复杂工件机器人焊接

朱献

1. 概述

在焊接领域，现大多大中型企业已逐步实现自动化或半自动化焊接，这给产品质量及生产能力带来了进一步的保障与提升。但是，机器人焊接全面使用的步伐仍然需要更成熟的技术要求及工艺水平才能得以前进。小工件机器人焊接当然也需要操作人员对焊接工艺有一个很好的认识，才能在出现问题时能够通过分析去解决问题。本文将通过焊接复杂工件逐步解析机器人焊接存在的问题及其解决措施。

2. 拐角位置难点分析

（1）拐角位置主要缺陷 咬边、焊缝单边、焊脚尺寸不足、焊缝成形不良等，如图1、图2所示。

（2）主要影响原因 焊接参数、焊枪角度、焊丝对准位置、焊丝干伸长和示教编程等。

（3）难点分析 选择合适的焊接参数进行焊接，外四周及内四周平角焊可以满足评判要求。而在焊接焊缝拐角位置时，要求焊缝达到圆滑过渡，并保证机器人手臂不会碰到工件，编程时一般需建立三个步点（一般作为圆弧点）。如果编程的步点增加，机器人手臂摆动的动作就会增加，这样焊接停顿时间变长，将导致拐角处温度相对集中，母材烧损情况变得严重，特别是拐角位置Ⅳ，故采用平角处的焊接参数将会出现严重咬边缺陷。因此，在焊接速度不变的情况下，电流过大，拐角处焊缝将出现焊脚过大，立板处咬边、焊缝成形不良等缺陷；反之，电流过小，拐角处焊缝将出现焊脚过小、成形不良等缺陷。

（4）拐角位置咬边缺陷产生原因及解决措施 第一，拐角位置咬边缺陷产生原因：①焊丝过于指向立侧板。②电弧长度过长（电压过高）。③母材烧损严重。④在电流电压等其他参数未变化时，焊接速度太慢。⑤编程过程中步点过多。

第二，拐角位置咬边缺陷解决措施：编程时焊枪角度保持在45°~55°，且焊丝对准底板，距离立板位置3~4mm处；焊丝干伸长始终保持在10~12mm；选择合理的焊接参数；在进行拐角位置编程时尽量要求步点越少越好。

图 1

图 2

3. 机器人焊接产生的其他缺陷及解决措施

（1）焊缝单边 以焊缝偏向底板为例（见图3）。①焊枪角度（焊枪与立板间角度）太小。②焊丝指向立板侧。③电流过大。④电压过低。⑤焊丝指向过于朝向底板。⑥焊接速度过快。

解决措施：调整合适的焊枪角度，保持在45°~50°；焊丝应指向焊缝处稍接近底板，距离立板3~4mm；减小焊接电流，加大电压；电流电压值不变的情况下，适当降低焊接速度。

（2）焊脚尺寸不足 ①焊接速度过快。②焊接电流、电压过小。③电弧长度过短。④机器人手臂动作不协调，导致焊缝不圆滑过渡，如图4所示。

解决措施：匹配适当的焊接速度；适当加大焊接电流及电弧长度；编程过程中焊丝指向位置需一致。

（3）焊后产生变形 ①装配点焊时，点焊未牢固。②使用焊接参数过大。如使用的焊接电流偏大。③焊接顺序不规范。

解决措施：装配工件时，点焊必须得牢固；选择合适的焊接参数；采用合理的焊接顺序。

4. 影响焊缝主要因素

除焊接参数影响焊缝以外，编程过程中的焊枪角度及焊丝干伸长对焊缝的影响也是非常大的。前面提到焊接过程中焊枪角度需保持在45°~50°，焊丝干伸长要求10~12mm，那么，以下将通过分析说明焊枪角度及焊丝干伸长对焊缝的影响。

（1）焊枪角度对焊缝的影响（见图5） ①当焊枪的角度＞50°时，保护气体将熔池吹向立板，导致立板熔池吸附的比底板多得多，使焊缝偏向立板，致使底板焊脚尺寸偏小；当焊接电流偏大时，立板处也容易产生咬边。②当焊枪角度＜45°时，且焊丝对准位置不变，焊接过程熔池集中流向底板，导致焊缝偏向底板，且焊缝成形较差，中间焊缝凸起，从而导致立板焊脚尺寸偏小。

