常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周 斌 周英華 錢(qián)金法 殷榮幸

7000系鋁合金輪椅底架結(jié)構(gòu)主件機(jī)器人協(xié)焊工藝

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周 斌 周英華 錢(qián)金法 殷榮幸

采用機(jī)器人協(xié)焊（MIG焊）工藝對(duì)高強(qiáng)度鋁合金管件（7000系列）多管件構(gòu)件組成的輪椅骨架部件接進(jìn)行了實(shí)踐和研究，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐和優(yōu)化，得到了較佳的協(xié)焊方案和焊接工藝參數(shù)，保證了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，減小了產(chǎn)品的變形，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

7000系列鋁合金；輪椅底架；機(jī)器人協(xié)焊（MIG焊）；焊接工藝

1 概述

由高強(qiáng)度鋁合金管件組成的輪椅骨架主要結(jié)構(gòu)部件（圖l）是為輪椅底架配套的座椅結(jié)構(gòu)總成中的一個(gè)核心部件，其產(chǎn)品特點(diǎn)是：采用7000系列鋁合金薄壁管材，管件尺寸較?。?0mm左右），焊縫分散，管件間都是三維空間相貫線連接，焊接難度較大。

綜合以上分析后，提出了對(duì)機(jī)器人、焊接電源及焊接工裝的配置和設(shè)計(jì)要求。通過(guò)聯(lián)機(jī)調(diào)試成功后，對(duì)合理設(shè)定焊接工裝和焊接工藝參數(shù)及優(yōu)化焊接順序進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試，并對(duì)焊接產(chǎn)品按要求進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)和強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果均合格。使該結(jié)構(gòu)部件實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人三維協(xié)作MIG焊接， 并取得了良好的效果。

圈1 鋁合金輪椅底架主要部件

該部件是輪椅底架部件中用量最大的部件，以往采用手工TIG焊，操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接效率低，變形大，一致性差。為此，筆者開(kāi)展了機(jī)器人協(xié)焊的研究，從機(jī)器人、焊接電源、焊接工裝、工藝參數(shù)等方面進(jìn)行了全方位的探索和研究，以此來(lái)替代手工焊接，保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。同時(shí)，解決了企業(yè)當(dāng)前用工難、成本高的困境。

2 焊接設(shè)備

2.1 焊接機(jī)器人

根據(jù)各種焊接設(shè)備的試焊情況及產(chǎn)品與焊機(jī)匹配的良好特性，本方案中工業(yè)機(jī)器人弧焊工作站選擇的弧焊機(jī)器人為安川MA1400，選擇安川MH6為工件傳送機(jī)器人，DX100控制器中內(nèi)置了弧焊專用程序。MA1400的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MA1400機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

圖2 伏能士CMT3200焊接電源

2.2 焊接電源

鋁合金焊接的特點(diǎn)是：鋁合金表面氧化膜的熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，而鋁材本身熔點(diǎn)僅為650℃，鋁合金熱導(dǎo)率較高（是鋼的3倍），因此，對(duì)于一個(gè)多管件構(gòu)件來(lái)說(shuō)，在焊接開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，構(gòu)件的溫差是比較大的，所以其焊接工藝參數(shù)也必須隨之改變。要滿足上述要求，必須使焊接電源具備良好的鋁合金焊接性能。通過(guò)用松下、OTC等各種品牌的焊接設(shè)備對(duì)7000系列鋁管件的焊接試驗(yàn)，最后選擇了伏能士（Fronius）公司的產(chǎn)品。伏能士（Fronius）公司生產(chǎn)的CMT系列冷金屬焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺MIG/MAG焊接，可用于所有的金屬材料及所有工業(yè)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)表明，CMT系列冷金屬焊機(jī)特別適應(yīng)7000系列鋁合金的焊接要求，根據(jù)焊材的特點(diǎn)，我們最終選擇伏能士CMT3200焊接電源（圖2）和配套焊接系統(tǒng)，包括焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、送絲盤(pán)等，只需將各部分的控制電纜、檢測(cè)電纜與焊接電源連接好，將氣管與氣源對(duì)接好即可。

CMT3200焊接電源的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CMT3200焊機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.3 RCU的選配

一般，CMT3200焊接電源與焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、送絲盤(pán)等構(gòu)成的焊接系統(tǒng)很難焊接出企業(yè)所期望的魚(yú)鱗狀焊接效果。RCU-5000（圖2所示）是伏能士公司新研制的集大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和焊接特性曲線，并可根據(jù)用戶需求進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整的為品，與焊接電源的連接很簡(jiǎn)單，只需將電纜端口插入焊接電源后面對(duì)應(yīng)插座即可，此時(shí)，焊接電源執(zhí)行的焊接曲線及相關(guān)指標(biāo)，將由RCU決定。

圖3 RCU-5000

RCU-5000可預(yù)置儲(chǔ)存大量JOB，即焊接一個(gè)產(chǎn)品時(shí)可存儲(chǔ)大量焊接工藝參數(shù)，以適應(yīng)不同焊接部位工藝參數(shù)變化的需要，焊機(jī)與機(jī)器人的實(shí)時(shí)通信，可以方便地達(dá)到焊接不同部位時(shí)調(diào)用不同的焊接工藝參數(shù)的目的。

