电解槽阳极铝导杆组机器人焊接系统初步设计

宋贵平

摘要：本文主要探索电解槽阳极铝导杆焊接方面采用机器人焊接的必要性，可行性。并初步设计了一种焊接系统。本文从六个方面，论述了铝导杆维修目前现状及将会遇到的问题，探讨了机器人焊接的可行性，焊接系统关键问题及解决办法，提出整体设计思路、工艺流程及系统主要配置，并进行效率分析及经济管理效益预测。具有前瞻性及可借鉴意义。

关键词：铝导杆；焊接；机器人；自动化

1.电解槽阳极铝导杆组维修现状分析

前言：电解铝企业阳极铝导杆组在生产过程中，周转量大，周转频率高，因为种种原因，需要多次修复使用。虽然各电解企业因为产能不同，管理水平有差异，铝导杆组使用寿命及维修数量有差异，但是，修复工艺基本相同。目前，国内铝电解企业不论外委修理还是企业内部修理，基本都是手工焊接方式，装备也非常简单。

但是，从铝电解企业长期发展分析，在铝导杆组维修方面会逐步面临许多问题。我以为：

1.1.铝导杆组铝导杆与钢爪采用爆炸焊块连接方式，在未来很长时间内不会改变，适合工业化生产的新工艺新技术短时间内无法取代；

1.2.目前还没有实现工业化的铝铝焊接新技术，来替代手工氩弧焊焊接工艺；

1.3.目前氩弧焊焊工随着年龄问题，会逐步退出现在岗位，而现在基本没有新的年轻的焊工补充到岗位，所以，人力资源短缺问题会越来越严重，无法满足生产要求；而且，人力资源成本会逐步增加；

1.4.铝电解企业将长期需要投入大量费用修理导杆组，设备设施必须进行一定投入；

基于上述原因，我认为进行机器人导杆焊接研究有非常重要的现实与长远意义。因为，机器人焊接系统具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点，可以提高工作效率，降低员工劳动强度。

2.机器人焊接系统的可行性

目前，我们焊接铝导杆的焊接工艺方法是熔化极氩弧焊（简称为MIG焊），主要设备由焊接电源、焊枪、送丝系统、冷却水系统和控制系统组成，焊接操作主要有两种方式，即半自动MIG焊和全自动MIG焊。前者是由人工操作进行焊接，焊接过程的启/停，焊缝的观察和跟踪，焊丝的摆动都由人工进行控制，唯有焊接送丝是由送丝机自动控制的，所以称之为半自动MIG焊接，就是我们目前普遍的操作方式。后者是全自动焊接方式，是本文探讨的机器人焊接系统。它主要由弧焊机器人、弧焊枪、弧焊电源、清枪器、机器人自动寻位系统、PLC控制柜、机器人控制柜，以及工装卡具等辅助设施构成。

目前，机器人焊接系统需要的设备已经逐渐成熟，并且已经工业化生产使用，并且随着技术日渐发展，投入费用将会逐步降低。

3.焊接系统设计关键：作为一个执行系统，关键在于以下几点，在设计时需要解决：

3.1.铝导杆的倒角与端面的水平度需要控制在0.5MM之内；

具体的解决办法是解决导杆倒角、平端面设备问题，作为旧导杆修复，不论手工焊接还是自动焊接，为了保证焊接质量都应该予以解决，解决办法很多，也不是什么难题。

3.2.焊接过程中焊缝跟踪问题：可以采用机器人自动寻位系统。据了解目前还需要进口，大约10万元左右；

3.3.机器人氩弧焊焊接工艺：目前国内生产的机器人专用焊机，具备多种工艺焊接需求，只需要用铝导杆试块进行焊接试验，选用合适的焊接工艺方式。因为导杆焊接对焊接缺陷要求没有很高要求，只要在焊接过程中气体保护到位，焊缝饱满、焊缝均匀即可。

3.4.控制程序综合编制：根据焊接工艺流程及操作使用要求，综合编制铝导杆焊接程序；

4.设计思路：

四爪阳极导杆组焊接为130*130导杆，六爪阳极导杆组焊接为210*210导杆，均为环形焊接。所以，要求放置导杆组的胎具可以旋转，工件旋转到位后，机器手进行移动焊接。

现以六爪导杆组焊接为例（四爪导杆组焊接相对六爪导杆组焊接较为简单，如果六爪导杆组机器人焊接操作成功，同样适用于四爪导杆组机器人焊接）。将焊好复合块的钢爪放置于焊接平台，导杆垂直于钢爪放置。如图1所示：

图1

焊接中，需要进行4条焊缝焊接，每焊两条焊缝旋转1次胎具。焊缝长度为每条210mm。在完成2条焊缝焊接后，需旋转180°，进行另外2条焊缝的焊接，完成1次环焊。在整个焊接过程中，共需完成10次环焊，如图2所示：

图2

5.系统配置（如图3所示）

5.1.