（2）焊丝干伸长对焊缝的影响 焊丝干伸长是指从导电嘴部到工件的距离，当干伸长过长时，气体保护效果不佳，易产生气孔，引弧性能差，电弧不稳，飞溅加大，熔深变浅且焊缝成形变差；当干伸长过短时，喷嘴易被飞溅物堵塞，飞溅大，熔深变深，焊丝易于导电嘴粘连。当焊接电流一定时，干伸长增加，会使焊丝熔化速度增加，但电弧电压下降，造成电流降低，电弧热量减少，故焊丝干伸长对焊缝的影响也是较大的。因此焊接时一般要求焊丝的干伸长为

10~12mm。

5. 复杂工件焊接技术要求

（1）保护气体 采用98% Ar +2%CO2混合气体。

（2）焊材 焊丝F1.2mm，ER50－6(AWS ER70S－6)。

（3）试件 材质Q235B，底板250mm×250 mm×12mm，立板1块200mm×50mm× 12mm，3块150mm×50mm ×12mm。

（4）机器人选择 选用唐山松下TA1400—1+350 GL3/350GS4。（5）焊接位置 外四周全部平角焊；内四周全部平角满焊，要求焊脚K=6.5mm。

（6）外观 评判要求如表1所示。

图 3

图 4

图 5

图 6

6. 复杂工件焊接工艺

（1）焊前准备及打磨 焊前打磨机对试件焊接面进行打磨，去除试件表面铁锈及油污，将立板垂直边打磨平整。

（2）试件装配定位焊（见图6） ①以底板为基础画中心十字线。以中心线为基础，东西方向75mm画对称直线。南北方向86mm画对称直线。按I、II、III、Ⅳ顺序依次将各试板装配在直线以内且试板外延在直线内。②定位焊。按图进行定位，要求定位焊不宜过大，定位后铲除四周飞溅。③依图夹紧在焊接平台夹具上，要求底板各角位置需夹紧。

（3）编程 掌握正确的编程方法及步骤是高效、精确完成编程工作的关键。对于简单的直线或圆弧焊接；只需选择焊缝固定的几个步点进行编程，就可以完成焊接，而对于复杂工件焊接，需连续由直线及圆弧（拐角处采用圆弧进出编程）步点组成，需设置几十个步点，且要求从头到尾360º一次性进行焊接，并进行直线摆动和圆弧摆动。故在编程过程中需细致认真，熟悉各个步点的转换。

可参照以下的步骤进行编程：①实践中很难做到走一遍就得到完美的示教程序，初步示教后再进行修改和微调。②正确选择坐标系：基本移动采用直角坐标系，接近或角度移动采用工具（或绝对）坐标系。③不做多余的空走点，如多余的待机点、接近点、焊接开始及结束点。④生成焊接点之后，焊枪后退设置接近点，为防止和夹具发生碰撞，应精确地靠近工件。⑤熟悉使用点动动作，掌握微动调整。⑥固定焊丝干伸长，及时观察焊枪角度变化，增加编程准确度。⑦示教编程完成后，进行整个焊缝的预焊接。预焊接的过程中观察各个步点的焊接参数是否进行正确调整，并仔细观察焊枪角度的变化。

（4）焊接 ①焊接前检查试件周边是否有阻碍物。②检查气体流量，焊丝是否满足整个焊接，以及焊机设备各变量是否准确。③拧紧导电嘴，先焊接外四角满焊，待完成后，清理导电嘴焊渣，再进行内四角满焊。焊接完成后，刷黑灰，铲除飞溅。④焊接顺序如图7所示。

为节省编程时间，在编完外四周焊缝程序后，以外四周收弧点作为内四周起弧点。外四周编程方向为顺时针方向，则内四周编程方向为逆时针方向。

7. 焊接参数

各个工艺参数是相互影响的，也是相互匹配的，在适合的焊接参数内变动任何一个参数，将会影响整个焊缝的焊接，也会产生或多或少的缺陷，比如说合适的焊接电流、电压及焊接速度可以焊接出符合标准的焊缝，如果改变了焊接角度或电弧长度，将造成焊接电流、电压值的改变。因此，在确定焊接角度及焊丝干伸长的同时，再进行焊接电流、电弧电压及焊接速度等值的适当调节。为达到此复杂工件焊脚K值为6.5mm，避免焊接缺陷的产生，通过试验，才能得出合适的焊接参数，具体参数如表2所示。

图 7

表1 外观评判标准

表2 焊接参数

8. 结语

通过分析机器人焊接产生的缺陷及其解决措施，采取合理的焊接参数，使拐角位置的缺陷问题得以解决，整个焊缝外观能达到要求。整个复杂工件的焊接从编程到焊接结束，规定时间40min。2012年参加了北京“嘉克杯”国际焊接大赛中，进行了机器人碳钢工件及不锈钢工件的焊接，赛前经过不断的练习及总结，最终荣获机器人组第一名的成绩。