劉丹，鄭博方，王帥，李洋，羅震

1.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì) 北京 100036

2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300354

1 序言

焊接是一項(xiàng)工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、對(duì)操作人員的操作熟練程度要求高，且對(duì)操作人員會(huì)產(chǎn)生一定潛在危害的工種。在進(jìn)入 21 世紀(jì) 20 年代的今天，伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)規(guī)模的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提升，同時(shí)由于我國(guó)社會(huì)老齡化不斷加劇，一線焊接工人的數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。而根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的我國(guó)焊接材料的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，從2006—2014年，我國(guó)焊材產(chǎn)量在逐年增加，這意味著焊接工作量在逐年增加。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)有效解決了這種供需矛盾，并且可以使更多人把有限的工作時(shí)間投入到更具創(chuàng)造力的工作中去[1]。同時(shí)，焊接機(jī)器人的使用可以大幅提高焊接生產(chǎn)效率，改善操作人員的勞動(dòng)條件，穩(wěn)定和保證產(chǎn)品質(zhì)量，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化生產(chǎn)，并能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化升級(jí)改造。

機(jī)器人焊接是指機(jī)器人代替手工作業(yè)，即利用焊接機(jī)器人系統(tǒng)完成焊接作業(yè)，獲得合格焊件的過(guò)程，按照機(jī)器人所用焊接工藝方法不同，可將其分為點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、攪拌摩擦焊機(jī)器人及激光焊機(jī)器人等類(lèi)型；根據(jù)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展程度的不同，焊接機(jī)器人可分為示教再現(xiàn)型機(jī)器人、智能型機(jī)器人等；機(jī)器人在焊接領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]，據(jù)統(tǒng)計(jì)約25%的工業(yè)機(jī)器人用于焊接操作[4]。機(jī)器人焊接具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括焊接穩(wěn)定性高、質(zhì)量好；可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；改善了勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下工作；降低了工人的技術(shù)操作水平和勞動(dòng)強(qiáng)度；保證焊接質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本；柔性化程度高，可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化；可在各種極限條件下完成焊接作業(yè)。機(jī)器人焊接大致可分為三個(gè)階段：準(zhǔn)備、施焊和焊后檢測(cè)。準(zhǔn)備階段主要進(jìn)行工件的裝配以及機(jī)器人的示教編程，目前常用的示教編程又可按照人工和自動(dòng)、在線與離線兩類(lèi)。人工在線編程方法簡(jiǎn)單、成本低，但耗時(shí)多，同時(shí)依賴于焊工的技能。自動(dòng)離線編程是目前關(guān)注度較高的先進(jìn)技術(shù)，其特點(diǎn)在于柔性高、可以產(chǎn)生復(fù)雜軌跡、比人工在線編程速度快。在施焊過(guò)程中往往采用焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)來(lái)補(bǔ)償示教中可能出現(xiàn)的偏差，保證焊槍與焊縫的對(duì)中。

機(jī)器人焊接也帶來(lái)了諸多新的挑戰(zhàn)：①工件制備質(zhì)量和焊件裝配精度要求高。②設(shè)計(jì)工件的結(jié)構(gòu)及焊接工藝時(shí)，要考慮焊槍的可達(dá)性、變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)等。③投資額度高，回收周期長(zhǎng)。④電源功率須滿足機(jī)器人自動(dòng)化焊接所要求的高輸出、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。此外，機(jī)器人焊接對(duì)操作者的要求較高，需要具備較高的綜合素質(zhì)；為了獲得高質(zhì)量的焊縫，通過(guò)制定精準(zhǔn)合理的機(jī)器人焊接工藝尤為重要。

2 機(jī)器人焊接關(guān)鍵工藝

2.1 機(jī)器人焊接工藝性分析

機(jī)器人焊接工藝主要包括焊接方法、焊接電源、母材、焊材、氣體、板厚（管徑及壁厚）、坡口形式、焊前裝配、焊接位置、焊接順序、焊接軌跡、焊槍姿態(tài)及焊接參數(shù)等，在制定機(jī)器人焊接工藝前，首先要對(duì)被焊工件和焊材有著充分的了解，此后對(duì)焊件材料的焊接性、下料、成形加工工藝、裝配方法的選用以及機(jī)器人的焊接軌跡、姿態(tài)、焊槍角度、焊接參數(shù)等進(jìn)行分析，確定焊接重點(diǎn)及難點(diǎn)，制訂解決措施，達(dá)到控制焊接質(zhì)量、提高效率、降低成本等目的。

根據(jù)焊件的技術(shù)要求，通過(guò)工藝分析，運(yùn)用機(jī)器人焊接工藝知識(shí)來(lái)擬定機(jī)器人的焊接方案，并充分考慮焊接順序、關(guān)鍵點(diǎn)的處理、焊槍角度及機(jī)器人的姿態(tài)等問(wèn)題。在機(jī)器人焊接路徑及姿態(tài)編程完成后，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，完成焊接工藝試驗(yàn)；最終從質(zhì)量、效率、成本三方面進(jìn)行工藝方案比較，選定最佳方案。

