在鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)域，智能機(jī)器人相較于傳統(tǒng)焊接方法具有哪些長處？

文|大小碗

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前 言

近半個(gè)世紀(jì)以來，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、零售業(yè)等行業(yè)隨著新材料、先進(jìn)制造、信息技術(shù)、人工智能、虛擬仿真等技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了翻天巨變。

對比這幾大領(lǐng)域，建筑業(yè)智能建造水平已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)智能焊接機(jī)器人，進(jìn)行生產(chǎn)、加工過程工藝梳理與試驗(yàn)研究。

通過實(shí)體工程的試驗(yàn)研究和示范作用，驗(yàn)證加工方法與技術(shù)的可行性、有效性，形成共性關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的對外輻射和應(yīng)用突破。

研究內(nèi)容

機(jī)器人焊接采用CO2氣體保護(hù)焊形式，影響焊縫質(zhì)量因素有很多，根據(jù)機(jī)器人焊接相關(guān)原理和參數(shù)。

主要選擇焊接電流、電弧電壓、焊槍移動(dòng)速度、焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角共5項(xiàng)影響因素來進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討各因素對機(jī)器人焊接質(zhì)量的影響。

以上機(jī)器人焊接工藝影響因素可分為2個(gè)方面：一是焊接主要參數(shù)設(shè)置，包含焊接電流、電弧電壓、焊槍移動(dòng)速度3個(gè)因素。

二是焊接技巧控制，包含焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角2個(gè)因素。通過對焊接質(zhì)量影響因素的研究。總結(jié)分析焊接工藝中常見的各種質(zhì)量問題，然后采取相應(yīng)的管控措施，保證焊接質(zhì)量符合工程建設(shè)實(shí)際要求。

研究范圍

為了研究機(jī)器人焊接適用范圍，根據(jù)工程實(shí)際與項(xiàng)目施工進(jìn)度，考慮到試材的通用性，有代表性地選取了6，8，10，12，14，16，18，20mm共計(jì)8種不同厚度的板材的鋼結(jié)構(gòu)箱型柱和H型鋼梁。

試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)對場地空間大小有一定要求，綜合考慮機(jī)器人的高度、機(jī)器人運(yùn)行軌道長度、鋼材堆放用地、鋼材搬運(yùn)調(diào)度所需空間等因素。

為確保試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行，在加工廠房，簡單地進(jìn)行場地平整、鋪設(shè)電纜、配置電箱等改造。

試驗(yàn)采用SR10C智能焊接機(jī)器人及其配套設(shè)備，配合隨車吊與橋式起重機(jī)進(jìn)行安裝，具體試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備見表2。

焊接試驗(yàn)主要選用8種不同厚度的Q335B型號鋼材，同時(shí)準(zhǔn)備保護(hù)氣、焊絲等相關(guān)輔材，具體試驗(yàn)材料見表3。

試驗(yàn)過程

試驗(yàn)利用控制變量法進(jìn)行，將焊接電流、電弧電壓、焊槍移動(dòng)速度、焊槍到板材的距離、焊槍與焊縫的夾角5個(gè)變量進(jìn)行單一變量控制，設(shè)定試驗(yàn)組和對照，開展焊接試驗(yàn)研究。

焊槍距板材的距離，查閱機(jī)器人焊接操作說明，參考手工焊經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)經(jīng)過試焊，得知焊槍距板材距離以2~5mm為最佳，具體到不同的板材，距離也不相同，比如6mm的薄板，焊槍距板材的距離一般應(yīng)為2~3mm。

至于焊槍與焊縫的夾角設(shè)定，經(jīng)查閱操作說明，同時(shí)咨詢有經(jīng)驗(yàn)的焊工，得知焊槍與焊縫間x方向夾角在30°~45°為宜，使焊槍在作業(yè)時(shí)沿軸呈推動(dòng)焊接的效果。

以6mm板材為例開展焊接試驗(yàn)，首先初步設(shè)定焊槍與板材底邊、側(cè)邊的距離分別為3mm，3mm，焊槍與焊縫在3個(gè)軸向的夾角為45°，45°，45°，焊槍移動(dòng)速度為8mm/s。

通過查詢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電壓選定公式(U=0.04I+16±2)，選預(yù)設(shè)電流280A不變，在23~28V區(qū)間內(nèi)分別調(diào)整多個(gè)電壓值進(jìn)行試驗(yàn)。

再固定電壓不變，在260~300A區(qū)間改變電流，以此來分析電弧電壓、焊接電流對焊縫的影響，同時(shí)分析6mm板材合適的電弧電壓和焊接電流。

在確定較優(yōu)焊接電流和電弧電壓的情況后，分別對焊槍移動(dòng)速度、焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角這3項(xiàng)因素進(jìn)行單一變量控制試驗(yàn)。具體變量控制設(shè)定方式見表4。

