張 佩

（江蘇省常州市寶菱重工機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213022）

1 背景及行業(yè)現(xiàn)狀

焊接技術(shù)是裝備制造業(yè)中的核心技術(shù)之一。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)件的焊接多依賴人工，但是面對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，面對(duì)企業(yè)勞動(dòng)力成本、環(huán)保要求的不斷提高，焊接技術(shù)工人的短缺，產(chǎn)品焊接工藝技術(shù)質(zhì)量、生產(chǎn)效率要求的不斷提高，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已經(jīng)無(wú)法滿足要求。自動(dòng)化焊接設(shè)備效率高、焊接性能好、多功能、有利于實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為焊接設(shè)備的主流，其中焊接機(jī)器人就是最具代表性的自動(dòng)化焊接設(shè)備。

連鑄設(shè)備是各大鋼廠的重要設(shè)備，其中扇形段包括扇形段框架及其他關(guān)鍵零部件，涉及大量大熔深坡口焊接以及表面堆焊。目前焊接機(jī)器人主要應(yīng)用于點(diǎn)焊，例如汽車行業(yè)；也較多應(yīng)用于批量、小型焊接件的弧焊，以角焊縫、≤10mm坡口為主，焊接量較少，焊接路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，焊接程序多以定義路徑點(diǎn)為主，基本不涉及循環(huán)指令、偏移指令。

2 研究重點(diǎn)、過(guò)程及結(jié)果

焊接機(jī)器人在重工行業(yè)大焊接量的應(yīng)用案例很少，主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)：①持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)；②多層多道焊接；③批量零件的裝夾定位；④焊接機(jī)器人程序設(shè)計(jì)；⑤焊接質(zhì)量控制。研究過(guò)程重點(diǎn)如下：

2.1 設(shè)備選型

焊接機(jī)器人及其零配件的選型需考慮機(jī)器人的覆蓋范圍、可用焊絲種類、穩(wěn)定性、焊接電源性能等方面因素。世界四大機(jī)器人品牌KUKA、ABB、FANUC、安川各有特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)ABB最好，但是價(jià)格較高；KUKA的人機(jī)界面符合國(guó)人的操作習(xí)慣，但同樣價(jià)格高，且故障率較高；安川機(jī)器人價(jià)格便宜，穩(wěn)定性好，但是重復(fù)定位精度略差；國(guó)產(chǎn)機(jī)器人價(jià)格便宜，但運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一些循環(huán)、寄存器功能；FANUC專注于數(shù)控系統(tǒng)，市場(chǎng)占有率高，重復(fù)定位精度高，但負(fù)載性能略差。

主要產(chǎn)品座塊如圖1所示，材質(zhì)為Q345D+N，圖紙要求槽底面堆焊不銹鋼，硬度HB200~300，堆焊層成品厚度2mm?？紤]焊接變形等因素，將堆焊層加深2mm，即成品4mm，再考慮加工余量，需堆焊7-8mm，即需堆焊2層。

產(chǎn)品需求：①批量堆焊；②堆焊層厚度統(tǒng)一；③堆焊不能出現(xiàn)塌邊或缺陷；④最終硬度需要符合圖紙要求；⑤使用氣保焊，實(shí)心焊絲；⑥連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)。

綜合考慮以上內(nèi)容分析如下：①為保證批量操作、堆焊層厚度統(tǒng)一及不出現(xiàn)塌邊，需要重復(fù)定位精度高；②長(zhǎng)時(shí)間工作需要機(jī)器人和焊接電源故障率低；③硬度符合圖紙要求焊接電源輸出穩(wěn)定，通過(guò)比較最終選擇FANUC焊接機(jī)器人，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）FANUC焊接機(jī)器人M10ia/8L，覆蓋半徑2m，重復(fù)定位精度高。

（2）FANUC焊接機(jī)器人控制柜R30iB-A柜，具備后期擴(kuò)展3個(gè)外部軸的能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線的焊接。

（3）FANUC配套焊接電源SFP-P500iA及送絲機(jī)，額定暫載率高，經(jīng)過(guò)FANUC調(diào)校優(yōu)化，使用DeviceNET數(shù)字量通訊方式與控制柜和機(jī)器人通訊，實(shí)現(xiàn)迅速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的焊接參數(shù)輸出；支持一元化參數(shù)功能，即只需要調(diào)節(jié)焊接電流或送死速度，焊接電壓可根據(jù)所選模式自動(dòng)匹配；支持直流和雙脈沖焊接。

（4）德國(guó)進(jìn)口TBI帶防碰撞傳感器水冷焊槍，能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的焊接作業(yè)。

