■ 張銀輝，王冬云

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1. 概述

隨著中國制造2025發(fā)展戰(zhàn)略的縱深推進，“機器換人”已經(jīng)成為當前制造型企業(yè)進行供給側(cè)改革的主要途徑。以焊接為例，具有工作環(huán)境惡劣、重復(fù)勞動強度大、人工工資高的特點，是“機器換人”的重點工種。長期以來，我國生產(chǎn)的焊機還大部分以手工弧焊機為主，自動化水平遠低于歐美日韓等發(fā)達國家。隨著工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，焊接機器人也逐漸成為中小企業(yè)關(guān)注的重要內(nèi)容。相比于手工焊接，工業(yè)機器人焊接具有焊接質(zhì)量好、效率高、勞動強度低、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在國內(nèi)外焊接領(lǐng)域中發(fā)展很快，在生產(chǎn)中的應(yīng)用日趨廣泛。為了進一步研究焊接機器人的加工工藝，本文以Q235鋼板焊接為研究對象，分析了手動、機器人兩種焊接工藝手段對焊縫成形質(zhì)量及焊縫成形特征，并開展了試驗研究。通過試驗結(jié)果，分析了焊縫成形質(zhì)量的影響因素。

2. 焊接機器人的組成

焊接機器人由機械、傳感和控制三大部分組成，分為伺服驅(qū)動、機械本體、計算機控制、傳感系統(tǒng)、輸入輸出（I/O）和人機交互六個子系統(tǒng)組成。機械部分是機器人的骨骼和肌肉，包括伺服驅(qū)動和機械本體兩個子系統(tǒng)。本次研究所用的KUKA機器人型號為KR5 R1400，控制柜KR C4 smallsize，焊機為麥格米特—Artsen PM400，送絲裝置WF1—50Z，焊槍TBi ROBO 7G（空冷經(jīng)濟型機器人焊槍）。

3. 試驗材料及工藝方法

手工氣體保護焊和機器人氣體保護焊的被焊母材均選用250mm×40mm×12mm的Q235鋼板, 焊邊開30°坡口（鈍邊0.3～0.5mm）。焊機型號均為麥格米特—Artsen PM400型直流逆變電焊機, 焊絲牌號為上海大西洋CHW—50C6，焊絲直徑為1.2mm，保護氣體流量為每分鐘15L，CO2氣體純度約99.7%，焊件根部裝配間隙始端2mm、終端3mm。研究焊縫成形特征時，選用同樣的焊接參數(shù)對被焊母材進行表面堆焊，在焊縫的典型位置處取樣，并將其打磨、拋光和腐蝕，以便于觀察和測量。手工CO2氣體保護焊的焊接參數(shù)如表1所示，機器人焊的焊接參數(shù)如表2所示。由表1、表2 可知，由于手工保護焊是人工操作，焊接電流可通過焊機控制，但焊接電流不能穩(wěn)定、精確地控制，焊接電流的穩(wěn)定性取決于操作者的水平和熟練程度，以及操作時的主客觀因素。并且手工焊接速度是否穩(wěn)定且勻速，也取決于操作者的技術(shù)水平和諸多主客觀因素，只能通過焊縫長度除以焊接時間來計算平均焊接速度。相比之下，機器人焊接能實現(xiàn)自動化焊接,焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數(shù)可穩(wěn)定精確地控制。

4. 試驗結(jié)果與分析

（1）焊縫外觀成形特征 手工焊與機器人焊蓋面層成形對比如圖1、圖2所示，蓋面層成形對比如圖3所示。針對填充層焊縫，機器人焊接可通過調(diào)節(jié)參數(shù)（增大打底層焊縫擺動寬度）省去填充層，故機器人焊接不僅可節(jié)省焊接時間而且還減少了層間缺陷產(chǎn)生的幾率。通過對比可知，機器人焊接相比手工焊的焊縫成形美觀、質(zhì)量高。

通過手工焊與機器人焊焊縫外觀尺寸測量對比可知：一個熟練焊工正反面焊縫質(zhì)量為Ⅰ至Ⅱ級；而機器人焊正反面焊縫在參數(shù)試驗成功的情況下，焊縫質(zhì)量均為Ⅰ級。

圖1 手工焊打底層成形

圖2 機器人焊打底層成形

圖3 蓋面焊成形

表1 CO2氣體保護焊焊接參數(shù)

表2 機器人焊接參數(shù)

（2）焊縫內(nèi)部成形特征 對手工氣體保護焊和機器人氣體保護焊的焊縫橫截面進行內(nèi)部金相試驗。將手工焊件焊縫的典型位置處取樣D1、D2，將機器人焊件取樣E1、E2，并將其打磨、拋光和腐蝕，以便于觀察和測量。焊縫內(nèi)部拍片質(zhì)量如圖4、圖5所示。

綜合上述，手工氣體保護焊和機器人氣體保護焊焊縫外觀成形和內(nèi)部成形照片可看出差異較大，手工氣體保護焊焊縫表面粗糙，焊縫高低差、寬窄差不一，內(nèi)外均存在缺陷；而機器人氣體保護焊焊縫表面波紋細致、美觀，焊縫平直，高低差、寬窄差基本一致。原因是手工氣體保護焊無法實現(xiàn)自動化焊接，人為操控導(dǎo)致焊接過程中各參數(shù)無法精確穩(wěn)定的控制，結(jié)果焊縫表面和內(nèi)部質(zhì)量不如機器人氣體保焊好；此項研究中機器人焊接相比手工焊（除去根部點固焊時間、層間清渣時間），單件焊接省時1min，層間冷卻省時5～8min，共計省時6～9min。

5. 結(jié)語

（1）手工氣體保護焊與機器人氣體保護焊比較，一個熟練焊工焊接多道焊縫，在規(guī)定時間和有效測量范圍測得質(zhì)量能達到Ⅰ至Ⅱ級，測得內(nèi)部金相試驗可能出現(xiàn)氣孔、未熔合等缺陷；機器人自動焊接設(shè)備在經(jīng)過多次調(diào)試參數(shù)，試驗成功后焊接多道焊縫，在規(guī)定時間和有效測量范圍測得質(zhì)量能達到Ⅰ級，測得內(nèi)部金相試驗無缺陷。

圖4 手工焊焊縫內(nèi)部拍片

圖5 機器人焊焊縫內(nèi)部拍片

（2）為提高效率，機器人CO2氣體保護焊焊接多道焊縫可通過調(diào)節(jié)運動參數(shù)減少或省去填充層焊縫，相比手工焊就很難保證背面和層間焊道的焊縫質(zhì)量，故機器人焊接節(jié)省焊接時間、減少了層間缺陷產(chǎn)生的可能。

（3）機器人焊接相比手工焊接勞動條件優(yōu)越，生產(chǎn)率高、勞動強度小、勞動環(huán)境好，是未來發(fā)展的趨向。

[1] 金碚. 中國制造2025. 北京：中信出版社，2015.

[2] 吳林，王麟書，陳善本. 我國焊接行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[A]. 第八次全國焊接會議文集第一冊[C]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997：3.

[3] 許志安. 焊接實訓(xùn). 北京：機械工業(yè)出版社[M]. 1997：97-99.

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