機(jī)器人焊接作業(yè)流程

保證電路接通狀態(tài)，啟動(dòng)機(jī)器人并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，做好相關(guān)保護(hù)工作；調(diào)試焊絲及保護(hù)氣，焊絲伸出長20mm左右，確保保護(hù)氣正常排放;新建焊接作業(yè)指令并添加控制點(diǎn)。

在非焊接狀態(tài)下試運(yùn)行，確保整個(gè)焊接過程正常運(yùn)作；啟動(dòng)焊接指令，運(yùn)行自動(dòng)焊作業(yè)；作業(yè)后第一時(shí)間關(guān)閉焊接指令。

在焊槍口涂防護(hù)蠟，最后檢查焊接效果并測量記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。機(jī)器人作業(yè)操控流程如圖1所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)，檢查焊接外觀質(zhì)量，測量焊縫指標(biāo)，從而找出各類因素對焊接質(zhì)量的影響關(guān)系。根據(jù)既定試驗(yàn)組，分別對應(yīng)開展試驗(yàn)，最終數(shù)據(jù)測定見表5。

試驗(yàn)效果

從表5可以得出，在焊接電流固定的情況下，隨著電弧電壓的增大，焊縫厚度和焊腳尺寸也隨著加大，但電弧電壓超過一定值后，隨著電弧電壓的增大，焊縫質(zhì)量呈下降趨勢，如圖2所示。

同樣的，在電弧電壓不變的情況下，焊接電流也有一個(gè)最優(yōu)取值，使得焊縫質(zhì)量最佳。當(dāng)實(shí)際焊接電流偏離這個(gè)值后，無論焊接電流變大或變小，焊縫質(zhì)量均下降，如圖3所示。

從試驗(yàn)焊接效果看出，焊槍移動(dòng)速度會直接影響到焊縫的厚度和焊腳寬度。在其他因素固定情況下，焊槍移動(dòng)速度提高，焊縫厚度和焊腳寬度會減小;反之速度過慢，則焊縫較大較深，同時(shí)還有熔透的風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。

此后，課題組又分別對8，10，12，14，16，18，20mm不同厚度板材進(jìn)行焊接試驗(yàn)，累計(jì)焊接試驗(yàn)200余組，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不詳盡列舉。

通過大量試驗(yàn)，確認(rèn)5項(xiàng)因素對機(jī)器人焊接質(zhì)量的影響規(guī)律。另外，課題組邀請有經(jīng)驗(yàn)的焊工進(jìn)行手工焊，與機(jī)器人智能焊進(jìn)行了效果比對，如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析

焊槍距板材距離

經(jīng)過試驗(yàn)對比可以得出，焊槍距板材的距離在2~5mm區(qū)間內(nèi)對焊接質(zhì)量影響很小，為次要因素，可以忽略。

同時(shí)，因?yàn)楹附z熔化后受到重力影響有向下流動(dòng)的趨勢，為抵消這一因素，焊槍距板材底邊的距離可稍大于焊槍距板材側(cè)邊的距離。因此一般情況下，設(shè)定焊槍到側(cè)邊與底邊的距離分別為2mm和3mm。

圖6為焊槍距離板材過遠(yuǎn)時(shí)出現(xiàn)的漏弧、焊縫空洞等質(zhì)量問題。

焊槍與焊縫的夾角

一般來講，焊槍槍頭指向與各軸向的角度呈40°~50°為宜，過大或過小易發(fā)生撞槍故障，在可控區(qū)間內(nèi)作業(yè)對焊接效果影響較小，為次要因素，可以忽略。

通過焊接試驗(yàn)得出，焊槍作業(yè)時(shí)沿軸向推動(dòng)狀態(tài)可使焊接效果達(dá)到最佳，故將角度稍作減小，控制在30°~45°為宜，通?？稍O(shè)定為30°，推進(jìn)效果明顯；而焊槍與水平和豎直方向的角度則以45°±5°為宜，通常選定45°為佳。

焊槍移動(dòng)速度

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊槍移動(dòng)速度的改變對焊縫質(zhì)量存在明顯的影響，為主要因素。6mm板材焊接過程中，焊槍移動(dòng)速度設(shè)定為8mm/s時(shí)的焊接效果較佳，焊縫滿足規(guī)范要求。

在其他試驗(yàn)參數(shù)固定的情況下，為滿足焊接質(zhì)量要求，焊槍移動(dòng)速度與板材厚度需呈反比關(guān)系。

當(dāng)板材厚度逐步提高，焊槍移動(dòng)速度需逐漸降低，才可使焊縫尺寸達(dá)到規(guī)范要求。焊槍移動(dòng)速度過快，會出現(xiàn)焊縫不成形的現(xiàn)象，如圖7所示。

