工业机器人焊接工艺研究

吴福森

（国家特种机器人产品质量监督检验中心，福建泉州 362021）

0 引言

随着我国工业的纵深化发展，在焊接领域，机器人焊接正在逐步取代传统的手工焊接[1]。但由于机器人焊接与传统手工焊接工艺存在较多的差别，机器人焊接工艺目前还没有标准的焊接工艺数据库，以至于在生产实践中，工人需要对焊接焊件机器人进行多次重复试验，才能获得较好的焊接参数，影响了焊接效率也浪费了焊接材料[2]。

本文以MIG气保焊为例，采用库卡KR5ARC机器人和奥太MAG-350RPL焊机（气冷）的组合[3]，使用80%Ar+20%CO2的混合气体对Q235板材进行焊接。分别针对不同的板材厚度进行组合焊接对比试验，获得Q235碳钢的工业弧焊机器人焊接参数配置。本文介绍的实验方法可以用于其他焊接模式、焊接对象的最佳焊接参数实验，有利于从事机器人焊接的相关人员进行参照借鉴，研究机器人焊接的工艺参数库。

1 实验设备和材料

图1 弧焊站示意图

如图1所示，本文采用的弧焊站设备[4]包括1KUKA公司研发的6轴弧焊机器人KR5ARC1、山东奥太电气有限公司研制的弧焊电源MAG-350RPL（气冷）机2、TBI清枪机3、混合气瓶4、强制排风系统5、变位机6等。其中，MAG-350RPL（气冷）机默认的电流与送丝速度的关系如表1所示。

表1 MAG-350RPL机近控电流与送丝速度关系

针对工业机器人MIG焊，使用Q235材质板材[5]，如图2所示，试件进行焊接实验，试件的零件参数如表2所示，该试件包含了平焊缝、水平外角焊缝、立向外角焊缝、立向内角焊缝等，各焊缝经不同厚度板材组合成型。焊丝使用的是金桥焊材不锈钢药芯焊丝JQ-308L，直径为1.2 mm。

图2 试件尺寸及装配图

表2 焊接试件零件尺寸参数

2 焊缝标准

机器人姿态好，焊接过程中有利于保护气体充分发挥保护作用。根据现有的碳钢厚度3 mm、6 mm进行组对，如表3所示各个焊缝类型分别有1到多条相同厚度的焊缝，在这里为了使焊缝焊接变量一致，在焊接相同类型不同位置的焊缝时，使用转向器将焊缝位置改变，使机器人焊接方式一致。

表3 焊缝类型对应材料编号

焊缝成形系数在GB/T3375-1994中定义为：φ=B/H（焊缝成形系数φ、焊缝宽度B、焊缝计算厚度H）[6]。间隙为1 mm的盖板工艺要求双面成型所以焊缝成形系数φ＞1.3，且焊缝反面需要有融化的焊丝成型。

焊缝为3 mm和3 mm的水平外角焊缝、焊缝为3 mm和6 mm的水平外角焊缝、焊缝为3 mm和6 mm的立向外角焊缝、焊缝为6 mm和6 mm的立向外角焊缝等要求焊接边缘的焊缝饱满，又因为在焊接过程中焊点温度会融化焊件[7]，所以通常情况下允许融化0.5～1.0 mm，也就是说焊缝宽度B=几何拼接斜边+0～1.0，所以以焊缝为3 mm和3 mm的水平外角焊缝为例，在不焊穿焊件的情况下如图3所示，其允许焊缝宽度范围为4.24 mm≤B＜5.7 mm。