设备由弧焊机器人、控制系统、夹紧系统，安全系统等几个部分组成，具体规格明细及品牌型号见表1。

5.1.1.弧焊机器人1台 由焊接电源、机器人、单轴变位机、机器人自动寻位系统和焊枪组成。是导杆焊接成型的关键部件，直接完成焊接动作。

5.1.2.工装夹具1套 由底盘、支撑胎具和夹紧装置组成，保证工件垂直放置及紧固。

5.1.3.清枪器1套 对焊接后的氩弧焊枪进行零部件清理，恢复焊枪功能。

5.1.4.机器人控制系统1套 由操作按钮、机器人控制柜和PLC控制柜组成，负控制成机器人在焊接过程中的全部动作。

5.1.5.标准安全防护系统1套 由安全围栏及安全光栅组成，确保焊接区域内人员及设备的安全性。

图3

表1

5.2.工艺流程（如图4所示）

5.2.1.人工上件 人工用天车将钢爪和导杆放置在焊接胎具上，用导杆夹具①手动夹紧导杆，用②③调整轮调整导杆到适合焊接的位置。

5.2.2.机器人焊接 工件由人工上件放置好后，由弧焊机器人进行自动焊接，完成焊接任务。

5.2.3.人工下件 工件焊接完成后，由人工用天车将焊接完成的导杆组吊出，放入托盘内摆放整齐待用。

图4

5.3.效率分析

5.3.1.焊接

焊接由机器人完成。

上下料操作由人工完成。

由于焊脚尺寸较大（25mm*25mm），故设定每条焊缝需要10次环形焊接来完成。

5.3.2.时间

焊接时间：210*4*10/6=1400s（焊接速度为6mm/s）

起收弧时间：1.5*4*10=60s（起收弧共1.5秒）

机器人跳转时间：4*2*10=80s（焊缝之间跳转2秒）

变位机回转时间：5*5=25s（5次变位，每次5秒）

人工上下料时间：900s

总用时：1400+60+80+25+900=2465s=0.68h

5.3.3.产量

规划日产量为16件。0.68*16=10.88h

可以配置1台机器人，分2班施工，每班工作6h。也可以配置2台机器人，按1班施工，每班6h。

6.效益分析：每套机器人系统费用为50万元，寿命10年以上；

6.1.人员费用对比：如果配置2台机器人，一班生产，配置2人；

机器人系统：全年生产天数按260计算，可焊接4160套；

人均年产量为2080套；

手工焊接：1人1天2套，完成4160套，至少需要8人；人 均年产量520套；

每年多支付人工费6*4万元=24万元，10年为240万元；

6.2.建立焊接数据管理系统，强化过程管理，带来管理收益：

焊接过程是特殊工序，因此需要通过过程管理保证焊接质量。目前的方式是通过人员监督的方式以保证焊接操作人员按照工艺规范实施。但是往往是事后管理，及时性难以保证。采用计算机控制系统，可以建立焊接数据管理系统，进行焊接过程数据收集，进行数据分析汇总，解决了以往焊接过程无记录问题，可以实现全过程管理，提高焊接质量。主要体现在以下几个方面：

A.焊接质量管理：保留了焊接电流、电弧电压、焊丝及气体等信息，便于焊接信息的跟踪；

B.焊接成本管理：通过对焊丝、气体及电能消耗的数据汇总，进行精确的焊接成本管理；

C.焊接设备管理：通过对焊机使用时间、焊接时间累计汇总及焊机维修记录等管理，建立焊机设备使用状况档案；

D.焊接波形历史记录：记录焊接电流、电压的波形，更加直观发现焊接中的问题。

7.结语

本文的初步设计综合考虑了机器人焊接的实用性、安全性和经济合理性。据了解，国内外机器人焊接和弧焊机器人的应用正在逐步普及，但在针对电解铝铝导杆焊接方面目前研究很少。机器人焊接的研究和应用，将会提高铝导杆焊接的整体装备水平，填补国内铝导杆无机器人焊接的空白。

参考资料：《逆变焊机选用手册》 中国焊接协会焊接设备分会编著.北京：机械工业出版社，2012.5