機器人工作站薄壁回轉體焊件焊接質量控制

胡 英，馬信春

（1.新疆石河子職業技術學院，新疆 石河子 832000；2.阿拉爾市南疆碳素新材料有限公司，新疆 阿拉爾 843300）

隨著“中國制造2025”戰略規劃的提出，要求企業推進創新驅動，提高核心競爭力，向智能制造轉型升級。以機器人焊接為標志的零部件焊接生產是實現焊接自動化、柔性化與智能化生產的重要保障。由于機器人焊接質量穩定可靠，在汽車焊接領域已經應用成熟，部分農機具零部件焊接生產企業已經涉及，如天誠對農機具產品焊接生產線進行投資改建，采用機器人焊接，焊接質量和效率有所提高。

對機器人焊接質量控制的研究主要有：陳大艷等從弧焊機器人工作站中夾具定位不準、焊接參數缺陷、配套設施不合格為改善重點，優化了焊裝夾具和焊接參數，提出了行之有效的改善策略，李慧敏、劉偉斌等針對焊接過程中影響焊接質量的關鍵因素進行深入分析，提出從供氣系統調整、焊接電流、電壓參數優化、焊接程序優化著手改進，有效控制了焊接質量，陳海初、謝昌安等通過示校器程序設計對焊接路徑進行校正優化，有效提高了焊接準確性。

排種器作為精量播種的核心部件，其穩定的排種性能除受設計質量影響外，還與制造質量密切相關?，F有的研究以設計質量研究居多，如何亞豪、耿端陽等對排種器進行了結構優化設計與仿真試驗分析研究，以排種器腰帶焊接為例的制造質量控制研究較少。排種器腰帶總成焊接以及鴨嘴部件焊接作為薄壁回轉體零件，工件薄壁特征、曲面焊接特征，弧焊機器人施焊時難度較大，因此識別其焊接質量影響因素并有針對性地提出控制策略，能夠有效提高焊接質量以及作業效率，有益于促進以排種器為例的精量播種機具向智能制造轉型。

1 薄壁回轉體焊接現狀

（1）焊件結構特性。鴨嘴和定合頁分序焊接后形成鴨嘴部件，將焊合后的鴨嘴部件根據腰帶類型焊裝在腰帶單件外端面上，形成腰帶總成焊接件。焊件結構如圖1所示，鴨嘴外端面與焊縫所在延長線呈6.08°夾角，鴨嘴與定合頁中心對稱布置并焊接，鴨嘴底端與腰帶結合處呈圓弧結構。鴨嘴部件焊接在腰帶外端面上，鴨嘴通道與腰帶排種口重合，焊接作業區空間較小。焊接件壁厚均為2mm，材質為Q235，由于腰帶總成焊接時，腰帶需要回轉依次完成鴨嘴部件的總成焊裝，其薄壁、回轉特征加大了焊接質量控制難度，焊接熱影響區對焊件形變影響較大。

圖1 鴨嘴零部件以及腰帶總成結構示意圖

（2）焊接質量現狀。排種器腰帶總成焊接和鴨嘴部件分序焊接在弧焊機器人焊接工作站內完成焊接作業，工作站弧焊機器人采用ABB系列IRB1410型號，第五軸最遠距離1.44m，焊絲直徑0.8mm，焊絲身處長度8mm，弧焊機器人無焊縫識別與跟蹤性能，鴨嘴部件與腰帶總成的焊接有改型弧焊機器人完成焊接作業。

鴨嘴部件焊縫位置和腰帶總成焊接焊縫位置如圖2、3所示，其中，鴨嘴與定合頁的焊接位置是鴨嘴兩側端面與定合頁結合處，焊縫2處，長度為10mm，采用直線焊縫；腰帶總成過程中，單個鴨嘴部件的焊接位置是定合頁側端面與腰帶結合處，鴨嘴弧形測端面與腰帶弧形接縫處，焊縫共4條，焊縫長度均為10mm。

圖2 鴨嘴部件焊合圖

鴨嘴&定合頁分序焊接時采用直線焊縫，但部分焊縫貼合不緊密，焊接后出現錯位變形，無法完成總成焊裝，焊縫偏離設計位置，形成假焊，焊縫成型不均勻，飛濺較大。腰帶總成焊接時，主要的質量缺陷表現在：焊接完成后，鴨嘴部件與腰帶外端面既定位置偏移，定位不準；部分焊縫偏離設計位置，形成假焊，焊槍未起弧，腰帶單件母材燒穿。焊接質量不穩定，需要操作工人進行修補，降低了產品質量同時，制約著工作站高效運行，造成額外的成本支出和制造資源的浪費。