（5）FANUC焊接機(jī)器人在粉塵等惡劣環(huán)境中每3年才需要進(jìn)行更換潤(rùn)滑油保養(yǎng)，3年內(nèi)只需日常維護(hù)和更換電池即可，維護(hù)成本低。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

在正式投產(chǎn)前，需要對(duì)堆焊產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，主要目的是調(diào)試各項(xiàng)焊接參數(shù)、焊接路徑及堆焊層硬度。

2.2.1 坐標(biāo)系設(shè)定

機(jī)器人是按照設(shè)定好的坐標(biāo)系、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度行進(jìn)的。焊接機(jī)器人的坐標(biāo)系主要有工具坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系。工具坐標(biāo)系指焊槍的坐標(biāo)系，定義工具坐標(biāo)系后機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都以焊絲尖為基準(zhǔn)進(jìn)行，直接關(guān)系焊槍的定位精度；世界坐標(biāo)系是機(jī)器人本體的坐標(biāo)系，是以機(jī)器人1軸為中心的固定坐標(biāo)系；用戶坐標(biāo)系是用戶可以自己定義的坐標(biāo)系。零件堆焊的平臺(tái)按照需要擺放在不同角度，這就需要根據(jù)平臺(tái)位置設(shè)定不同的用戶坐標(biāo)系。用戶坐標(biāo)系的靈活運(yùn)用可以讓1臺(tái)機(jī)器人覆蓋多工位，提升工作效率，但是也對(duì)平臺(tái)的平面度和穩(wěn)定性提出很高要求，因此平臺(tái)必須機(jī)加工后才能使用，并固定在車間地面，避免移動(dòng)。

2.2.2 產(chǎn)品尺寸精度

在使用機(jī)器人前，座塊槽有的是直接火焰切割出；有的是只加工槽，外形不加工。如果每次只堆焊1個(gè)座塊，只加工槽不加工外形可以滿足要求，但是火焰切割外形無(wú)法保證垂直度、平行度，每個(gè)座塊放到固定的平臺(tái)上，無(wú)法保證機(jī)器人的起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)在相同位置，會(huì)影響堆焊區(qū)域和堆焊質(zhì)量，每次都需要重新定義起弧收弧點(diǎn)，將大大降低焊接效率。

因此座塊外形和槽均改為機(jī)加工，定位裝夾使用的面均要求保證垂直度和平行度在0.1mm以內(nèi)。這樣平臺(tái)1次可以裝夾多個(gè)座塊，配合機(jī)器人的高精度，只需要找正1次位置；換一批座塊，只需要按開(kāi)始按鈕就可以繼續(xù)焊接，而且1個(gè)人完全可以控制兩臺(tái)機(jī)器人，焊接效率大大提升。

2.2.3 程序設(shè)計(jì)

我曾見(jiàn)過(guò)某企業(yè)使用國(guó)產(chǎn)機(jī)器人堆焊座塊，一排裝夾8個(gè)座塊，單個(gè)座塊使用卷尺劃線定義了30個(gè)點(diǎn)，然后每個(gè)座塊定義不同的坐標(biāo)系。在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)定義點(diǎn)位置不合理，需要重新劃線、重新定義30個(gè)點(diǎn)，調(diào)試進(jìn)度非常緩慢，而且卷尺劃線無(wú)法保證每道焊縫的偏移量一致，焊接質(zhì)量無(wú)法保證。

因此程序中定義點(diǎn)位應(yīng)盡量少，在產(chǎn)品機(jī)加工精度保證的前提下，通過(guò)偏移、循環(huán)等指令讓機(jī)器人自動(dòng)完成每個(gè)座塊的多層多道焊接，程序中指定每道焊縫的偏移量，焊縫成形美觀，熔合質(zhì)量高。

2.2.4 工裝設(shè)計(jì)

保證定位精度除了要求產(chǎn)品本身機(jī)加工精度高，對(duì)裝夾工裝的精度要求也很高。文章前面已經(jīng)介紹過(guò)，裝夾工裝影響機(jī)器人用戶坐標(biāo)系的定義。如果工裝精度差，用戶坐標(biāo)系精度就受影響，無(wú)法保證機(jī)器人行走方向和工件裝夾方向一致，導(dǎo)致堆焊面出現(xiàn)未熔合等問(wèn)題。

因此根據(jù)座塊的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專用裝夾工裝，座塊裝夾在可移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)快速扳手壓緊，可移動(dòng)平臺(tái)可更換，便于座塊的上下料；兩個(gè)座塊間使用銅板隔開(kāi)，為了防止焊接塌邊，一般都以貼磁條的方式，但是座塊批量堆焊顯然不適合貼磁條。經(jīng)過(guò)不斷嘗試新材料新方法，最終找到磁條的最佳替代品-紫銅。紫銅近似于純銅，熔點(diǎn)為1083℃，與Q345D材料不易焊接到一起，可以重復(fù)利用。

