機器人的應用能有效解決這種矛盾，可以使更多人把時間投入到更具創造力的工作中去。機器人焊接是指機器人系統代替手工完成焊接作業，獲得合格焊件的過程，機器人在焊接領域應用最早也最廣泛，據統計約25%的工業機器人用于焊接操作[1]。目前，國內機器人在焊接領域的應用量占其整體行業應用的42%，且逐年遞增[2]。

機器人焊接具有焊接穩定性高、質量好、生產率高，以及能夠改善勞動條件等優點，可在有害環境下工作，降低工人的勞動強度和危險性。另外，還可在各種極限條件下完成焊接作業，同時保證產品質量，能夠推動相關產業的自動化升級改造，是焊接技術的應用趨勢。

本文以我公司生產的高爐系統中的熱風閥閥板弧焊機器人工作站為例，介紹了一種螺旋形焊縫機器人焊接技術的應用。

2 閥板工件介紹

該閥板工件是應用在高爐熱風爐系統的熱風閥產品的主要組成部分，起切斷熱風的作用，使用環境最高溫度為1450℃，因此其多設計為水冷結構，內襯隔熱耐火材料。閥板中的水冷結構有螺旋形冷卻水通道，焊縫多，焊接量大，要求焊接質量高。正常工作時閥板處于管道通徑位置，直接接觸高溫熱風，如果在使用中有焊縫漏水問題，則將直接導致產品失效，嚴重時會影響整個高爐的運行。因此，焊接質量要求嚴格，所有焊縫需進行超聲波檢測和水壓強度試驗。

閥板的結構如圖1所示，其采用全焊接結構，由側板、內水圈、隔水板組成的板芯及外水圈組成，焊接工作站主要進行閥板板芯不同厚度的Q245R鋼板螺旋形焊縫的焊接。

圖1 閥板工件

3 工作站系統介紹

焊接工作站由機器人主體、電器控制系統、逆變式脈沖專用焊機、送絲機構、C形架行走系統、防碰撞專用焊槍、激光跟蹤系統、清槍站、按鈕站、裝夾找正轉臺及防護圍欄組成（見圖2）。

圖2 焊接工作站

（1）焊接機器人 進口6軸焊接機器人，手腕最大負載8kg，可達半徑2032mm。

（2）逆變式脈沖焊機 作為弧焊機器人的專用焊機，可以實現數字化控制，并精確到一脈一滴的熔滴過渡，內部設置有過壓、過流、過熱及堵絲等保護功能。

（3）C形倒掛行走系統 采用電動機驅動減速機，通過齒輪驅動溜板在直線導軌上滑行，伺服電動機、伺服驅動和機器人屬于同一系列，可以實現C形倒掛行走和機器人本體聯動控制。

（4）激光跟蹤傳感器 用于檢測實際焊縫位置，實現焊接過程中對焊縫位置的尋位反饋和實時跟蹤（見圖3）。

圖3 激光跟蹤系統

（5）配套轉臺設計 因為螺旋形焊縫工件的重復擺放位置直接影響到自動焊接的實現，所以螺旋形焊縫是不對稱的。程序編制好后，工件的擺放位置是唯一的，同時為了滿足多規格工件的快速裝夾找正的需要和重復定位精度要求，配合焊接機器人主體完成重復焊接任務，達到穩定的焊接質量，專門設計制造了激光對位找正轉臺。

激光對位找正轉臺由固定座、旋轉臺、夾緊組件、防轉組件及激光對正裝置組成，如圖4所示。該專用轉臺借助線激光器輔助，可快速實現大型工件的對中、旋轉找正過程，增加外部IO信號聯接后，可配合程序完成自動焊接過程。

圖4 激光對位找正轉臺

（6）防護圍欄（見圖5）防護圍欄作用主要有兩個：一是界定隔斷機器人工作區域，防止無關人員進入該范圍造成危險，切實保證人員安全；二是在防護圍欄上部設置擋弧板，可以有效地避免對周圍人員及安全通道行人造成弧光傷害。

圖5 防護圍欄

4 工藝方案制定

4.1 工藝難點分析

1）工件的螺旋形焊縫為矩形槽焊縫塞焊，寬度為16～20mm，深度為16～25mm，需要多層多道焊接，焊縫兩側熔合時容易咬邊，焊道間清渣難操作，容易造成未熔合和夾渣缺陷。

2）該閥板工件規格多、重量大，裝夾找正困難，工件重復定位精度要求高。

3）螺旋形焊縫的焊道密集、焊接量大、變形嚴重，不同規格的工件焊接后直徑會收縮5～10mm，焊縫位置會隨焊接的進行發生變動，固定的程序位置不能滿足焊接需要，也保證不了焊接質量。

4.2 焊接方案制定

由于該工件的螺旋形焊縫是雙面的，而且會隨焊接的進行一直收縮變形，加上多層多道焊之間的道間清渣問題，很難實現一次裝夾就焊接完成全自動化過程，因此工件的上下料、翻面、清渣過程采用了人工輔助的方式，工藝過程簡述如下。

1）采用φ1.6mm的ER50-6實芯焊絲，純CO2氣體保護，每層兩道焊縫，左右交替焊接3～4層完成焊縫填充。

2）使用專用裝夾找正轉臺配激光定位實現工件找正夾緊，每道焊道均使用激光跟蹤系統尋位糾偏后再焊接。

3）人工配合橋式起重機吊裝上下料，然后人工清渣。

機器人焊接參數見表1。

表1 機器人焊接參數

5 應用中的問題及改善

5.1 飛濺

（1）問題描述 100%純CO2氣體保護焊的飛濺很嚴重，會造成激光器的保護鏡片很快就被飛濺顆粒遮蓋，導致接收反射光線受阻，產生尋位偏離嚴重的問題。同時，嚴重的飛濺也會造成焊縫熔合不良，焊縫成形差，從而影響焊縫質量（見圖6）。