圖3 腰帶總成焊件焊合圖

2 焊接質量影響因素識別

（1）工裝夾具問題。現有的機器人焊接時無法跟蹤監測焊縫，因此工裝夾具的精度是保證焊接質量的關鍵。鴨嘴&定合頁分序焊接夾具部分存在裝夾松動，定位不準等缺陷，導致施焊后鴨嘴和定合頁變形失效；鴨嘴部件與腰帶單件貼合不緊密，焊接完成后，焊縫間隙較大，影響機械性能；腰帶單件為薄壁回轉體工件，腰帶總成焊接夾具對腰帶單件采用三抓卡盤由內向外施力裝夾，由于卡盤與腰帶的接觸面積較小，導致腰帶薄壁件受力產生一定的形變，圓度差異較大，導致總成焊裝時鴨嘴部件與腰帶單件總成焊合時個別鴨嘴部件與腰帶單件焊縫寬度超出弧焊機器人許用標準，引起虛焊假焊等質量缺陷，個別位置飛濺較大，焊接質量缺陷的累積影響著作業效率以及使用性能，造成客戶滿意度難以提高。

（2）焊接路徑問題。弧焊機器人對鴨嘴分序焊接和腰帶總成焊接的焊縫軌跡通過示校器手動校準完成，通過手動示教，每條焊縫路徑參考點位置被自動插補形成指令文件保存于主程序中。在手動示教時，弧焊機器人定位不準，焊縫位置判斷不準導致記錄的焊縫路徑程序在執行時偏離既定位置形成虛焊、假焊等缺陷。通過調研，在鴨嘴&定合頁分序焊接中，焊接路徑引起的主要缺陷是焊縫位置偏離設計位置以及焊槍距離焊件較遠無法起??；腰帶總成焊接中，部分焊縫存在燒穿現象，有較大的質量缺陷。

（3）焊接參數問題。焊接電流、電壓、焊接速度等參數是影響焊接質量的關鍵，電流過大容易燒穿工件，電流較小導致焊接不牢固，據試驗分析，三者對焊接熔深、熔寬、余高等影響較大，科學地參數設置是保證焊接質量的關鍵。通過分序腰帶總成焊合后焊縫成形情況，其焊接電流、焊接電壓等參數取值需要進一步優化，從而保證鴨嘴分序焊接、腰帶總成焊接質量。

（4）其他方面。引起焊接質量缺陷的其他原因主要包括作業水平、設備維護、保護氣體等，腰帶及零部件在工件下料時不符合標準尺寸，擺放時沒有裝夾到位，工件夾緊后檢查不仔細，導致焊合后出現焊縫間隙寬，焊裝變形等缺陷，其次是對焊槍設備、電路控制設備的維護不及時，接觸不良導致電路不穩定，焊槍設備維護不及時，施焊時存在較大飛濺；單一的二氧化碳保護氣體不純等導致焊縫成形不美觀等。

3 工作站焊接質量控制

鑒于上述原因對排種器腰帶焊裝的質量影響，根據焊裝實際有針對性地對其提出改善策略并控制，保證焊接質量，提高焊接質量的同時，減少返工作業，降低制造資源浪費和人工成本浪費，提高工作站運行效率。焊接質量的控制主要從工裝夾具優化、焊接路徑規劃、焊接參數優化方面著手實施，全面提升質量控制能力，保障焊接質量。

3.1 工裝夾具改進

對工裝夾具的改進主要包含三個方面，分別是鴨嘴分序焊接夾具調整，鴨嘴部件定位夾具調整，腰帶總成焊接夾具調整，提高夾具對工件的裝夾定位水平，保證焊縫位置準確性。

（1）鴨嘴分序焊接夾具優化?，F有的鴨嘴夾具在制造時未充分考慮鴨嘴結構特征，鴨嘴外端面與焊縫所在線存在6.08°的夾角，而制作的夾具與鴨嘴外端面的接觸為線接觸，導致夾具對鴨嘴外端面的裝夾貼合存在縫隙，壓緊后夾具難以準確定位并夾緊工件，焊合后的部分鴨嘴存在焊縫間隙大，以及焊接變形等，鑒于此，優化夾具結構，設計如圖4所示。壓板與鴨嘴外端面采用面接觸形式，鴨嘴左右兩端由壓板限位，充分貼合焊件，將焊接變形控制到最小。依據對稱中心定位，定位塊將定合頁準確定位在卡槽內。為保證夾具的通用性以及柔性適應性，定位塊和壓板零件可以根據焊件尺寸的大小和結構特征更換并調整，最大限度地貼合焊接件，提高定位裝夾水平。

