简析焊接夹具在焊接自动化中的应用

邱贤宁 韦真光

摘要：主要介绍利用焊接夹具工装在焊接自动化中的应用，并通过对实例进行具体分析，进一步介绍焊接夹具工装的设计步骤和主要优点等。同时与汽车零部件焊接传统设计方法进行了比较，进一步总结出新方法的优点。

关键词：焊接夹具 焊机机器人 自动化焊接

近年来，由于机器人技术的进步成熟，在焊接加工领域，越来越多的企业使用工业机器人代替人工进行焊接。在焊接生产过程中，由于真正用于焊接的时间比较少，而超过2/3的时间主要用于备料、装配等工作，进而在一定程度上影响了焊接的生产速度，进而难以适应焊接机器人的生产节奏。为此，需要对机械化、自动化程度较高的焊接夹具装备等加大推广使用的力度。焊接夹具是保证焊接质量的主要因素之一，是焊接工艺的重要组成部分，它可以确保焊接零件形状、尺寸、精度符合产品图样技术要求。可以说，焊接夹具是构成自动化焊接的“核心”。因此，为满足焊接零件的自动化焊接要求，用最快最简单的方法设计最优质的焊接夹具势在必行。

1 ABB焊接机器人工作站简介

ABB焊接机器人工作站主要由主控制柜、机器人本体、清抢装置、工位按钮、配置焊机、示教器、气动工装夹具等组成。

2 地板横梁焊接件的结构分析

2.1 结构组成分析

地板横梁组成，其是由地板横梁、离合拉索支架、组合通管支架焊合件、水管安装支架焊合件、地板横梁支架焊合件（左）、地板横梁支架焊合件（右）拼装焊接而成，总共有焊缝18条。

2.2 焊接结构件焊接性能分析

所谓焊接性是指金属适应焊接加工，进而形成完整的，同时具备一定使用性能的特性。对于金属焊接性来说，其概念主要涉及两个方面的内容：一是在焊接加工中，金属是否容易形成缺陷；二是在一定条件下，焊成的接头可靠运行的能力。

通常情况下，在焊接过程中形成的缺陷包括：

①气孔，与深埋气孔相比，焊缝表面或邻近表面的气孔更具危险性，与单个气孔相比，成串或密集气孔更危险；

②夹渣，材料的抗拉强度随着夹渣或夹杂物截面积的增大而成比例降低，但是对屈服强度构成的影响比较小；

③几何形状造成的不连续，咬边，焊缝成型不良或烧穿等由几何形状造成的不连续性缺陷，一方面降低构件的截面积，另一方面产生应力集中；

④未熔合和未焊透，与气孔夹渣相比，未熔合和未焊透的危害性更大；

⑤裂纹，对于焊接来说，裂纹是最危险的缺陷。

该焊接件属于薄板焊接件，薄板对热源极为敏感，并且一旦受热极易变形，用传统的矫正方法很难达到理想的效果。此特性决定了其焊接不能采用手工焊、埋弧焊等焊接方法，因其焊接残余应力过大，所以变形较大，因此不能满足施工质量要求。氩弧焊虽能得到较好质量的焊缝和外观，但焊接成本太高，生产效率较低，不利于结构性薄板的批量焊接。

采用气动夹紧工装夹具配合机器人二氧化碳气体保护焊的焊接方法，将需要焊接的零件按照装配要求装配夹紧在工装上，并按焊接工艺调整好电流、电压及机器人焊接时的焊接速度和摆动幅度，既能克服手工焊、氩弧焊焊接方法的缺陷，又能满足薄板结构批量焊接的需求，焊缝质量高、观感质量好，提高生产的效率。

3 制定焊接结构件的焊接工艺

3.1 焊接方法及焊接规范

焊接方法：二氧化碳气体保护焊。

焊接设备：ABB焊接机器人。

焊接规范：

①焊接电流：120-140A；

②电压：25-32V；

③保护气体：二氧化碳；

④焊接预热：无要求。

3.2 机器人焊接工序的确定

将地板横梁、离合拉索支架、组合通管支架焊合件、水管安装支架焊合件、地板横梁支架焊合件（左）、地板横梁支架焊合件（右）拼装定位，按顺序焊接，机器人焊接过程中需要转动工件到一定位置以方便焊接。

