弧焊机器人的焊接工艺优化

以碳钢板容器试件机器人焊接为例^[6]:设备采用机器人系统（松下TM-1400），熔化极气保焊电源（YD-350GS），焊材选用ER50-6（或AWSER70-6），Φ1.2，气体为80%Ar＋20%CO2，要求连接处全焊，进行外观检测和水压检测。如图6-27所示。

图6－27　（来源：全国机器人焊接大赛图）

一、组合件的装配、定位焊

焊前组对装配涉及板—板、板—管多种接头形式的位置和定位，由于压力容器对焊接质量要求高，并且结构由钢板拼焊而成，因此焊接过程中拘束度非常大，会产生较大的焊接残余应力。因此，应在机架的装配过程中制定相应的技术措施来控制和减小焊接残余应力，并要考虑机器人焊枪的可达性。

按照组合件图样下料、成型，分解为如图6-28所示9件。

图6－28　组合件零件

1.制定控制焊接应力的措施（1）装配-焊接顺序制定

焊件焊缝主要是对接焊缝、角焊缝和环焊缝。制定装配方案，分析其优缺点，装配主要有两种方案:

方案1（整装-整焊）:先把所有零件装配定位好，点焊10-15 mm固定，然后焊施完成最终焊接操作。

方案2（随装-随焊）:先把板板组对，然后再组箱，最后再完成其它焊缝焊接。

（2）两种方案优缺点分析:

方案1可以保证焊件装配尺寸，但是由于先定位焊固定，会造成对接焊接收缩受阻，会影响焊缝质量。

方案2可以满足对接焊缝的自由收缩，能有效的降低残余应力。提高焊接质量，但是由于板板组对反变形量的控制无法精准，会导致组对后焊件的平面度，最终会造成组箱困难，影响焊件外观尺寸。

（3）焊接顺序

根据工艺措施，应尽量使焊缝自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝、工作时受力大的焊缝，因为先焊的焊缝收缩时受阻力较小，因而残余应力就比较小；拼板时，先焊错开的短缝，再焊直通的长缝。对接焊缝的收缩量往往比角焊缝的收缩量大。分组按上述两个方案分别进行装配，方便对比方案的优缺点。

（4）合理的工艺措施

①采用多层多道焊。多层焊包括多层单道焊和多层多道焊，一层焊缝可以由若干道焊道组成。如果坡口角度小，熔敷一道就可以是一层；坡口角度较大，熔敷两道及以上焊道才能组成一层焊缝，就是多道焊。多层焊主要应用于焊接大厚壁结构，较之相同情形下采用单层焊，可以减小热输入量，而减小变形和焊接缺陷。

②层间温度。层间温度应不高于200℃。对焊件进行多层多道焊时，当焊接后道焊缝时，前道焊缝的最低温度称为层间温度。对于要求预热焊接的材料，当需要进行多层焊时，其层间温度应和预热温度大致相同，如层间温度低于预热温度，应重新进行预热。

2.操作步骤

现以方案1以例讲解主要的操作步骤:

第一步:先组对1号底板与5号圆弧管，如图6-29所示，为后面的试件组对提供基准。

图6－29　二组合件组对

在工作台上划线，确定定位尺寸，为后继试件的组对提供基准，如图6-30所示。

图6－30　二组合件基准

点焊，选择焊点位置的，在圆弧管内壁选择两分散点，可以多熔合一会，点牢，如图6-31所示。不建议点在边缘，防止破坏坡口。如果须用氩弧焊点焊，应由助手协助完成。

图6－31　二组合件定位焊

第二步:二组合件与6号侧板组对、点焊，也可以组对4号侧板，如图6-32、33所示。

图6－32　三组合件组对

图6－33　三组合件定位焊

焊点位置的选择:在坡口背面选上下两分散的点，不建议选到边缘和底板上。这样点焊方便小锤前后敲击与基准对齐。注意:由于焊点选择在坡口背面，又没有钝边，所以不宜长时间自熔，点焊实现粘即可。

