爬行式弧焊機器人立向與橫向焊接工藝的研究

前言

　　隨著科學技術的發(fā)展，大型重要構件的焊接越來越多，僅僅依靠手工焊接難于滿足焊接質量和焊接效率的要求，焊接自動化將成為焊接技術發(fā)展的必然趨勢。 在此介紹新型爬行式弧焊機器人的焊接工藝問題，其目的是為了實現大型構件的全位置自動化焊接。

　　該系統(tǒng)對國內外現有的焊接設備和方法來說是全新的，所以在整個設計、完善和試驗過程中不可避免的遇到了很多問題和困難，在此就焊接試驗過程中所遇到的問題和采取的解決辦法做一說明。

一、爬行式弧焊機器人系統(tǒng)

　　爬行式弧焊機器人系統(tǒng)的構成主要由永磁履帶爬行機構、激光圖像傳感系統(tǒng)、信息處理及跟蹤控制系統(tǒng)所組成，如圖1 所示。爬行機構是機器人的運動動力系統(tǒng)；圖像傳感與信息處理系統(tǒng)構成焊接識別系統(tǒng)，以識別焊縫，與跟蹤控制系統(tǒng)一起組成焊縫跟蹤系統(tǒng)，以實現運動中的焊縫跟蹤和焊接。

　　在十字滑塊的上滑塊上固定有螺絲可調節(jié)鋼臂，其平行于機器人車體，用以焊槍的對準調節(jié)。前端為擺動器，其上可夾持焊槍，用以完成焊接過程焊槍的擺動，參數可調。

　　為了保證焊接電流在試驗過程中穩(wěn)定可靠，以使焊接試驗能夠較準確地反映該套系統(tǒng)用于焊縫跟蹤焊接的實際效果，焊接用電源和送絲機構選用芬蘭KEMPPI公司生產的KEMPPI PR0500，它的焊接模式、焊接脈沖、電流、電壓等多項焊接參數均可隨時手動調整，在焊接過程中并能根據已有參數自動穩(wěn)定焊接電流、電壓。

二、焊接工藝與試驗

　　采用該系統(tǒng)我們做了兩種位置的焊接試驗，分別為立焊和橫焊（大型構件主要的焊接位置分為立焊和橫焊，針對這兩種焊接位置來進行試驗研究。） 在實際手工焊接的過程中!這兩種位置的焊接所采用的焊接方法有很大差異，工藝方法也就有很大不同。

1．試驗材料

　　為符合在工業(yè)生產中的造船、制罐等實際用材情況，選用普通碳鋼焊絲選用直徑1.2mm鍍膜焊絲。

2．焊接工藝

（1）焊接方法

采用氬氣、CO2混合氣體保護MIG 脈沖焊；背面使用陶瓷襯墊；單面焊雙面成形工藝&蓋面根據焊接位置為立焊一道、橫焊多道成形。

（2） 焊接坡口

　　a. 立焊。 坡口選用“V”型坡口，具體坡口形式及尺寸如圖2所示。焊前坡口及周圍20mm范圍內清除水、油、銹等，露出金屬光澤，以保證激光圖像傳感系統(tǒng)對焊縫的順利識別。

　　b. 橫焊。坡口選用不對稱"v"型坡口，具體坡口形式及尺寸如圖3 所示。焊前需處理坡口表面。

（3）工藝規(guī)范

　　在試驗過程中，除對焊機參數的整定和正確調節(jié)外，焊槍位置、焊槍的擺動、焊接速度對焊接質量、焊縫成形都有很大的影響。因為這些量依靠手調、特別是焊槍位置、焊槍擺動，在實際操作中不便于測量，調節(jié)難度較大。

　　a. 焊槍位置包括焊槍頭與工件位置、焊絲與坡口位置（要考慮擺動幅度的影響，見圖2圖3）。

　　b. 焊槍擺動由調節(jié)擺動器來實現，主要參數有擺動速度%左中右3 個位置的停留時間。

　　c. 焊接速度um為焊前設定值，焊接過程中可調。

　　d.焊前對焊機電壓補嘗進行整定，整定值2.6V作為焊機內設參量。常用調節(jié)量有送絲速度us、焊接電壓U和脈沖幅值。

（4） 焊接各項參數

a. 立焊

　　立焊打底時焊槍垂直于工件mm 左右上方，加擺后焊絲靠兩邊坡口1～2mm，第二道蓋面，焊槍垂直上調5～8mm，擺動幅度適當調大。立焊時各參數如表1所示。

b. 橫焊

　　橫焊打底時焊槍微向下扎，使焊絲在加有擺動時不至太靠下邊坡口，焊槍順焊接方向向下斜擺，大約與水平成75°～80°；蓋面三道成形，均不加擺動，且每次要根據上道次焊接的效果和位置從新調整焊槍姿態(tài)第一道蓋面槍頭略向下扎，二道時較平，末道槍頭略向上抑。橫焊時各參數如表2所示。

三、試驗結果

　　a. 在早期試驗中，電流、電壓值與焊速的匹配總不令人滿意。采用的MIG脈沖焊，其宜于用較小的平均電流進行焊接，特點是熔池體積小，不易淌流，且在脈沖峰值電流作用下，熔滴的軸向性好，故比起普通氬弧焊更有利于焊縫成形，在全位置焊中有很好的效果。試驗中早期打底焊焊速一般在8cm/min以上，相應電流值也較高，在95～105A之間，焊接過程不太穩(wěn)定，背面成形有時也不理想。究其原因，在于脈沖幅值的影響，脈沖電流使熔滴呈噴射過渡，在較大脈沖電流下較小的電壓易造成大飛濺、淌流，而大電壓表面成形也不理想。我們在試驗中不斷摸索，后在穩(wěn)定幅值的前提下適當減小電流、電壓并且降低焊速，這樣在橫向和垂直位置的焊接過程中，充分發(fā)揮出了脈沖焊工藝在全位置焊上的優(yōu)點，焊接過程穩(wěn)定，飛濺小，兩面成形都很理想。圖4a、圖4b、圖4c、圖4d 依次為立焊焊前加襯墊樣板、立焊背面成形、打底和蓋面成形樣例。

　　b. 手工焊蓋面橫焊工藝采用的是加擺停留的方法，由于人工操作的靈活性，焊接過程中擺動頻率、幅度和停留時間均可實時改變，故一般寬度的蓋面焊可一次成形。由于該機器人缺乏人的靈活性，我們通過模仿人工的蓋面過程橫焊，采用高焊速加快速擺動或不加擺動多道成形的橫焊蓋面方法。這樣就避免了橫焊蓋面淌流的發(fā)生，也取得了不錯的效果。圖5a、圖5b、圖5c、圖5d、圖5e 依次為橫焊背面成形、打底焊、蓋面第一道、第二道、最后蓋面成形。

　　c. 除了電流電壓和焊速，另一個人為影響較大的因素是擺動器的調節(jié)，根據不同位置的焊接要采用不同的擺動方式。

四、結論

　　試驗證明，通過對工藝方法的改進和調整，該套爬壁式弧焊機器人應用在立向和橫向焊接上，能夠獲得穩(wěn)定的焊接質量和很好的表面成形。當針對不同的材質和焊縫規(guī)格時，要有某些值發(fā)生變化，則其他值相應也要有所調整。