打壳锤头自动焊接工艺及系统应用研究

王刚，姜联玉，白乌热，孙国栋，马子良，马骋

（1.内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司，内蒙古 通辽 029200；2.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110169）

1 打壳锤头自动焊接系统

1.1 系统概述

打壳锤头自动焊接系统主要由下料系统和组焊系统组成，组建全工序流程自动化机器人焊接工作站，可以改造目前打壳锤头维修焊接繁琐的维修流程，实现自动化流程生产工作，解决了维修打壳锤头繁琐的焊接工序，替代人工手弧焊接作业，从而提高自动化水平，减少人员作业强度，降低安全风险，提高生产效率。

1.2 工作对象

1.2.1 工件示意图

工件包括合金锤头、连接管以及尾管，尺寸如图1。

图1 工件示意图

1.2.2 产品规格（表1）

1.3 焊接参数要求

（1）焊缝宽度：8mm±2mm。

（2）焊缝长度：周长280mm。

（3）坡口形式：V型对接。

（4）焊丝材质：Φ1.2、Φ1.6钢焊丝。

（5）保护气体：CO2/99.7%（可根据焊接效果调整为合适比例的混合气）。

（6）工件重量：40kg（焊接件：合金锤头、锤杆、连接管）。

（7）焊接速度：250～300mm/min。

（8）焊接方式：全数字脉冲MAG气体保护焊接。

（9）完成单根成品件焊接用时：≤6min。

（10）焊缝姿态：环缝。

（11）材质：Q235无缝钢管Φ89×8mm。

1.4 焊接成品质量要求

（1）外观检查：焊件总体长度尺寸是否符合要求、有无焊接缺陷。

（2）抽检成品打壳锤头对焊缝处进行横向、纵向两种剖面切割，采用无损渗透检测法对剖面进行裂纹检测，对焊接质量进行评测，焊缝剖面不得有裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、弧坑、未焊透等缺陷。

（3）焊缝成型外观均匀成鱼鳞纹状，焊接件焊道与焊接母材之间过渡平滑，无焊渣和飞溅物、结瘤现象，环型焊缝需要一次焊接成型，不允许有二次分段焊接。

（4）焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧击穿等缺陷，且焊缝不得有咬边、未焊满等缺陷。

（5）抽检50根成品工件合格率≥96%以上焊接质量符合焊接要求技术标准，验收评定为合格焊接工件。

（6）焊接件3个部分对接完成后，焊接成品件整体保持直线垂直度一致。

（7）机器人与全数字脉冲焊机可精确控制焊接参数，焊接质量，保障焊缝均匀平滑，无毛刺、无气孔、无夹渣、无结瘤。

（8）设备整体质量验收部分由甲方组织相关专业技术人员根据国家、行业标准及技术要求对设备、设施外观整体工艺质量进行现场检验评定。

（9）锤头实际前后曲线与参考面的距离和理论值的偏差≤3mm。

1.5 工作流程简介

连接管下料切割-尾管利旧切割-三段组对-焊接。

2 打壳锤头自动焊接布局及应用工艺流程

2.1 总体布局

打壳锤头自动焊接系统共分为3个部分，总控区、机器人组焊区以及机器人切割下料区，如图2。

2.2 下料区

机器人切割下料区包括：切割机器人、搬运机器人、切割定位旋转输料架、废料回收箱、废料回收转运装置、物料框移动周转系统、等离子切割机。

（1）切割机器人。切割机器人本体及机器人控制器。机器人选用6关节机器人，根据示教的运动轨迹能够自动完成工件的焊接作业。机器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。其开放、安全、更具灵巧性。SRC M5为新一代控制系统提供了坚实的平台，同时，系统的稳定性、效率和灵活性得到了提高。SRC M5提供了必要的开放接口来达到系统集成的需求。（2）搬运机器人。机器人本体及机器人控制器。机器人选用6关节机器人，该机器人采用修长的延长臂设计，大幅度扩展工作空间，工作范围高达3007mm。机器人控制器采用新松自主品牌SRC G5新一代控制器。其开放、安全、更具灵巧性。系统的稳定性、效率和灵活性得到了提高。结构紧凑，模块化设计，节约空间。配备智能冷却系统，采用智能温控，实时监控柜内温度，环保降噪。（3）搬运端拾器。搬运端拾器采用单气抓形式，由法兰、连接板、气抓、手指组成。（4）切割定位旋转输料架。切割定位旋转输料架系统包括原材料料架、原材料料架顶端旋转机构、原材料料架顶端顶升机构、进给机构、切割定位平台机构设备。（5）废料回收箱转运装置。废料回转箱转运装置，主要由地轨、废料回收箱、电气元件组成。（6）物料框移动周转系统。物料框移动周转系统主要由钢机构、料仓、气动元件组成。（7）等离子切割机。采用Cutmaster A120等离子切割机，额定输出120Amps。