图3 3×3水平外角焊缝融宽范围示意图

3 实验过程

在KR5ARC机器人和MAG350RPL（气冷）机配置完毕之后，使用焊接机器人前先对实验材料焊件按图1进行装配，固定在变位机上。

确认KR5ARC机器人周围无障碍物后打开强制排风系统[8]、MAG350RPL（气冷）机、TBI清枪机，旋开混合气，最后开启KR5ARC机器人的控制柜电源，待启动完毕后按下外部启动键。使用XYZ 4点法建立TCP点，移动机器人使得TOOL坐标系的X、Y、Z轴分别与WORLD坐标系的Z、Y、X平行，建立工具坐标系。手持示教器，点击文件夹Program，再任意选1个程序点击，最后点新就新建1个程序。选中新建程序点击选定进入程序示教编程。SLIN（机器人直线运动指令）、SPTP（机器人点到点运动指令）、ARCON（机器人对焊机起弧指令）、ARCSWI（机器人对弧延续指令）、ARCOFF（机器人对焊机熄弧指令）。图3所示焊接参数设置按照焊缝路径通过各指令进行编程。

编程完毕后，进入程序修改界面后再进入数据更改界面修改各项参数。

4 焊接工艺参数分析

在实验过程中发现，焊接模式、焊机电流、焊接速度、机器人摆动、保护气均会对焊接工艺产生影响，以下各举1个例子进行焊接工艺分析。

4.1 焊接模式

设置焊机电流为165 A、送丝速度为4.1 m/min、焊丝直径为1.2 mm、机器人速度30 cm/min、摆动方式为不摆动，选用材料为焊缝6 mm和6 mm的立向外角焊缝（2号板材和10号板材、5号板材和6号板材、6号板材和8号板材），如图4所示。

图4 焊接模式对6 mm和6 mm立向外角焊缝的影响

立向内角焊接焊枪与水平面呈-15°夹角，与垂直方向呈105°夹角焊丝伸长1 cm，焊丝末端与焊缝间隙12～15 mm，方向与机器人运动方向相反（机器人焊接方向由上到下）。相比于正常焊接（弧长修正值为0），弧长修正值为正值焊缝的熔深加深，弧长修正值为负值焊缝的熔深变浅[9]。

焊缝为6 mm和6 mm的立向外角焊缝等要求焊接边缘的焊缝饱满，在不使焊件穿的情况下其允许焊缝宽度范围为8.49 mm≤B＜9.9 mm。从图5中可以看到编号26和编号33的熔宽符合要求。而编号30，因为脉冲模式会使焊件融化的更多，所以不适合立向外角焊缝。焊缝为6 mm和6 mm的立向外角焊缝，低飞溅模式跟恒压模式[10]的熔宽相差不大，3种模式下熔深差别不大。

图5 焊接模式对6 mm和6 mm立向外角焊缝焊接数据

4.2 焊机电流

设置送丝速度为5.4 m/min、焊丝直径为1.2 mm、机器人速度120 cm/min、焊接模式为脉冲不摆动，选用材料为3 mm和3 mm拼接成的间隙为1 mm的盖板（11号板材和12号板材）。水平焊接焊枪与水平面呈75°～85°夹角，焊丝伸长1 cm，焊丝末端与焊缝间隙12～15 mm，方向与机器人运动方向一致。间隙为1 mm的盖板工艺要求双面成型所以焊缝成形系数φ＞1.3，且焊缝反面需要有融化的焊丝成型。图6为在不同焊接电流下对3 mm和3 mm间隙1 mm水平焊缝焊接影响。

图6 在不同焊接电流下对3 mm和3 mm间隙1 mm水平焊缝焊接影响

从图7可以看出焊缝成形系数φ＞1.3，只有编号54符合要求，此时电压为22.7 V、熔宽7.51 mm、余高2.23 mm、熔深5.5 mm，而且在电流为165 A时熔宽、余高、熔深均在相对峰值点。

图7 焊接电流下对3 mm和3 mm间隙1 mm水平焊缝焊接数据

4.3 焊接速度

设置焊机电流为105 A、送丝速度为3.3 m/min、焊丝直径为1.2 mm、焊接模式为低飞溅模式且不摆动，选用材料为3 mm和3 mm拼接成的水平外角焊缝（3号板材和12号板材、4号板材和12号板材）。如图8所示，采用外角水平焊接焊枪与水平面呈45°～75°夹角，与垂直方向呈45°夹角焊丝伸长10 mm，焊丝末端与焊缝间隙12～15 mm，方向与机器人运动方向一致。经测量，3mm和3 mm的水平外角焊缝在不使焊件穿的情况下其允许焊缝宽度范围为4.24 mm≤B＜5.7 mm。

