基于工業機器人的Q235鋼板焊接工藝研究

■ 張銀輝，王冬云

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1. 概述

隨著中國制造2025發展戰略的縱深推進，“機器換人”已經成為當前制造型企業進行供給側改革的主要途徑。以焊接為例，具有工作環境惡劣、重復勞動強度大、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達國家。隨著工業機器人的廣泛應用，焊接機器人也逐漸成為中小企業關注的重要內容。相比于手工焊接，工業機器人焊接具有焊接質量好、效率高、勞動強度低、易于實現自動化等優點，在國內外焊接領域中發展很快，在生產中的應用日趨廣泛。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量及焊縫成形特征，并開展了試驗研究。通過試驗結果，分析了焊縫成形質量的影響因素。

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，分為伺服驅動、機械本體、計算機控制、傳感系統、輸入輸出（I/O）和人機交互六個子系統組成。機械部分是機器人的骨骼和肌肉，包括伺服驅動和機械本體兩個子系統。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如表1所示，機器人焊的焊接參數如表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，但焊接電流不能穩定、精確地控制，焊接電流的穩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定且勻速，也取決于操作者的技術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，機器人焊接能實現自動化焊接,焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數可穩定精確地控制。

4. 試驗結果與分析

（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節參數（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省焊接時間而且還減少了層間缺陷產生的幾率。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量為Ⅰ至Ⅱ級；而機器人焊正反面焊縫在參數試驗成功的情況下，焊縫質量均為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

表2 機器人焊接參數

（2）焊縫內部成形特征 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。焊縫內部拍片質量如圖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自動化焊接，人為操控導致焊接過程中各參數無法精確穩定的控制，結果焊縫表面和內部質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，在規定時間和有效測量范圍測得質量能達到Ⅰ至Ⅱ級，測得內部金相試驗可能出現氣孔、未熔合等缺陷；機器人自動焊接設備在經過多次調試參數，試驗成功后焊接多道焊縫，在規定時間和有效測量范圍測得質量能達到Ⅰ級，測得內部金相試驗無缺陷。

圖4 手工焊焊縫內部拍片

圖5 機器人焊焊縫內部拍片

（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節運動參數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量，故機器人焊接節省焊接時間、減少了層間缺陷產生的可能。

（3）機器人焊接相比手工焊接勞動條件優越，生產率高、勞動強度小、勞動環境好，是未來發展的趨向。

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