實(shí)體工程中，需根據(jù)實(shí)際焊接情況，在綜合考慮焊接電流、電弧電壓、板材厚度等因素的情況下，來設(shè)定最優(yōu)的焊槍移動(dòng)速度。

焊接電流

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，焊接電流的改變對焊縫質(zhì)量存在明顯的影響，為主要因素。焊接電流對焊縫的形狀尺寸有較大影響，焊縫尺寸隨著焊接電流的增大而變大。

但當(dāng)焊接電流過大時(shí)，焊縫質(zhì)量會明顯下滑，甚至產(chǎn)生板材熔透的現(xiàn)象，因此焊接電流的選定要適度，需考慮板材厚度和電弧電壓等影響因素。

在合理范圍內(nèi)，當(dāng)其他影響因素不變時(shí)，焊接電流設(shè)定和板材厚度之間存在正向的線性關(guān)系。

電弧電壓是影響焊絲的熔化速度、焊縫熔深等主要質(zhì)量參數(shù)，同時(shí)電弧電壓還要與焊接電流相匹配。

若電弧電壓過大，焊絲熔化速度超過送絲速度，焊縫易形成大熔球，當(dāng)熔化速度超過送絲速度很多時(shí)，會導(dǎo)致焊絲和出絲口熔化，連接在一起，造成設(shè)備損壞。

當(dāng)電弧電壓過小時(shí)，則會出現(xiàn)焊渣飛濺的情況，如圖8所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在合理范圍內(nèi)，當(dāng)其他影響因素不變時(shí)，電弧電壓設(shè)定與板材厚度之間存在正向的線性關(guān)系。

試驗(yàn)結(jié)論

在焊接參數(shù)設(shè)置方面，焊接電流、電弧電壓、焊槍移動(dòng)速度均為影響焊接質(zhì)量主要因素，對于這些主要因素的參數(shù)選擇是比較困難的。

需要用大量的試驗(yàn)確定各參數(shù)比較合理的取值范圍，然后再用單一變量法對某一因素進(jìn)行細(xì)微變動(dòng)，以此確定該因素對焊縫質(zhì)量的影響，并得出該因素對焊縫質(zhì)量影響較優(yōu)的參數(shù)值。

而在焊接技巧控制方面，焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角在合理的控制范圍內(nèi)，對焊接實(shí)際質(zhì)量影響可忽略不計(jì)，控制好距離與角度兩項(xiàng)因素，可提高焊縫質(zhì)量，達(dá)到整體均勻、光滑的美觀效果。

從列舉的6mm板材焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)及焊縫尺寸與外觀較優(yōu)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，其5項(xiàng)影響因素參考設(shè)置如下：

焊接電流、電弧電壓匹配值為280A，26V，焊槍移動(dòng)速度為8mm/s，焊槍距板材側(cè)邊和底邊的距離分別為2mm，3mm，焊槍與3軸方向夾角分別設(shè)置為30°，45°，45°。

另外，通過大量試驗(yàn)得出不同板材厚度下影響焊接質(zhì)量的5項(xiàng)因素，最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)見表6。

對于影響焊接質(zhì)量的相關(guān)因素，除焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角2項(xiàng)次要影響因素，焊接電流、電弧電壓、焊槍移動(dòng)速度3項(xiàng)主要因素在實(shí)際焊接過程中并非孤立存在。

特別是電弧電壓與焊接電流，在機(jī)器人運(yùn)行作業(yè)狀態(tài)下，實(shí)際的電弧電壓和焊接電流與設(shè)定參數(shù)還有一定偏差。

當(dāng)焊材厚度增加，不能通過單一因素來控制，需要綜合3項(xiàng)主要因素，同時(shí)達(dá)到最佳的焊接契合度，才能使焊縫質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

另外，機(jī)器人焊接質(zhì)量也會受到板材本身平整度、光潔質(zhì)量、拼縫縫隙等多種其他外在因素的綜合影響。

作者觀點(diǎn)

機(jī)器人智能焊與手工焊相比，穩(wěn)定性極高，對大量重復(fù)性焊接工作不會產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，機(jī)器人焊接的效率平穩(wěn)，適用長時(shí)間焊接工作。

同時(shí)手工焊對焊工水平要求極高，對應(yīng)的人工薪資較高，而機(jī)器人焊接只需培訓(xùn)操作技巧，一人可同時(shí)操控多臺設(shè)備，可大幅節(jié)約人工成本。

另外，在焊接作業(yè)過程中，產(chǎn)生的光電、粉塵、噪聲等對焊工的身體危害極大，而操作機(jī)器人進(jìn)行智能焊可以有效避免職業(yè)病發(fā)生。

機(jī)器人智能焊可通過大量試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)積累不斷優(yōu)化，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量，是一個(gè)逐步向好的過程，未來將會日漸成熟，替代傳統(tǒng)作業(yè)方式，推動(dòng)建筑裝配行業(yè)發(fā)展。

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