以上試驗(yàn)根據(jù)不同座塊尺寸，通過(guò)焊縫成型、機(jī)加工、熱處理前后硬度對(duì)比等結(jié)果，最終確定了起弧收弧點(diǎn)位置、焊縫偏移量、總焊接道數(shù)、焊接速度等參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 焊接參數(shù)

最終每次裝夾，只需以位置寄存器的方式示教定義4個(gè)點(diǎn)位，即可以開(kāi)始自動(dòng)焊接，準(zhǔn)備時(shí)間少，操作難度小。如果更換同規(guī)格的座塊，無(wú)需再次進(jìn)行示教就可以開(kāi)始堆焊。

程序中所有需調(diào)整焊接參數(shù)均在程序開(kāi)頭以數(shù)值寄存器形式定義，編輯數(shù)值寄存器名稱，便于理解該參數(shù)用途。程序其余部分所有參數(shù)均以相應(yīng)數(shù)值寄存器代替，不需要重復(fù)修改。

2.3.2 起弧位置

為了達(dá)到圖紙要求的堆焊厚度及良好的焊縫成型，焊接過(guò)程分為兩部分：兩側(cè)槽和平面，圖2分別標(biāo)識(shí)出了堆焊槽和平面時(shí)最佳焊槍角度和起弧位置。在每次示教起弧收弧點(diǎn)時(shí)，以此為參考，使用鋼皮尺測(cè)量焊槍前端氣罩距堆焊面的距離。確保測(cè)量時(shí)，焊絲伸出氣罩約15mm，因?yàn)槎x焊槍的工具坐標(biāo)系是以伸出氣罩的焊絲尖為參考。

圖2 焊接裝夾的角度示意圖

2.3.3 堆焊層數(shù)和硬度

以上所有的試驗(yàn)都是為了座塊最終符合圖紙要求的成分、硬度和加工余量。前期通過(guò)做PQR（焊接工藝評(píng)定），確定使用ER430焊絲進(jìn)行堆焊。

試驗(yàn)用機(jī)器人堆焊了4件座塊，均使用哈焊所的ER430不銹鋼實(shí)心焊絲。其中2件堆焊1層、2件堆焊2層，堆焊完成后按照0.5~1mm的落差銑出多檔臺(tái)階，送熱處理580°回火，回火前后均使用便攜式里氏硬度計(jì)打硬度。

由最終數(shù)據(jù)可見(jiàn)，堆焊1層回火前硬度范圍HB385~447，回火后硬度范圍HB247~290；堆焊2層回火前硬度范圍HB279~437，回火后硬度范圍HB224~277。但是堆焊1層的座塊僅能保證有效堆焊層厚度3~3.5mm，即加工余量為1~1.5mm，余量較少，因此確定堆焊2層，保證有效的加工余量。

圖2所示外圈為回火前硬度曲線，內(nèi)圈為回火后硬度曲線，由曲線可見(jiàn)，回火后硬度均勻且符合圖紙要求。

3 效率提升和經(jīng)濟(jì)效益

正式投產(chǎn)后，通過(guò)1個(gè)月的試生產(chǎn)，每人每班開(kāi)1臺(tái)機(jī)器人，按照座塊尺寸不同可以堆焊約24~42個(gè)座塊，而人工堆焊時(shí)，每人每班僅能產(chǎn)出11~18件，效率大大提升。目前熟練的操作人員已經(jīng)可以1人開(kāi)2臺(tái)機(jī)器人，效率提升翻倍。

提升效率的同時(shí)，焊絲消耗也比人工堆焊降低約15%；降低焊絲消耗時(shí)也降低了氣體等輔材的消耗；效率提升后每個(gè)座塊攤到的人工成本也大幅下降。通過(guò)測(cè)算，每個(gè)座塊的總堆焊成本平均可以下降15元，每年需堆焊6000~8000個(gè)座塊，共可節(jié)約9~12萬(wàn)，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

另外焊接質(zhì)量也顯著提高，以前手工堆焊硬度不均勻且缺陷多，機(jī)加工車間加工1個(gè)座塊面就需要更換刀片；機(jī)器人堆焊的座塊，加工4個(gè)座塊面才需更換刀片，每個(gè)項(xiàng)目約可以節(jié)約刀片費(fèi)用4~5萬(wàn)元，并減少了因?yàn)槎押覆涣挤敌拊斐傻臋C(jī)床停工損失。