2.2 機(jī)器人焊接缺陷及防止措施

機(jī)器人焊接對(duì)裝配的精度要求較高，在間隙過(guò)大時(shí)可能出現(xiàn)金屬漏到焊縫背面形成焊瘤，需要較高的加工及裝配精度來(lái)避免這種問(wèn)題。在設(shè)置直線焊接焊槍擺動(dòng)時(shí)，兩側(cè)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能造成局部熱輸入大形成焊瘤，可通過(guò)調(diào)整停留時(shí)間解決。在T形接頭的90°轉(zhuǎn)角時(shí)，焊槍在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中焊絲端點(diǎn)并未移動(dòng)導(dǎo)致熔敷金屬過(guò)多外流產(chǎn)生滿溢缺陷，應(yīng)通過(guò)設(shè)置合理的軌跡點(diǎn)或調(diào)整焊接參數(shù)來(lái)避免。當(dāng)機(jī)器人TCP點(diǎn)不準(zhǔn)時(shí)，焊槍位姿旋轉(zhuǎn)變化會(huì)導(dǎo)致焊槍偏離焊縫，產(chǎn)生滿溢缺陷或焊偏，如圖1所示。為防止出現(xiàn)此類(lèi)缺陷，應(yīng)保證機(jī)器人TCP點(diǎn)的準(zhǔn)確以及在示教時(shí)以合理干伸長(zhǎng)來(lái)定位焊槍位置以及示教。除此之外，手工焊接時(shí)可能出現(xiàn)的包括燒穿、氣孔、裂紋及弧坑等缺陷同樣會(huì)出現(xiàn)在機(jī)器人焊接上，只有在保證了各類(lèi)參數(shù)合理配合的基礎(chǔ)上，才能得到高質(zhì)量的焊縫。

3 機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃

圖1 焊縫缺陷

焊接路徑規(guī)劃是機(jī)器人焊接的首要問(wèn)題。規(guī)劃焊接接頭的路徑方法有三種：一層一道焊、一層多道焊和多層多道焊。其中一層一道焊和一層多道焊的區(qū)別是選擇直線焊接擺動(dòng)來(lái)規(guī)劃路徑，但擺動(dòng)雖然減少了焊接道數(shù)，卻會(huì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生更高的要求。多層多道焊是以上兩種焊接方法的結(jié)合。

焊接路徑規(guī)劃主要分為：焊接參數(shù)規(guī)劃、焊道截面積規(guī)劃、焊接順序規(guī)劃和焊槍姿態(tài)規(guī)劃4部分。以V形坡口為例，首先在完成坡口的探測(cè)后，根據(jù)坡口總高度來(lái)計(jì)算坡口填充所需要的總層數(shù)；然后在層數(shù)確定后，運(yùn)算出層高，并以此計(jì)算出簡(jiǎn)化為菱形的焊道橫截面積，而每層的最后一道焊道設(shè)定為梯形；最后通過(guò)每層橫截面的總面積除以單道焊縫橫截面面積便可求該層的總道數(shù)。完成運(yùn)算后，根據(jù)每層多道焊的數(shù)量排布來(lái)進(jìn)行焊縫的填充，為保證焊道的填充飽滿致密和焊接過(guò)程平穩(wěn)，選擇合適的焊接次序，V形坡口焊道排布及順序如圖2所示。

圖2 V形坡口焊道排布及順序

在確定焊接次序后，根據(jù)焊道的安排，推導(dǎo)出焊道起、收弧點(diǎn)的坐標(biāo)，繼而確定焊槍的位姿及其焊接擺幅，位姿和擺幅的確定決定于上述焊道的排布情況，使焊槍處于規(guī)劃的每道焊縫的對(duì)稱軸上，有助于焊出高質(zhì)量的焊縫。

4 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人焊接

以MICROBO機(jī)器人為例介紹現(xiàn)場(chǎng)焊接。該機(jī)器人是一款便攜式、全自動(dòng)焊接機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)、船舶、海洋工程及通用機(jī)械等行業(yè)；MICROBO機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成如圖3所示，包括機(jī)器人本體、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制箱、示教器、導(dǎo)軌、焊接電源、送絲裝置、送絲電纜、焊槍、電磁開(kāi)閉器、控制轉(zhuǎn)接器、防干擾變壓器及連接線纜等。

MICROBO機(jī)器人采用接觸傳感器來(lái)確定焊件坡口的位置。接觸傳感器的工作原理是依靠在焊絲及母材間形成電壓差，接觸時(shí)的導(dǎo)電會(huì)提供信號(hào)給計(jì)算機(jī)并記住母材或焊縫的位置。圖4為使用接觸傳感器進(jìn)行坡口及坡口尋位方法示意。MICROBO機(jī)器人在進(jìn)行多層多道焊焊接時(shí)，操作人員只需在軟件中選擇實(shí)際工件對(duì)應(yīng)坡口形式，機(jī)器人即可通過(guò)焊絲接觸傳感器自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并獲得工件的板厚、坡口角度、根部間隙、焊縫長(zhǎng)度以及位置偏移量等焊縫信息，并自動(dòng)演算出最適合的電流電壓、焊接速度、焊接時(shí)間、擺幅以及層數(shù)等焊接參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)多層多道焊接。免去了傳統(tǒng)機(jī)器人焊接的示教過(guò)程，既縮短了焊接時(shí)間，降低了焊接難度，又減輕了企業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的依賴。成形效果如圖5所示。

