车桥壳体机器人焊接工艺优化研究

杨启杰，龚胜峰

1.广西机电职业技术学院 广西南宁 530007 2.珠海科盈焊接器材有限公司 广东珠海 519015

1 序言

随着制造业的快速发展，汽车产业已成为经济发展的重要组成部分。在整个汽车配件制造中，车桥是所有汽车配件中至关重要的一个大部件[1]。随着“中国制造2025”加快制造业产业转型升级，焊接机器人在车桥壳体焊接生产过程中得到了广泛应用，同时，机器人焊接在提高生产效率和产品质量、降低成本、减轻劳动强度等方面的优势越来越明显。机器人的广泛应用，不仅仅是单纯的替代人工，更是提升制造业效率与柔性的重要手段。目前，国内车桥壳体焊接生产应用机器人普遍存在的主要问题是没有针对不同的产品结构进行焊接顺序、焊接过程轨迹点设置、焊接参数等进行优化，大多只是模拟人工操作的动作执行已编辑好的程序[2]，并应用机器人厂商配置的焊接工艺进行焊接生产，以至影响了焊接机器人系统最大效能的发挥。

机器人焊接的焊枪与焊缝相对位置关系以及机器人运动平稳性直接决定焊缝质量。为了保证车桥壳体的焊接质量，必须根据车桥壳体的焊接结构和机器人的运行特点，有针对性地优化焊接顺序、机器人焊接路径轨迹点的设置、特殊位置（如拐角）的焊接参数等，以发挥机器人焊接的最大效能，达到保证质量、提高效率、降低成本的目的。

2 车桥壳体结构

车桥的作用是承受汽车的载荷，维持汽车在道路上的正常行驶，而车桥壳体的焊缝质量是影响内部零件质量的关键。车桥壳体结构如图1所示（红色部分为壳体的焊缝组成），焊接装配如图2所示。

图1 车桥壳体结构及焊缝组成

图2 车桥壳体焊接装配图

3 车桥壳体焊接技术要求

（1）车桥壳体材料 选用厚度为5mm的16Mn钢。

（2）接头形式 对接接头。

（3）焊接位置 水平位置。

（4）机器人 M-10iA/机器人本体、R-30iB Mate控制柜。

（5）焊接电源 TPS5000TIME高速焊机。

（6）技术要求 具体要求如下。

1）采用25%CO2+25%He+50%Ar三元混合气体保护焊进行焊接；焊丝牌号CG3Si1，ϕ1.2mm；通过手动操作机器人编程由PLC控制完成焊接作业。

2）焊缝质量要求。焊缝外观质量要求见表1，焊缝内部质量符合GB/T 3323—2019中的Ⅲ级规定，熔深大于板厚t的75%。

表1 焊缝外观质量要求

4 焊接路径优化函数

根据焊枪与焊缝相对位置关系（见图3），为使焊枪位姿变换到与焊点位姿重合，避免焊偏，根据焊枪的工作角α、行走角β、自转角γ之间关系，采用船形焊接，根据粒子群算法进行焊接路径优化，建立焊接路径优化函数，调整机器人各个关节的可达性，焊接姿态函数如下[3]：

k1，k2——焊枪工作角和行走角之间的权重系数，考虑工作角和行走角对焊接质量的影响，分别取k1=0.15，k2=0.85；

Δαimax，Δβimax——实际与理想的工作角和行走角之间允许的最大偏差（°）；

αi，βi——实际工作角与行走角（°）；

α0，β0——理想工作角与行走角（°）。

船形焊时的角度为0°，焊接姿态函数为：

图3 焊枪焊缝相对位置关系

5 焊接顺序和轨迹点设置的优化

针对车桥壳体结构及原焊接工艺进行分析，分别对壳体焊缝的焊接顺序、机器人焊接路径轨迹点的设置、交汇点（即Y形焊缝结点）焊接参数进行优化（见图4、图5）。

图4 优化前焊接方案

图5 优化后焊接方案

图4为优化前焊接方案，焊接参数见表2。整个壳体Y形焊缝由1、2、3三段组成，在后桥壳体与菱形板角接处交汇，焊接顺序为焊缝2（在B点起弧至交汇点）→焊缝1（在交汇点起弧，与焊缝2收弧点重叠，向A点焊接）→焊缝3（在交汇点起弧，与焊缝2收弧点重叠，向C点焊接）进行焊接。