图8 机器人运行速度对3 mm和3 mm水平外角焊缝焊接的影响

如图9所示，随着机器人运行速度的增加熔宽、熔深值均略微降低。想要获得符合要求的参数配比此时需要降低电流值，或者提高机器人运行的速度。

图9 机器人运行速度对3 mm和3 mm水平外角焊缝焊接数据

4.4 摆动方式

设置焊机电流为120 A、送丝速度为2.8 m/min、焊丝直径为1.2 mm、机器人速度为36 cm/min、焊接模式为低飞溅模式，选用材料为焊缝3 mm和6 mm的立向外角焊缝（2号板材和3号板材、4号板材和5号板材）。如图10所示，采用立向外角焊接焊枪与水平面呈-15°夹角，与垂直方向呈105°夹角焊丝伸长1 cm，焊丝末端与焊缝间隙12～15 mm，方向与机器人运动方向相反（机器人焊接方向由上到下）。焊缝为3 mm和6 mm的立向外角焊缝在不使焊件穿的情况下其允许焊缝宽度范围为6.71 mm≤B＜8.1 mm。

图10 摆动方式对3 mm和6 mm立向外角焊缝的影响

如图11所示，低飞溅模式下焊缝3 mm和6 mm的立向外角焊缝，不摆动使得焊缝的熔深加深，熔宽减小而三角摆动和梯形摆动方式的熔深较浅[11]。梯形摆动焊出来的焊缝接近于人工鱼鳞焊的效果但是摆动幅度过大使得焊宽超过了标准范围，三角摆动方式符合在焊机电流为120 A、送丝速度为2.8 m/min、焊丝直径为1.2 mm、机器人速度为36 cm/min、焊接模式为低飞溅模式下的熔宽要求（6.71 mm≤B＜8.1 mm），均值7.16 mm。螺旋摆动符合熔宽要求焊缝成型较完好。

图11 摆动方式对3 mm和6 mm立向外角焊缝数据

4.5 保护气

设置焊机电流为135 A、送丝速度为3.3 m/min、焊丝直径为1.2 mm、机器人速度35 cm/min、焊接模式为低飞溅模式且不摆动，选用材料为焊缝为3 mm和6 mm的水平外角焊缝（2号板材和11号板材、6号板材和11号板材、2号板材和12号板材、5号板材和12号板材、6号板材和12号板材），如图12所示。

图12 保护气体方向对3 mm和6 mm水平外角焊缝的影响

如图13所示，焊缝为3 mm和6 mm的水平外角焊缝的MAG焊（熔化极活性气体保护焊）保护气体的作用是隔绝空气中的水蒸气，同时有支持或吹动熔融焊丝。没有保护气体的短时焊接容易造成焊缝气泡过多且表面不平滑，反向吹起则容易堆积，垂直吹起会造成咬边不均匀。

图13 保护气体方向对3 mm和6 mm水平外角焊缝数据

4.6 工艺参数汇总

3 mm和3 mm拼接成的水平外角焊缝，送丝速度为3.3 m/min、焊丝直径为1.2 mm、机器人速度40 cm/min焊接模式为低飞溅模式且不摆动的情况下，提高电流值熔宽增宽，熔高升高；焊缝为3 mm和3 mm的水平外角焊缝（3号板材和12号板材、4号板材和12号板材），焊接时焊枪与水平面呈45°～75°角，与垂直方向呈45°角，方向与机器人运动方向一致。最适焊接参数配置如图14所示。

图14 最适焊接参数配置表

5 结束语

本文研究结果说明了机器人焊接过程中，焊接工艺参数的正确选择对焊接质量起着关键性的影响。从本文的试验总结出探索机器人焊接工艺参数的试验方法，得出机器人焊接工艺参数的优化是存在一定的内部关联性。同时，通过本文的研究也解决了目前机器人焊接工艺与传统焊接工艺在理解上的冲突问题，创新性地把传统焊接工艺与机器人焊接工艺进行融合分析，为机器人焊接的应用推广奠定了良好的理论基础。