2.4 焊接工裝

本系統(tǒng)采用雙機(jī)器人協(xié)焊方式，工裝除要滿足四個(gè)管件定位裝夾要求外，還要求具備隨動(dòng)功能，即由抓舉機(jī)器人抓舉工裝臺(tái)在空間按要求翻轉(zhuǎn)隨動(dòng)，保證焊槍在任一焊接位置與工裝夾頭不相干涉，同時(shí)零件的定位、夾緊可靠，拆裝方便，本工裝在總體設(shè)計(jì)上采用組合式結(jié)構(gòu)框架， 以保證工裝的精度（見(jiàn)圖4）。

圖4 隨動(dòng)式工裝臺(tái)

2.5 焊絲

為滿足焊縫強(qiáng)度和良好的熔合性要求， 對(duì)7003母材選用5356焊絲，直徑為1.0mm。

3 焊接

3.1 焊接軌跡示教

管件裝夾到位后，檢查各管件焊縫處間隙（要求＜0.8mm）。組合示教抓舉機(jī)器人和焊接機(jī)器人（圖5所示），按兩邊和對(duì)稱交叉的原則確定焊接位置順序，示教焊槍姿態(tài)盡可能保持平焊姿態(tài)，合理調(diào)整焊槍與焊道的夾角，分段示教完成后，作一個(gè)完整的示教軌跡，檢查是否有干涉。

圖5 雙機(jī)器人協(xié)焊示教

3.2 焊接工藝參數(shù)

送絲速度及焊槍運(yùn)行速度至關(guān)重要，因?yàn)镸IG焊機(jī)的焊接電流是由送絲速度來(lái)決定的，送絲速度和焊接電流成正比。試焊發(fā)現(xiàn)相同的焊縫接頭（即相同的零件壁厚和接頭形式及相同的焊接姿態(tài)和焊接工藝參數(shù)）在工件處于冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)，其焊縫的質(zhì)量有較大的差異，熱態(tài)時(shí)表現(xiàn)出焊接電流偏大，有時(shí)甚至出現(xiàn)零件被焊穿的情況。主要原因是鋁合金的熱導(dǎo)率大，短時(shí)間內(nèi)熱量的集聚使得相同的焊接工藝參數(shù)在熱態(tài)下焊接電流顯得偏大；對(duì)于冷態(tài)和熱態(tài)的引弧和熄弧情況同樣如此，為改善冷態(tài)引弧時(shí)產(chǎn)生的不良焊接，采用了較大的電流，再加上調(diào)節(jié)脈沖頻率，在很大程度上改善了焊縫的熔合外觀特征，而熄弧則采用電流衰減和延時(shí)熄弧，減少了熄弧凹坑的缺陷。

根據(jù)零件壁厚及形狀差異、不同的焊接姿態(tài)及引弧和熄弧的特殊要求、焊接順序及管件溫度的差異等狀況，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，得到了較優(yōu)的工藝參數(shù)配置，確定焊接工藝參數(shù)（表3為焊接主要工藝參數(shù)）。達(dá)到表面焊接質(zhì)量要求后，對(duì)焊縫熔深和接頭的力學(xué)性能（拉伸、彎曲）進(jìn)行測(cè)試，均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。焊后構(gòu)件的焊接變形小，焊接效率比采用手工TIG焊時(shí)提高5-8倍。

表3 焊接主要工藝參數(shù)

圖6 魚(yú)鱗狀焊接效果

4 焊接效果

工藝參數(shù)優(yōu)化后， 在合適的焊接電流、送絲速度和脈沖條件下，通過(guò)機(jī)器人控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)焊槍的位置、姿態(tài)與工裝之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及調(diào)用相應(yīng)的焊接JOB，實(shí)現(xiàn)了如圖6所示的焊接效果。

5 結(jié)論

（l）機(jī)器人焊接焊槍重復(fù)定位精度較高，軌跡穩(wěn)定，焊接工藝參數(shù)可以隨意調(diào)用，焊槍運(yùn)動(dòng)時(shí)速度平穩(wěn)，克服了手工焊接快慢不均的缺點(diǎn)，使其均勻性和一致性良好，從而焊縫質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）雙機(jī)器人協(xié)焊調(diào)整空間大，比較適合結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的構(gòu)件，焊接時(shí)，焊槍和工裝可實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，可有效提高工作效率。

（3）機(jī)器人MIG焊焊接速度遠(yuǎn)高于手工TIG焊，因此熱量集聚大幅減少，焊件變形小。

（4）CMT3200焊接電源配置RCU-5000后，其工作靈活性大幅提升，可通過(guò)調(diào)用不同JOB實(shí)施分段焊接，有效提高焊接質(zhì)量。

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周斌（1983—），江蘇鎮(zhèn)江人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：自動(dòng)化控制。

課題：2014年江蘇省前瞻性研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：BY2014043康復(fù)輪椅鋁構(gòu)件機(jī)器人3D協(xié)焊自動(dòng)生產(chǎn)線管件技術(shù)的研究。