機(jī)器人焊接關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

劉丹，鄭博方，王帥，李洋，羅震

1.中國機(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。而根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的我國焊接材料的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，從2006—2014年，我國焊材產(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。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。人工在線編程方法簡單、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。在施焊過程中往往采用焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)來補(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。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，通過工藝分析，運(yùn)用機(jī)器人焊接工藝知識(shí)來擬定機(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避免這種問題。在設(shè)置直線焊接焊槍擺動(dòng)時(shí)，兩側(cè)停留時(shí)間過長可能造成局部熱輸入大形成焊瘤，可通過調(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)的過程中焊絲端點(diǎn)并未移動(dòng)導(dǎo)致熔敷金屬過多外流產(chǎn)生滿溢缺陷，應(yīng)通過設(shè)置合理的軌跡點(diǎn)或調(diào)整焊接參數(shù)來避免。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)以合理干伸長來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后，根據(jù)坡口總高度來計(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)量排布來進(jìn)行焊縫的填充，為保證焊道的填充飽滿致密和焊接過程平穩(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)場機(jī)器人焊接

以MICROBO機(jī)器人為例介紹現(xiàn)場焊接。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)器人即可通過焊絲接觸傳感器自動(dòng)進(jìn)行檢測并獲得工件的板厚、坡口角度、根部間隙、焊縫長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)域受熱體積因周圍冷金屬的阻礙，發(fā)生彈塑性變形，使得工件發(fā)生形變，從而影響弧長、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，模擬多層多道焊過程，計(jì)算焊接過程中的變形。

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)多場耦合法，對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬計(jì)算；計(jì)算分為多段，每段先對(duì)其溫度與變形場進(jìn)行分析，再進(jìn)行流場的耦合計(jì)算。圖6b為打底焊焊縫橫截面的溫度場分布，其中灰色部分為熔池。圖6c為第二道填充焊的溫度場分布。圖6d顯示的是蓋面焊縫的溫度場與變形的分布。圖6e是熱源開始移動(dòng)時(shí)溫度場的分布，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)長狀。圖6f為在完成溫度場計(jì)算后，耦合熱-電-力-流四場得到的流場分布。

圖6 焊接過程中的溫度場、應(yīng)力變形和流場

6 結(jié)束語

通過對(duì)機(jī)器人焊接過程中若干關(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，并介紹了間隙過大、擺動(dòng)停留時(shí)間過長以及T形接頭90°轉(zhuǎn)角處常見的機(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。通過接觸傳感檢測得到工件板厚、坡口角度、根部間隙、焊縫長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，利用多物理場耦合方法，計(jì)算焊接過程中的溫度差、流場及焊接變形；以模擬得到的數(shù)據(jù)來對(duì)機(jī)器人焊接誤差進(jìn)行修正，保證焊接質(zhì)量。