图6－34　四组合件组对

图6－35　四组合件定位焊

第三步:三组合件与4号侧板组对、点焊，如图6-34、35所示。焊点位置的选择:在坡口背面选上下两分散的点，不建议选到边缘和底板上。这样点焊方便小锤前后敲击与基准对齐。

4号板组对完成后，可沿边缘画线，为3号板的组对定下基准。

注意:由于焊点选择在坡口背面，又没有钝边，所以不宜长时间自熔，点焊实现粘即可。第四步:四组合件与3号侧板组对、点焊，如图6-36、37所示。

图6－36　五组合件组对

图6－37　五组合件定位焊

焊点位置的选择:在端角背面选上下两分散的点，不建议选到边缘和底板上。这样点焊方便小锤前后敲击与基准对齐。

注意:由于焊点选择在端角背面，又没有钝边，所以不宜长时间自熔，点焊实现粘即可。

第6步:五组合件与2号板组对、点焊，如图6-38、39所示。

焊点位置的选择:在端角背面选上下两分散的点，不建议选到边缘和底板上。这样点焊方便小锤前后敲击与基准对齐。

注意:在保证垂直的情况下，可以适当深熔，因为此处没有坡口与端角。

焊点位置的选择:在管板焊缝的正面，一侧一个。

第五步:六组合件与7号板、8号板组对、点焊，如图6-40所示，也就是管板之间的连接。

第7步:八组合件与斜侧板的组对、点焊，如图6-41所示。

焊点位置的选择:由于要求用氩弧焊点焊试件，所以考虑到空间不足等问题，建议选在正面两点点焊。

图6－38　六组合件组对

图6－39　六组合件定位焊

图6－40　八组合件组对

图6－41　九组合件组对

注意:由于焊点选择在正面端角部分，所以不宜多填充焊丝，粘连即可。

图6－42　九组合件定位焊

第7步:完成顶板的组对、点焊，如图6-43、44所示。

图6－43　组合件组对

图6－44　组合件定位焊

焊点位置的选择:选在正面点焊。

注意:由于焊点选择在正面端角部分，所以不宜多填充焊丝，粘连即可。尽量不要选在端角处，以免影响其他焊缝的焊接。

二、弧焊机器人在线编程与焊接

组合件组对装配、定位焊完成之后，可拟定2-3种方案比较，选择其中最优的一种方案施焊，如图6-45所示，下面以2-3-4-1顺序进行焊接。

图6－45　组合图

编程中的注意事项

1.起弧点与收弧点应避免编到焊缝交汇处，以免影响焊接成形。

2.焊缝进入拐点时本段轨迹应留出2-3 mm为下段轨迹过渡，并应使用CONT（不能用FINE），过渡处用一小段直线代替即可。

第一步:对接立焊缝。

对接立焊时由于熔滴受重力影响，焊缝成型时容易出现表面中间凸起，而焊趾处内凹甚至咬边，收弧位置会出现下塌，低于母材。采取的工艺方案是增加焊缝两侧停留时间，收弧位置改变焊枪角度，通过小电流填满收弧位置。编程时示教点与焊缝底部的距离为1-2 mm防止烧穿。摆动参数:频率2 Hz，摆幅；4.2 mm，摆动方式；L。向上立焊。

对接立焊缝焊接工艺参数如表6-10所示。

表6－10　对接立焊缝焊接工艺参数

焊枪摆动、焊接如图6-46、47所示。

图6－46　立焊焊枪摆动

图6－47　组合件立焊示意图

第二步:底板角焊缝、立角焊焊接。

实际编程过程中，操作者应考虑到整个形成中的机器人手臂限位等问题，选择合适的起焊点与焊接方向。底板上平角焊缝容易下塌，立板侧容易出现咬边，工艺解决方案是大电流打底，小电流盖面。搭接角焊缝两侧坡口容易出现咬边；收弧位置下塌，采取的工艺方案是打底后，盖面采用小电流慢速焊接，收弧位置改变焊枪角度，小电流填满。编程时示教点与焊缝底部无需留距离或留1-2 mm。提前送气1 s，收弧时气体预留0.5 s。摆动参数:频率0.5 Hz，摆幅；6.5 mm，两侧停留时间0.3 s。摆动方式；L。焊枪与焊缝之间成45°角。