5 基于多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算的機(jī)器人焊縫規(guī)劃補(bǔ)償技術(shù)

焊接機(jī)器人在進(jìn)行焊接的時(shí)候，由于局部不均勻加熱，焊接區(qū)域受熱體積因周?chē)浣饘俚淖璧K，發(fā)生彈塑性變形，使得工件發(fā)生形變，從而影響弧長(zhǎng)、焊接電流和電弧電壓等焊接參數(shù)。為了避免工件變形影響焊接過(guò)程穩(wěn)定性，在焊接機(jī)器人施焊之前，需要根據(jù)不同焊縫部位與結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行誤差修正。

圖3 MICROBO機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成

圖4 坡口及坡口尋位方法示意

圖5 MICROBO機(jī)器人焊接成形效果

為了得到修正量，本文利用ANSYS軟件計(jì)算焊接過(guò)程中工件發(fā)生的變形。傳統(tǒng)工件變形往往采用“熱-電-力”耦合模型進(jìn)行計(jì)算。為了提高計(jì)算精度，更準(zhǔn)確地指導(dǎo)機(jī)器人焊接，本文建立了“熱-電-力-流”多物理場(chǎng)耦合模型，使用生死單元技術(shù)和熔池流體力學(xué)等，模擬多層多道焊過(guò)程，計(jì)算焊接過(guò)程中的變形。

本文以圓管焊接為例進(jìn)行介紹，圖6a為建立的有限元模型，為了提高計(jì)算效率，建立圓管1/8模型（45°）。機(jī)器人焊接模擬分三步：打底、填充、蓋面，模擬層數(shù)分別為1-2-1層。首先確定焊件外表面的邊界條件，而后根據(jù)焊接熱源的不同，選擇合適的熱源模型（電弧焊使用高斯面熱源模型，激光焊接使用旋轉(zhuǎn)高斯熱源模型）。本例中模型共3952個(gè)節(jié)點(diǎn)，3195個(gè)單元，其中焊縫網(wǎng)格劃分較細(xì)，母材網(wǎng)格較粗。根據(jù)多場(chǎng)耦合法，對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算；計(jì)算分為多段，每段先對(duì)其溫度與變形場(chǎng)進(jìn)行分析，再進(jìn)行流場(chǎng)的耦合計(jì)算。圖6b為打底焊焊縫橫截面的溫度場(chǎng)分布，其中灰色部分為熔池。圖6c為第二道填充焊的溫度場(chǎng)分布。圖6d顯示的是蓋面焊縫的溫度場(chǎng)與變形的分布。圖6e是熱源開(kāi)始移動(dòng)時(shí)溫度場(chǎng)的分布，因所采用的X70鋼熱導(dǎo)率較低，熔池沿焊槍移動(dòng)方向呈明顯細(xì)長(zhǎng)狀。圖6f為在完成溫度場(chǎng)計(jì)算后，耦合熱-電-力-流四場(chǎng)得到的流場(chǎng)分布。

圖6 焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力變形和流場(chǎng)

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)器人焊接過(guò)程中若干關(guān)鍵技術(shù)、缺陷及防止措施、最新理論和焊接方法介紹，得到以下主要結(jié)論：

1）分析說(shuō)明了機(jī)器人焊接時(shí)工藝制定的原則和缺陷防止措施，包括對(duì)材料性能的掌握、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)的調(diào)整、焊接參數(shù)的優(yōu)化，以及這三者之間的匹配關(guān)系，并介紹了間隙過(guò)大、擺動(dòng)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及T形接頭90°轉(zhuǎn)角處常見(jiàn)的機(jī)器人焊接缺陷以及防治方法。

2）針對(duì)機(jī)器人多層多道焊，介紹了免示教、可自動(dòng)焊縫規(guī)劃的MICROBO機(jī)器人。通過(guò)接觸傳感檢測(cè)得到工件板厚、坡口角度、根部間隙、焊縫長(zhǎng)度及位置偏移量等信息，自動(dòng)演算出最適合的焊接參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)多層多道焊接，提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。

3）提出了基于多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算的機(jī)器人焊縫規(guī)劃補(bǔ)償技術(shù)，建立了多層多道焊接有限元模型，利用多物理場(chǎng)耦合方法，計(jì)算焊接過(guò)程中的溫度差、流場(chǎng)及焊接變形；以模擬得到的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)機(jī)器人焊接誤差進(jìn)行修正，保證焊接質(zhì)量。