圖6 改善前焊縫偏離和飛濺

（2）改善措施 將100%純CO2氣體保護改為80%Ar+20%CO2混合氣體保護，改善后焊接過程穩定，幾乎沒有焊接飛濺，保護鏡片的更換頻率明顯減少，焊縫成形美觀且保證了焊縫質量，改善后的焊縫和工件表面形貌如圖7所示。

圖7 改善后的焊縫和工件表面形貌

5.2 夾渣

（1）問題描述 多層多道焊的焊縫經過超聲波檢測和碳弧氣刨后觀察發現有夾渣問題，因矩形塞焊的特殊性，每層左右壓焊的多層焊接工藝，所以當前道焊縫焊后不及時清渣或清渣不徹底時，會造成后道焊縫熔化時將部分焊渣覆蓋，從而造成夾渣缺陷，超聲波檢測和碳弧氣刨后觀察都證實了在焊縫中出現的連續或斷續夾渣缺陷（見圖8）。

圖8 夾渣缺陷

（2）改善措施 多層多道焊接改為每層擺動焊接一道，再根據鋼板的厚度焊接多層完成焊縫填充。經過試驗確定合適的擺動幅度、擺動頻率和停頓時間參數，見表2。結果顯示，每道焊縫與兩側熔合的很好，且過渡圓滑，如圖9所示。另外，道間清渣也方便了，后一道焊縫對前一道焊縫的熔渣有很好的再熔化上浮效果，解決了容易產生夾渣缺陷的問題，經批量超聲波檢測后，焊縫合格，焊接質量穩定。

表2 擺動參數

圖9 焊縫兩側熔合圓滑

5.3 焊縫檢測

（1）試件檢測 使用改進后焊接工藝焊接的試件，經超聲波檢測達到了GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》II級的技術要求。試件切割加工后，對焊縫斷面進行了著色檢測（見圖10），焊縫熔合良好，熔合區的實際寬度大于焊前的16mm，厚度方向的斷面沒有任何焊接缺陷，達到了標準要求。

圖10 焊縫超聲波檢測及斷面檢測

（2）工件檢測 使用改進后工藝焊接工件后，超聲波檢測顯示有效焊縫深度達到了板厚尺寸，內部質量等級達到了GB/T 11345—2013的II級要求。由于焊縫表面為凸起形狀，對表層超聲波檢測有缺陷不確定的位置，經碳弧氣刨抽檢觀察后，確定焊縫表層熔合良好，未發現夾渣、氣孔和未熔合等焊接缺陷（見圖11）。

圖11 焊縫超聲波檢測及表層檢測

6 激光跟蹤器的應用

目前，激光跟蹤系統主要有尋位和跟蹤功能。尋位功能可以根據實際點位糾正原焊接程序點的坐標值，經過計算得出實際點后進行焊接。跟蹤功能是實時掃描糾偏后反饋給程序來糾正焊接路徑。

該焊接工作站中的閥板焊接采用的是尋位功能，即每一段焊縫在焊接前先尋位確定實際的位置點并反饋給焊接程序，激光線照射槽寬上沿棱線作為矯正反饋基準，經過位置糾偏后，焊槍根據實際的直線點或圓弧點焊接，這樣就有效地避免了前面焊縫的焊接對工件造成的變形影響。

激光尋位程序舉例如下。

7 多層多道焊功能的應用

弧焊機器人的多層多道焊功能，是每個焊接子程序都可以配置一組偏移數據，根據需要可以提前設定每道焊縫的Y方向和Z方向的相對偏移量，編程時使用循環調用命令去調用不同寄存器里的偏移數據，即可實現多層多道的焊接。這樣節省了大量程序語句錄入，很好地解決了中厚板焊接編程，省時省力且節約內存空間。

多層多道焊接程序舉例如下。

8 弧焊機器人在多規格小批量工件中的應用建議

（1）設備通用化 對于多規格小批量的大尺寸、大噸位工件，在應用機器人焊接工作站時，要盡可能擴大設備的通用性，適合本單位的產品生產節拍和實際需要，通過調整主體配套設備后，滿足多個產品的焊接，這樣就可以提升設備的使用效能，類似于機加工設備，成為一種通用性較強的制造系統。

（2）設備智能化 傳感器的應用為弧焊機器人向智能化發展帶來了先決條件。焊接過程容易受到外界的環境影響，進而會影響焊接質量，而傳感器的應用可以依據周圍環境的變化來調整設備自身的工藝和機器人狀態，從而保證焊接質量[3]。

焊接過程容易受到工件組對精度和重復定位精度的影響，造成焊接程序的焊接位置偏差，進而影響焊接質量。傳感器的應用可以糾正和改善這種不良影響，從而保證最終的焊接質量。例如，工件的組對間隙、焊縫位置發生變化時，激光傳感器可以依據間隙的大小、位置變化自適應調整焊接程序的對應位置。

（3）操作簡易化 對于非流水線作業的工件焊接，在焊接機器人應用中要充分考慮編程操作的復雜性、繁瑣性，以及在整個焊接過程中工時占比的合理性；要充分集成先進的激光跟蹤系統、視覺跟蹤系統、專用程序模塊等軟硬件配置，通過這些組件搭建便于編程、降低操作難度的弧焊機器人焊接工作站。

9 結束語

本文主要介紹了一種螺旋形焊縫工件的弧焊機器人工作站的工藝和應用，以及對具有小批量、多規格、大尺寸特點的工件在焊接機器人應用方面的建議。隨著技術的發展和應用，必然會推動弧焊機器人向更高效化、更智能化方向發展，并逐步延伸到各個行業，從而實現工業自動化生產。