用于核级机箱生产的自动焊接系统

楼永德

(上海自动化仪表有限公司，上海 200245)

0 引言

中国核电事业发展迅猛，不但国内核电需求巨大，而且作为中国的新名片，核电更担负着“走出去”的重任。在核电控制系统的建设中，需要大量使用高质量的钣金机箱。

虽然钣金机箱对于核电而言并非核心生产技术，但对于保障核电安全十分重要。机箱生产在核电设备中的技术层级不高，却同样要执行核电焊接标准，生产中缺少技术过硬的焊接工人；而面对高速发展的核电事业，焊接效率也显现了疲态。对于多样化、小批量的生产需求，生产企业迫切需要可以减少人工干预、提高生产速度的自动化设备[1]。

1 手工焊接在核电机箱生产中的缺陷

手工焊接在核级机箱生产中的缺陷主要体现在质量和效率两个方面[2]。

根据核电设备焊接的相关标准要求，经过焊接工艺评定后形成的焊接工艺规程，详细规定了与焊接生产有关的大量技术参数。其中，焊接电流、电压以及焊接速度是较为关键、同时也是较难控制的技术参数。在手工焊接中，由于手势关系，电流和电压会持续波动，有时波动超出了规定范围，而焊工却不能发现；焊接速度在工艺规程中以每分钟焊接多少厘米来表示，在实际生产中也很难监控。因此，手工焊接在核级机箱生产的质量管理中存在困难。

在手工制造中，通过减慢生产速度，可以在一定程度上提升质量。由于核级机箱生产的质量要求较高，焊工在实际焊接中也是“精雕细琢”。比如不锈钢机箱的边角，由于不锈钢机箱焊接完成后不作喷漆处理，因此对边角焊接的要求格外严格，要求焊接后边角保持直角；一旦发生失误，无法补救，只能报废。因此，这类焊缝的生产效率很低。

2 自动焊接的优势和局限

2.1 自动焊接的优势

自动焊接的原理是事先设定好焊接技术参数，包括焊接时的电流、电压等[3]；同时，设定好焊枪的运行轨迹及运行速度[4]。开始执行后，焊枪将严格按照设定的路径和速度进行移动，同时，电流及电压也比较稳定，得到的焊缝质量相同且外观整齐。由于机械运动可以避免手工操作中的不稳定。因此，焊接速度可以大幅提高。通常，手工焊接的速度是1.6～2 mm/s，而自动氩弧焊速度通常设定为4 mm/s，自动气保焊速度更是可以达到40 mm/s。

2.2 自动焊接的局限

自动焊接虽具有以上优势，但也具有一定的局限性。首先，由于焊枪只会严格按照设定路径运动，因此，工件尺寸必须具有较好的一致性；其次，自动焊接前必须准备合适的工装和焊接路径的编程，这需要一定的时间。因此，自动焊接通常用于大批量生产。

对于核级机箱的焊接，工件的一致性尚可保证，但一次生产完全相同规格的情况很少。核级机箱的生产特点是：总量大、品种多，同品种数量少。所以，自动焊接应用于核级机箱生产时，必须克服上述局限性。

3 机器人自动焊接系统搭建及验证

3.1 机器人自动焊接系统的设计与搭建

采用工业机器人驱动焊枪运动，可提高自动焊接系统的适应性[5]。传统的自动焊接系统一般都是框架结构，在框架上布置电机、导轨、传动系统等机械装置，焊枪在这些机械部件的带动下在三维空间中运动。这样的结构比较适合于平焊位，其他位置的焊接会使结构变得很复杂，难以满足较大工件的需求。随着工业机器人技术的日趋成熟，工业机器人不再是汽车航天的专属配置。六轴机器人的手腕活动更为灵活，能满足复杂形状的焊缝和工件的生产，同时也能适应不同位置的焊接[6]。机器人可以通过专门的编程语言对不同形状的焊缝进行快速编程，并通过示教功能来编制运动路径，缩短编程时间，提高重复精度。

采用柔性工作平台及柔性工装，可缩短不同工件在焊接前的工装准备时间。在焊接工作平台上，设有大小、间距相等的定位孔；在模块化的工装上，设置有同样的定位孔。通过定位销，可以实现工装模块的任意组合，并在工作平台上任意位置快速安装，从而避免了传统工装夹具加工时间长、功能用途单一的缺点。工装模块有多种形状，可通过类似于搭积木的方式灵活组合，以满足大部分焊件的定位需求。机器人可以360°工作，因此，将机械臂设置在工作平台的中央。这一方面可以充分利用机械臂的工作空间，另一方面可以在工作平台上放置更多种类的模块工装组合，避免工装的反复拆装，从而进一步缩短工装准备时间[7]。

设计制作PLC控制柜，可简化系统操作。六轴机械臂通常使用自带手操器中的菜单及各种命令来进行操作，对于普通工人而言，复杂程度较高；而且在整个自动焊接系统中，会有各种设备需要协同工作。为了便于控制、简化操作，可设置一台PLC控制柜。它就相当于整个系统中的指令中枢。自动焊接系统中的设备包括机器人、焊机、夹具、屏蔽门等。其均由PLC控制柜统一协同控制，并将常用的操作以按钮和指示灯的形式呈现在面板上，不但可以简化操作，同时也使整个自动焊接系统更易于控制。系统中所有设备的工作指令全部由PLC控制柜给出。其操作面板包括：电源操作、机器人操作、焊机操作、夹具操作、屏蔽门操作和急停按钮。进行机器人操作时，先在机器人中预置工作程序，然后通过PLC控制柜面板来进行选择，从而大幅降低操作工人的操作难度。夹具动作采用气动模式，PLC控制柜给出开关量电信号，控制电磁阀开闭，从而实现夹具的夹紧与松开。