圖4 鴨嘴分序焊接夾具

圖5 腰帶總成焊接夾具

（2）腰帶回轉體總成焊接夾具優化。腰帶回轉體總成焊接夾具是將腰帶回轉體用三爪卡盤從內端面向外撐緊，完成腰帶回轉體的裝夾定位工作，采用面接觸形式，三爪卡盤外端面設有彈簧頂尖，彈簧頂尖通過腰帶定位孔將腰帶回轉體固定在三爪卡盤外端面上，避免縱向位移，提高了定位精度。通過焊接實踐發現，現有的三爪卡盤增設的加固板在夾緊腰帶薄壁回轉體后，存在一定的裝夾變形，導致在焊接過程中部分鴨嘴部件與設計的焊縫位置間隙過大焊槍無法起弧，形成焊接質量缺陷，為此，設計了優化的腰帶回轉體夾具，如圖5所示。新設計的加固板增大了與腰帶薄壁回轉體的接觸面積，增加了與腰帶曲率的貼合程度，有效控制了裝夾形變，對弧焊機器人焊縫定位以及起弧起到關鍵作用。為提高夾具柔性適應性與應用效率，加固板可以根據腰帶等薄壁回轉體不同尺寸大小進行更換調整，最大限度貼合焊接件，提高焊件剛性的同時，減小焊接變形。

3.2 焊接路徑規劃

單一的夾具改進與優化不能系統地提升焊接質量，焊接機器人路徑優化是另一保障焊接質量的關鍵措施。由于目前采用的ABB機器人不具備焊縫跟蹤技術，只能單一的通過示教的焊接路徑完成焊接作業，因此示教的焊接路徑越貼合實際焊縫軌跡，焊縫成形質量越好，能夠有效減少薄壁件燒穿、熄弧等質量缺陷。排種器零部件的焊接路徑優化主要涉及鴨嘴分序焊接以及排種器腰帶總成焊接兩部分路徑規劃，通過調整焊槍姿態，直線插補和圓弧插補增加焊接參考點，提高運動軌跡與焊縫路徑的重合度。

（1）鴨嘴分序焊接路徑優化。鴨嘴和定合頁的焊接有兩條焊縫，通過示校器調整焊接路徑，優選焊接參考點，形成焊接程序，如下所示：

（2）腰帶總成焊接路徑優化。腰帶總成焊接主要是將焊合后的鴨嘴部件焊接到腰帶單件外端面上，設計焊縫4條，兩條為直線焊縫，焊縫長度為10mm，兩條為圓弧焊縫，增加焊縫長度至15mm，優化后的焊接程序如下文所示，插補圓弧焊縫兩條，提高焊槍與焊縫貼合度。

3.3 焊接參數優化

焊接件的熔深、熔寬與焊接電流、電壓以及焊接速度密切相關，各因素的交互作用對焊接質量影響較大。通過對腰帶及零部件焊接參數的優化調整，當焊接電流選擇155A，電壓選擇為18.8V，焊接速度30m/h時焊縫成形較好，焊接過程穩定，焊接質量可靠。

3.4 其他方面

（1）提高作業水平。農業機械零部件產品長期采用手工作業，焊裝作業相對粗放，其下料精度難以滿足機器人焊裝作業要求，應加強焊件切割與加工精度，滿足焊接標準；機器人焊接對工件的裝夾要求較高，準確的焊縫位置是保障機器人正常起弧并施焊的關鍵，因此要加強作業標準的培訓，提高操作人員裝件意識，確保每個工件裝夾符合焊接作業標準，從而實現焊接質量控制的目的。

（2）供氣系統優化。采用80%Ar+20%CO2混合保護氣體代替原有單一的CO2氣體，提高弧焊機器人起弧能力，保障弧焊機器人穩定順暢施焊。

4 結語

文章重點從路徑優化、工裝夾具改進、焊接參數調整三方面對工作站焊接質量實施改善控制，經過綜合改善，焊接機器人工作站運行效果較好，克服了機器人焊接質量不穩定的問題，所焊的排種器腰帶總成工件及鴨嘴部件焊縫成形美觀，質量穩定可靠，有效了提高生產效率。

（1）通過機器人示校器能夠方便快捷的進行直線、圓弧插補程序指令添加，優化焊接路徑，提高焊縫貼合度，間隙誤差在可允許誤差范圍內，保證了良好的焊接質量。

（2）工裝夾具的優化能夠有效提高工件的裝夾定位能力，有效配合弧焊機器人完成焊縫定位并施焊。

（3）以人為本的作業培訓以及作業的標準化能夠有效降低工件裝夾質量誤差，減少焊接缺陷，焊接設備的有效維護提高了系統運行穩定性，減少焊接故障停機、焊接飛濺等缺陷。

［1］周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向［J］.中國機械工程，2015，（17）：2273-2284.

［2］黃春輝.兵團農業機械制造智能技術的現狀及發展建議［J］.新疆農墾科技，2014，（9）：62-63.

［3］陳大艷.弧焊機器人工作站焊接質量影響因素分析及改進措施［J］.汽車實用技術，2013，（6）：96-98.