底板角焊缝、立角焊焊接工艺参数如表6-11、12所示。(www.xing528.com)

表6－11　底板角焊缝焊接工艺参数

表6－12　立角焊缝焊接工艺参数

焊枪位置、焊接如图6-48、49所示。

图6－48　焊枪位置图

图6－49　底板角焊示意图

第三步:斜立角焊缝、上盖板搭接角接焊焊接。

上盖板搭接角接焊缝由于盖板侧坡口面熔化后，铁水无支撑，焊缝容易下塌，工艺解决方案是大电流打底，小电流盖面。焊缝为空间斜向角度焊缝，振幅点设置问题是易造成焊缝下塌。解决的工艺方案是振幅点连线垂直于焊缝，小电流盖面。编程时示教点与焊缝底部的距离为1-2 mm防止烧穿。立焊缝向上立焊。提前送气1 s，收弧时气体预留0.5 s。摆动参数:频率2 Hz，摆幅；6.5 mm-7 mm，摆动方式:L。

斜立角焊缝、上盖板搭接角接焊接工艺参数如表6-13、14所示。

表6－13　斜角焊缝焊接工艺参数

表6－14　上盖板搭接角接焊缝焊接工艺参数

焊枪位置、焊接如图6-50、51所示。

第四步:管-板焊接。

由于板材是倾斜的，所以管-板连接处的轨迹是椭圆（正投影为园），如图6-52所示。

图6－50　焊枪位置图

图6－51　斜角焊焊缝示意图

图6－52　板－管焊缝示意图

1.椭圆轨迹（不规则轨迹）的编程

机器人示教姿态受本体限制，编程难度较高，工艺解决方案是采用两道焊缝完成管焊缝焊接，示教点位置设置如图6-53所示，各示教点焊枪角度为管与斜板角度的一半。

不同型号的焊接机器人，稍有差别，一般采用化曲线为直线用点运动（FANUC或KUKA）。

图6－53　椭圆编程示意图

2.管-板焊接过程中的限位问题。

由于机器手臂运动位置问题，需要考虑六轴（R6）本身的限位、焊枪配件造成的限位和试件焊接位置及障碍造成的限位。需要了解六轴的运动限度，即六轴（R6）本身的限位/焊枪配件造成的限位。在有限的限度内完成编程，如图6-54所示:（1）确定焊接方向；（2）把六轴调节到逆时针的端点向顺时针的方向进行编程。

3.试件焊接位置及障碍造成的限位，如图6-55所示。

在像②位置一样容易出现限位的位置，可以先考虑编程的流畅性和圆滑过渡而忽略角焊缝45°焊枪角度等问题。

图6－54　机器人焊枪转动图

图6－55　机器人焊枪限位图

4.焊接工艺参数。

按照图6-55b焊接顺序焊接的焊接工艺参数，如表6-15所示。

表6－15　管－板焊接工艺参数

三、焊缝检测

压力容器的检测项目较多，要求较严。外观检测是否有气孔、裂纹、咬边、夹渣、焊穿、未焊透与未熔合等缺陷，尺寸是否合格，容器需要水压实验。一般压力容器产品需要100%射线探伤，气压实验等。

【注释】

[1]贺文雄.焊接生产［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2014:25

[2]贺文雄.焊接生产［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2014.

[3]李荣雪.弧焊机器人操作与编程［M］.北京:机械工业出版社，2011年4月第1版:69-72

[4]兰虎.焊接机器人编程及应用［M］.北京:机械工业出版社，2013年4月第1版:第97页

[5]兰虎:《焊接机器人编程及应用》，北京:机械工业出版社2013年4月第1版，第98页。

[6]周臻.机械科学研究院哈尔滨焊接研究所.王峰.湖南株洲智谷培训中心.2017年11月中国焊接协会培训基地工作会议资料参考整理。