2.3 组焊区

机器人组焊区包括：焊接机器人、搬运机器人、托辊变位机、焊枪、焊机、尾管对中台、合金打锤头上料框、成品下料框。

（1）焊接机器人。焊接机器人本体及机器人控制器。机器人选用6关节机器人，根据示教的运动轨迹，能够自动完成工件的焊接作业。机器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。

（2）搬运机器人。搬运机器人本体及机器人控制器与焊接机器人相同。

（3）机器人外部轴。机器人焊接时，需要外部设备如桁架、变位机等协同动作，使机器人以最佳焊接姿态焊接，保证焊缝质量。相关外部设备需要采用机器人外部轴系统和机器人6个本体轴一起，由机器人控制器统一控制，以实现联动功能。

（4）智能焊接软件。新松智能焊接软件功能包括：接触式传感检测、焊缝电弧跟踪、断续焊、多层多道焊、电弧重启、断点恢复、焊缝程序参数化模板、熄弧优化调整、摆弧功能模块、故障及报警显示、粘丝自动解除、气体压力监控等功能。

（5）托辊变位机。采用托辊变位机进行焊接，组对时，搬运机器人先将合金锤头和连接管上料至托辊上，定位机构升起，推紧机构推紧，保证合金锤头插入连接管，然后焊接机器人对焊缝进行点固。托辊变位机采用机器人外部轴控制，可精确控制转速及启停位置，有效保证焊接质量。

（6）焊机系统。焊接电源采用松下500GL焊机，适合碳钢材料的焊接和不锈钢的非脉冲焊接。

（7）搬运端拾器。搬运端拾器采用单气抓形式，由法兰、连接板、气抓、手指组成。

（8）焊枪系统。焊枪系统由焊枪、机器人防撞装置以及自动清枪装置构成。

（9）尾管对中台。尾管组对时，需要保证切割面和连接管有1mm间隙，搬运机器人从尾管料框抓件后，需要进行二次定位。使用重力对中形式对尾管切割面进行定位，重力对中台支撑柱上有万向滚珠，一侧有限位，尾管可依靠重力自行滑到限位位置对中。

（10）合金打锤头上料框。打锤头上料框由料仓、供料机构及定位机构组成。料仓宽度与工件长度一致，有一定坡度，管料可依靠重力自行向一侧靠近；供料机构可自动顶升，每次向定位机构提供一个物料；定位机构依靠气缸推紧物料定位，有效保证机器人抓取位置的一致型。

2.4 总控区

（1）安全围栏及遮光板。工作站四周设置安全围栏，用于安全防护，防止机器人运动时人员进出自动化区域。生产线工作区采用围栏分开，保证设备安全。（2）电气控制系统。控制系统采用PLC控制，采用LAD语言编程并有详尽准确的符号说明；系统配备独立触摸屏和丰富的可视化界面，方便产品配方生成、设备状态监视和手动操作、系统报警信息显示和处理；PLC与现场智能站之间采用Profinet现场总线通讯方式，保证通讯的实时性和安全性，与本地外围设备之间采用无源接点IO形式通讯。控制系统触摸屏画面包括自动操作画面、手动选择画面、报警画面、系统画面和I/O状态监视画面等丰富功能，详尽显示系统运行状态及参数。（3）除尘系统。机器人采用罩式除尘系统。该系统由烟尘净化器、集尘罩、照明系统、管道等组成，主要安装在固定支架上，保证有效吸收机器人切割与焊接时产生的烟尘。（4）上位机控制系统。生产和管理人员可以利用上位机系统，监控整条自动焊接系统的工作情况，获取机器人参数和焊接参数等多种信息。完成焊接数据信息化管理、机器人焊接设备管理、焊缝质量评估等方面，实现相关数据的分析处理、数据存储、质量追踪等功能。