搬运机器人铝合金机架氩弧焊变形控制研究

张宏伟

（江苏联合职业技术学院无锡交通分院，江苏 无锡 214151）

搬运机器人已经向重量轻、耗能低、牢固耐用、便于操控等方面发展，对承载此类机器人的机架必须选用质量轻、易加工、强度高的材料。由于本文研发的搬运机器人要求载重大约50 公斤，能负重完成运输和爬坡的任务，再综合考虑机器人的自身重量、承载能力、运动性能等因素，机器人机架选用铝合金6061，铝合金虽然能减轻重量、保证强度，但焊接性能较差，焊缝容易出现气孔、裂纹等缺陷，尤其是焊件变形大、尺寸较难控制的问题。针对上述问题，我们首先需要设计与之配套的专用焊接工装夹具，既能辅助定位，又能控制变形；其次，制定合理的焊接工艺，其中包括焊接设备、焊前装配、定位、焊接工艺参数等；最后，焊后检测，保证焊接质量和控制变形。

1 焊接工装夹具的设计

铝合金机架由15×15×2mm 的铝合金方管拼装焊接而成，其主要尺寸如下图1 所示。考虑到铝合金焊接时容易变形，而机架焊后尺寸必须控制在±1mm 公差范围内，因此，为方便焊接装配和定位，以及降低焊接变形，我们根据铝合金机架的结构和尺寸设计配套的焊接工装夹具，该夹具采用材质是同种铝合金，结构简单、易加工，具体如图2 所示。

图1 铝合金机架主要尺寸

图2 铝合金机架焊接工装夹具

2 焊接工艺

（1）焊机和焊材选用。被焊工件的材料是常用的铝合金6061，由于铝合金表面有一层致密难熔的Al2O3氧化膜，氧化膜严重影响焊缝的质量和性能，因此，必须有效地清除这层氧化膜。同时，为了减少钨极的烧损，我们选用交流氩弧焊的方法。尽管如此，铝合金在焊接过程中，依然很容易出现气孔和变形。我们选用OTC 品牌焊机，型号为全数字式IGBT 逆变控制交直流两用脉冲氩弧焊机ADP400，选择相匹配的ER5356 焊丝，直径是1.6mm。

（2）焊前清理。由于机加工后表面有油污等，会导致焊后形成气孔和夹渣等。因此，焊前需要仔细清理，采用化学清理和机械清理两种方法，化学清理用丙酮反复几次擦洗焊缝两侧25mm 以上区域，机械清理采用风动不锈钢丝轮或不锈钢丝刷清理焊缝两侧至少25mm 以上的区域，打磨至亮白色。

（3）机架的装配与焊接。机器人机架的焊接工艺步骤主要如下：首先，机器人机架底座的装配与定位焊。把4 个铝合金方管按下图3 拼成长方形，不留装配间隙，不开坡口，在方管接缝处采用氩弧焊进行点焊定位，固定好4 个方管，形成一个矩形框架。

图3 机架底座尺寸及立体图

其次，机器人机架底座的焊接。采用氩弧焊进行焊接，先焊接矩形框架的上下表面的水平位置焊缝，再焊接垂直位置焊缝，最后焊角焊缝。主要的氩弧焊焊接工艺参数如表1。

表1 铝合金机架的氩弧焊工艺参数

在铝合金机架的氩弧焊过程中，由于铝合金焊接时导热快，母材和焊丝熔化较快，手工送丝速度也较快，同时方管厚度是2mm，属于薄板，因此，焊接过程中焊丝不需要摆动。由于铝合金熔化颜色没有变化，形成熔池时不易察觉，需要注意观察熔池的形成和焊丝的熔化，控制送丝速度，防止停留时间过长引起烧穿或塌陷。此外，需要注意引弧时氩气提前送气，息弧时氩气的滞后停气，充分保护铝合金焊缝不被氧化。最后，机架中四根长杆的装配与定位焊。要在长方形底座上焊接四根长杆，先把四根长杆插入定制焊接夹具孔中，借助夹具装配与固定四根长杆的位置，防止四根长杆焊接变形，如下图4 所示。然后，在四个长杆和底座拼接处采用氩弧焊进行点焊定位，固定好四根长杆在底座上的位置。最后，四根长杆与底座的焊接。采用氩弧焊方法，焊接四根长杆与底座的接缝，共16 条焊缝，全部焊接完成后，夹具套在长杆上，保持一段时间，可以1 ～2 小时后再拆下来，最后，对机架外表面部分的焊缝进行适当磨平，机器人机架的焊接成品如图5。

图4 机架焊接夹具

图5 机架焊接成品

图6 合格的机架焊缝

（4）焊缝的检测。对四个机器人铝合金机架焊接成品的所有焊缝进行外观检测，要求焊缝表面无肉眼可见的气孔和裂纹，如图6 所示。此外，由于机架对尺寸变形必须在±1mm 公差范围内，实测焊后底座长度，其中一个底座焊后四边的尺寸分别为174.5mm、174.8mm、83.9mm、83.2mm，对应的变形尺寸公差分别为-0.5mm、-0.2mm、-0.1mm、-0.8mm，在变形范围内，其他三个底座也均被检测合格。

3 结语

研发的搬运机器人铝合金机架氩弧焊过程中，易出现变形。为控制变形，我们先设计配套的专用焊接夹具；然后，制定合理的氩弧焊焊接工艺，选用OTC 焊机，改进工艺步骤，做好焊前装配和定位，选用合适的焊接工艺参数，主要是氩气流量10L/min、焊接电流114A、焊接电压20V 等；最后，进行焊后检测，确保在达到焊接质量要求的基础上，有效地控制机器人铝合金机架变形。