采用气保焊工艺，可适度弥补工件的一致性偏差。在钣金生产过程中，偶尔也会出现加工偏差。这个偏差不一定会影响产品质量，也不会影响到手工钨极氩弧焊接，但会影响到机器人自动焊接，引起焊接质量问题。机箱生产中常用的焊接方法是钨极氩弧焊，有自熔焊和填料焊两种方式。自熔焊熔深较深，焊缝余高较小，很适合箱体侧板的焊接。但自熔焊应用于自动焊的条件是工件一致性偏差必须小于0.05 mm，这对于钣金加工的要求过高。如果采用填料焊的方式，工艺复杂程度极高，很容易产生焊丝与工件粘连的问题。为了解决这一问题，可使用气保焊。气保焊自动化程度高，其送丝速度与焊接电流关联，不容易粘丝，焊接中自动填料有一定宽度，足以覆盖加工引起的偏差。此外，气保焊焊接效率很高，其焊接速度约为钨极氩弧焊的10倍。

除了这些关键设备的配置，还需要设置保护装置，如工位围栏和防弧光屏蔽门。由于机器人在运动时动作较快，为防止机器人工作时有人误入，可在工位外围设置围栏[8]。为防止机器人以及弧光对操作工人安全的危胁，可同时在工作台周围设置防弧光屏蔽门[9]。屏蔽门通过气缸上、下运动，由PLC进行控制，焊接时强制升起。同时，还可以在工位中设置货架，用于放置工装夹具；设置钳工作业台，用于进行一些简单的手工加工等。

3.2 机器人自动焊接系统工作性能验证

通过试生产，可以对整个自动焊接系统作出实用性评估。以核级小机箱为代表，其总量大、规格多，焊缝类型包括对接焊缝、角焊缝、塞孔焊等多种常见类型。以50台小批量核级小机箱焊接为例，人工焊接不需要准备工装夹具，也无需编程，焊接总耗时12.5 h，平均每台耗时15 min。机器人自动焊接则需要准备工装夹具，耗时15 min；机器人编程耗时30 min，示教耗时20 min。这属于焊接前准备工作，完成后即可连续生产。上下料与焊接焊缝总耗时60 min，累加得出机器人自动焊接总时长为2.08 h，工作效率较人工焊接提高5倍左右。人工焊接与自动焊接操作时间比较如图1所示。

图1 人工焊接与自动焊接操作时间对比图Fig.1 Comparision of operation time of manual welding and automatic welding

效率平衡点示意图如图2所示。设人工焊接1台机箱需要15 min，机器人自动焊接前期准备时间为65 min，1台机箱焊接的时间为1.2 min。通过计算可以得出，效率平衡点为5台。也就是说，生产量大于等于5台，自动焊接即可提高生产效率。由此说明，此机器人自动焊接系统可适用于多样化、小批量的柔性生产。

图2 效率平衡点示意图Fig.2 Schematic diagram of efficiency balance points

对完成的焊件进行质量检验，目视检测余高约为1 mm，焊缝整齐，无裂纹、未焊透、密集气孔、夹杂物、咬边、塌陷等缺陷，且一致性很好。根据工艺要求，将焊缝磨平后进行渗透检验，结果完全合格。

4 结束语

本文所阐述的机器人自动焊接系统，通过工业机器人来驱动焊枪运动，通过PLC控制来简化操作，并采用柔性工作台和工装以及气保焊工艺来提升适用性，使整个自动焊接系统具有焊接效率高、焊缝质量好等优点。针对核级机箱生产总量大、品种多、同品种数量少的特点，该系统完全可以替代人工焊接。该系统为自动焊接在小批量生产领域中的应用提供了一种解决方案。

参考文献:

[1] 郑三.浅谈钣金柔性自动化生产线[J].产品与技术,2014(4):94.

[2] 苟建军.基于改进GA-BP算法的SMAW工艺参数的优化[D].包头：内蒙古科技大学，2015.

[3] 邹勇,蒋力培,薛龙,等.管道全位置焊接机器人人祝交互系统[J].电焊机，2009(4):56-58.

[4] 张撼鹏,黄鹏飞,殷树言,等.新型低能量输入电弧焊接系统的研制[J].电焊机,2007(2):37-39.

[5] 张厚宝.基于ARM的焊接机器人控制器的研究[D].南昌：南昌大学，2015.

[6] 徐鹏.3-RRRT并联机器人传动性能研究与尺度综合[D].天津：天津理工大学，2009.

[7] 侯伟.工装全生命周期管理关键技术研究与实现[D].西安：西北工业大学，2006.

[8] 胡国雨，段国强.关于焊装生产线机器人布局的研究[J].福建质量管理，2016(2):1.

[9] 欧则兵.电弧焊弧光幅射的危害与防护[J].电焊机，2011(11):51-52.