表2 优化前车桥壳体机器人焊接参数

图5为优化后焊接方案，焊接参数见表3。整个壳体Y形焊缝由1、2两段组成，在后桥壳体与菱形板角接处交汇，焊接顺序为焊缝1（在A点起弧至交汇点）→焊缝2（在B点起弧，在交汇点覆盖焊缝1收弧点，向C点焊接）。针对后桥壳体与菱形板交接处易出现的焊接质量缺陷，设置交接处拐角焊缝三点轨迹点，同时，拐角采用表3焊缝参数进行焊接。

表3 优化后车桥壳体机器人焊接参数

6 焊接工艺优化结果分析

（1）从焊接质量角度分析 图4交汇点为焊缝2的收弧点、焊缝1和焊缝3的起弧点在后桥壳体与菱形板交接处重叠，焊缝宽度增加，余高过高，外观尺寸达不到设计要求。同时，在汇集点收弧、起弧交替进行，热输入增大，熔池铁液流动性和扩展性差，易出现焊穿、焊漏、未熔合、气孔及夹杂等缺陷，内部质量不合格。

根据车桥壳体结构进行了机器人焊接路径轨迹点设置的优化，如图5所示，由1、2两段焊缝组成，热输入减小，可避免焊穿或焊漏，同时还可避免在车桥壳体与菱形板接合处产生收弧、起弧交替，焊缝2一次成形，在交汇点焊缝2焊接时对焊缝1收弧点进行再次重熔，使1、2两段焊缝比较好地熔合，达到技术要求的焊接熔深（见图6），保证交汇点焊缝质量符合设计要求（见图7、图8）。

图6 焊接工艺优化后产品焊缝熔深

图7 焊接工艺优化后车桥

图8 车桥壳体

（2）从焊接效率和成本角度分析 从图4的焊枪行走轨迹可知，在焊接焊缝1后，在A点收弧，之后焊枪将行走到焊缝2的B点起焊，完成焊缝2的焊接。根据产品设计图1可知，A点与B点直线距离约为650mm，以焊接速度800mm/min测算，焊枪从A点行走到B点所用时间约为0.8125min，之后完成焊缝2后再从三段焊缝汇集点起焊完成焊缝3的焊接。以100件产品为例，焊枪从A点行走到B点的时间为81.25min。因此，在保证质量的前提下，焊枪未施焊时间占比较大，焊接效率较低。

从图5的焊枪行走轨迹可知，在A点起焊完成焊缝1，在两段焊缝交点处收弧，之后焊枪行走至焊缝2的B点起弧焊接，直到焊缝2的C点收弧，完成焊缝2的焊接。焊枪在完成这两段焊缝的整个生产过程中，未施焊过程只有从A点行走至B点。根据产品设计可知，A点与B点直线距离约为150mm，以焊接速度800mm/min测算，焊枪从A点行走到B点所用时间约为0.1875min。同样以100件产品为例，焊枪从A点行走到B点的时间为18.75min。优化后与优化前对比，未施焊时间节省了62.5min，焊接效率明显提高，大大缩短了产品生产过程。

因此，焊接工艺的优化是发挥焊接机器人最大效用的关键。从车桥焊接工艺优化前后对比可知，经过优化后，质量得到进一步提升，焊接效率大大提高，成本得到有效降低。

7 结束语

本文根据车桥壳体的结构设计，针对壳体的焊接过程进行了焊接顺序、机器人焊接路径轨迹点的设置、特殊位置（如拐角位置）焊接参数等的工艺优化。试验和生产结果表明，焊接工艺优化后，焊接质量好，焊接效率显著提高，生产成本有效降低。因此，在实际的机器人焊接生产中，为达到产品质量、效率和成本的最优效果，非常有必要对焊接顺序、机器人焊接路径轨迹点设置、焊接参数以及焊枪行走节拍等进行科学合理的配置。