爬行式弧焊机器人立向与横向焊接工艺的研究
张华,徐建宁,刘伟力,刘正文
(南昌大学,江西 南昌 330029)
摘要:基于新型爬行式弧焊机器人对大型构件不同焊接位置的焊接工艺进行了研究,从大量实验中研究焊接速度、焊接电流、焊枪位姿等人工调节因素对焊接质量的影响；总结了针对该系统的各因素的调整方法和量值。实验表明，参数的适当改变使该系统能应用于不同位置的焊接，从而保证大型构件的全位置自动化焊接。
关键词：爬行式；全位置焊；焊接工艺；自动焊；机器人
前言
随着科学技术的发展，大型重要构件的焊接越来越多，仅仅依靠手工焊接难于满足焊接质量和焊接效率的要求，焊接自动化将成为焊接技术发展的必然趋势。 在此介绍新型爬行式弧焊机器人的焊接工艺问题，其目的是为了实现大型构件的全位置自动化焊接。
该系统对国内外现有的焊接设备和方法来说是全新的，所以在整个设计、完善和试验过程中不可避免的遇到了很多问题和困难，在此就焊接试验过程中所遇到的问题和采取的解决办法做一说明。
1 爬行式弧焊机器人系统
爬行式弧焊机器人系统的构成主要由永磁履带爬行机构、激光图像传感系统、信息处理及跟踪控制系统所组成，如图1 所示。爬行机构是机器人的运动动力系统；图像传感与信息处理系统构成焊接识别系统，以识别焊缝，与跟踪控制系统一起组成焊缝跟踪系统，以实现运动中的焊缝跟踪和焊接。
在十字滑块的上滑块上固定有螺丝可调节钢臂，其平行于机器人车体，用以焊枪的对准调节。前端为摆动器，其上可夹持焊枪，用以完成焊接过程焊枪的摆动，参数可调。
为了保证焊接电流在试验过程中稳定可靠，以使焊接试验能够较准确地反映该套系统用于焊缝跟踪焊接的实际效果，焊接用电源和送丝机构选用芬兰KEMPPI公司生产的 KEMPPI PR0500，它的焊接模式、焊接脉冲、电流、电压等多项焊接参数均可随时手动调整，在焊接过程中并能根据已有参数自动稳定焊接电流、电压。
2 焊接工艺与试验
采用该系统我们做了两种位置的焊接试验，分别为立焊和横焊（大型构件主要的焊接位置分为立焊和横焊，针对这两种焊接位置来进行试验研究。） 在实际手工焊接的过程中!这两种位置的焊接所采用的焊接方法有很大差异，工艺方法也就有很大不同。
2.1 试验材料
为符合在工业生产中的造船、制罐等实际用材情况，选用普通碳钢!焊丝选用直径1.2MM 镀膜焊丝。
2.1 焊接工艺
2.2.1 焊接方法
采用氩气、co2混合气体保护MIG 脉冲焊；背面使用陶瓷衬垫；单面焊双面成形工艺&盖面根据焊接位置为立焊一道、横焊多道成形。
2.2.2 焊接坡口
a. 立焊。 坡口选用“V”型坡口，具体坡口形式及尺寸如图2所示。焊前坡口及周围20MM范围内清除水、油、锈等，露出金属光泽，以保证激光图像传感系统对焊缝的顺利识别。
b. 横焊。坡口选用不对称"v"型坡口,具体坡口形式及尺寸如图3 所示。焊前需处理坡口表面。
2.2.3 工艺规范
在试验过程中，除对焊机参数的整定和正确调节外，焊枪位置、焊枪的摆动、焊接速度对焊接质量、焊缝成形都有很大的影响。因为这些量依靠手调、特别是焊枪位置、焊枪摆动，在实际操作中不便于测量，调节难度较大。
a. 焊枪位置包括焊枪头与工件位置、焊丝与坡口位置（要考虑摆动幅度的影响，见图2图3）。
b. 焊枪摆动由调节摆动器来实现,主要参数有摆动速度%左中右3 个位置的停留时间。
c. 焊接速度um为焊前设定值，焊接过程中可调。
d.焊前对焊机电压补尝进行整定，整定值2.6V作为焊机内设参量。常用调节量有送丝速度us、焊接电压U和脉冲幅值。
2.2.4 焊接各项参数
a. 立焊。
立焊打底时焊枪垂直于工件mm 左右上方,加摆后焊丝靠两边坡口1-2mm,如图2所示。第二道盖面,焊枪垂直上调5-8mm,摆动幅度适当调大。立焊时各参数如表1所示。
b. 横焊。
横焊打底时焊枪微向下扎，使焊丝在加有摆动时不至太靠下边坡口，焊枪顺焊接方向向下斜摆，大约与水平成75°—80°；盖面三道成形，均不加摆动，且每次要根据上道次焊接的效果和位置从新调整焊枪姿态（见图3）第一道盖面枪头略向下扎，二道时较平，末道枪头略向上抑。横焊时各参数如表2所示。
3 试验结果
a. 在早期试验中,电流、电压值与焊速的匹配总不令人满意。采用的MIG脉冲焊，其宜于用较小的平均电流进行焊接，特点是熔池体积小，不易淌流，且在脉冲峰值电流作用下，熔滴的轴向性好，故比起普通氩弧焊更有利于焊缝成形，在全位置焊中有很好的效果。试验中早期打底焊焊速一般在8cm/min以上，相应电流值也较高，在95-105A之间，焊接过程不太稳定，背面成形有时也不理想。究其原因，在于脉冲幅值的影响，脉冲电流使熔滴呈喷射过渡，在较大脉冲电流下较小的电压易造成大飞溅、淌流，而大电压表面成形也不理想。我们在试验中不断摸索，后在稳定幅值的前提下适当减小电流、电压并且降低焊速，这样在横向和垂直位置的焊接过程中，充分发挥出了脉冲焊工艺在全位置焊上的优点，焊接过程稳定，飞溅小，两面成形都很理想。图4a、图4b、图4c、图4d 依次为立焊焊前加衬垫样板、立焊背面成形、打底和盖面成形样例。
b. 手工焊盖面横焊工艺采用的是加摆停留的方法,由于人工操作的灵活性,焊接过程中摆动频率、幅度和停留时间均可实时改变，故一般宽度的盖面焊可一次成形。由于该机器人缺乏人的灵活性，我们通过模仿人工的盖面过程横焊，采用高焊速加快速摆动或不加摆动多道成形的横焊盖面方法。这样就避免了横焊盖面淌流的发生，也取得了不错的效果。图5a、图5b、图5c、图5d、图5e 依次为横焊背面成形、打底焊、盖面第一道、第二道、最后盖面成形。
c. 除了电流电压和焊速,另一个人为影响较大的因素是摆动器的调节,根据不同位置的焊接要采用不同的摆动方式。
4 结论
试验证明，通过对工艺方法的改进和调整，该套爬壁式弧焊机器人应用在立向和横向焊接上，能够获得稳定的焊接质量和很好的表面成形。当针对不同的材质和焊缝规格时，要有某些值发生变化，则其他值相应也要有所调整。
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