4 焊接气动工装夹具设计及结构特点

4.1 工装夹具整体设计思想

根据地板横梁总成图纸焊接要求，通过对结构的合理性、工艺性、经济性、标准化，以及夹具的优缺点等进行综合考虑，在焊接过程中需要翻转零件以便焊接各连接零件，这就要求夹具能够旋转，同时对定位的精确度进行考虑，在装配时，要求定位器与夹紧器的销孔相互配合。

4.2 夹具的设计

对夹具进行整体设计时，一方面需要把夹具的各种元件、机构、装置等连接成整体，另一方面考虑工件装卸的方便性。因此，夹具各组成件的分布位置、工件的外形轮廓尺寸以及焊接焊枪有没有关涉的条件等，在一定程度上决定着夹具体的形状和尺寸。根据上述要求，该零件的工装设计分析如下：

4.2.1 在装配过程中把待装零件、部件的相互位置确定下来的过程叫做定位。定位器是保证焊件在夹具中获得正确装配位置的零件和部件。地板横梁是直径为φ42×2.5的钢管，根据其形状定位可以用双U形块定位。在夹具上被定好位置的工件，必须进行夹紧，否则无法维持它的即定位置，即始终使工件的定位基准与定位元件紧密接触。这样就必须有夹紧装置来完成这份工作，在夹紧时要使夹紧所需要的力应能克服操作过程中产生的各种力，如工件的重力、惯性、因控制焊接变形而产生的拘束力等，考虑到减轻劳动强度，采用气缸自动夹紧。

4.2.2 离合拉索支架需与地板横梁相焊接起来，中间有孔，其定位可以用销进行定位。离合拉索支架形状为U，可以利用地板横梁夹紧，不需要额外加夹紧装置。

4.2.3 组合通管支架焊合件和水管安装支架焊合件中有孔，可以利用此孔进行定位夹紧。由于水管安装支架焊合件不用利用地板横梁夹紧，需加夹紧气缸。

4.2.4 地板横梁支架焊合件壁厚1.8mm，为薄壁件，焊接时容易变形，在焊接的时候进行多点夹紧防止变形。位置的定位可以利用地板横梁支架焊合件上的孔来定位。

4.2.5 工件有焊缝在底部，焊接时候焊枪不方便伸进去，且熔焊金属流动造成焊缝不均匀，因此采用一个旋转工作台，把焊缝调整到水平面上。

4.3 完成夹具设计

根据前面的分析，编制设计方案书，根据设计方案书的要求对夹具进行各个零部件的设计，在设计中尽可能的使用标准件（国家标准及公司标准），这样能加快设计速度及制造速度，节约开发成本和制造成本。

5 焊接机器人程序编程与调试

根据零件结构特点和焊缝要求，在实现自动化焊接过程中，机器人编程和焊接需要不断变换位置和姿势才能实现焊接的连续性，真正实现自动化焊接。焊接机器人在焊接时比手工焊有着更高的要求，需要考虑到机器人各轴的联动关系，同时还需要注意变换机器人姿势、焊枪角度的过程中空间位置的合理性。根据厂家生产技术要求，结合工装设计特点，程序编程在满足生产需求和焊缝质量得到保证的前提下应尽可能的减少时间，以此提高焊接生产效率。如：在机器人空运过程中可以将移动速度加大、以最小的变换姿势焊接下一道焊缝，这些都有助于提高生产效率。

6 结束语

随着经济的发展，科学技术的进步，对于焊接质量，人们提出了更高的要求。自动化生产在一定程度上要求减少人力，提高产品一致性，提高产品质量，适合批量生产，降低生产成本，提高生产效率。进行人工焊接时，受技术水平、疲劳程度、责任心、生理极限等因素的影响和制约，焊接工作的稳定性和一致性难以保持较长时间。而且，由于焊接恶劣的工作条件，愿意从事手工焊接的人在减少，熟练的技术工人更有短缺的趋势。所以，要保证自动化焊接零件的质量焊接夹具很重要，一个好的夹具才能很好的保证焊接质量。

参考文献：

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[2]文广南.浅议汽车焊接夹具的设计制作[J].焊接技术，1996，25（4）：42-43.

[3]韩根云.汽车车身焊接夹具的设计[J].新技术新工艺，2001，23（8）：33-34.

[4]叶晖.工业机器人实操与应用技巧[M].北京：机械工业出版社，2010，27-50.

作者简介：

邱贤宁（1985-），男，助理工程师，工学学士学位，主要研究方向：焊接机器人系统集成与焊接工装设计。