乌日根 王玉荣 董昱峰
(1.包头职业技术学院，内蒙古 包头 014030；
2.国网新能源云技术有限公司，北京100000)
焊接作为工业“裁缝”，已成为现代装备制造业必不可少的关键加工技术，约有70%的钢为焊接结构。在焊接技术由传统的手工焊、半自动焊向自动焊、智能焊方向发展过程中，机器人焊接成为提高焊接生产率、改善焊工劳动条件、提升产品质量的重要环节，现已广泛应用于工程机械、航空、车辆等行业。[1-2]
弧焊机器人作为典型焊接机器人，常用于中厚板高强钢的焊接。[3-4]但是高强钢的强度硬度较高，韧性塑性较低，淬硬倾向明显，厚板结构刚度大，焊接残余应力高，容易产生焊接裂纹等缺陷，加之常用焊接机器人多数没有厚板多层焊自动编程功能，给中厚板高强钢的焊接带来一定困难，需要合理规划机器人运动轨迹，科学设计机器人多层焊接工艺等才能得到中厚板高强钢的较高焊接质量。[5]
本研究在正交试验方法的基础上，通过弧焊机器人示教编程功能优化多层焊接工艺，规划机器人运行轨迹，调整焊接电流、电压及焊接速度等主要焊接参数，以期提升高强钢的焊缝内部质量和外观成形质量。
1.1 试验材料
弧焊机器人为松下TA-1400型焊接机器人，焊丝选用H08Mn2SiA，保护气体为80%CO2+20%Ar，Q345高强钢试板尺寸为250mm×100mm×10mm，属于中厚板焊接结构。
1.2 试验方法
试板坡口加工为50°V形，钝边为1mm，装配间隙为2mm。根据母材板厚、性能等因素采取三层单道焊加摆动机器人焊接工艺。按照正交试验L9(34)设计，共焊接9组试件，并观察焊缝表面成形质量。
采用射线检测设备HS-XY-320,对焊缝进行X射线照相检测。检测工艺为透照厚度10mm、单笔透照、焦距700mm、能量150kv、管电流5mA、曝光时间2min、像质剂位置源侧等。
2.1 轨迹规划
根据焊接机器人及试件结构特点，规划机器人完成焊接所需的运行轨迹，即确定机器人示教轨迹，合理设置示教点数量和位置等。
焊接各层的示教轨迹为P1→P2→P3→P4→P5→P6→P7→P8。共设置8个示教点，其中除P3为焊接点外，其余均为空走点。P1→P2→P3区间和P6→P7→P8区间为机器人空走区间，P3→P6为焊接区间，P4和P5为焊枪摆动的左右振幅点，如图1所示。
图1 机器人示教轨迹规划
2.2 示教编程
通过示教器移动机器人完成如图1所示机器人示教轨迹的示教操作。具体示教编程步骤如下：
示教初始位置P1点后将机器人移到焊接临近点P2进行示教，经观察焊枪姿态、移动安全等后再将机器人移到焊接开始点P3示教。
机器人焊枪到达P3后进入焊接区间，因需摆动焊接，示教第一振幅点P4和第二振幅点P5，再将机器人焊枪移到焊接结束点P6进行示教，即按照P3→P4→P5顺序移动机器人并完成各点的示教操作。
将机器人焊枪从P6点移到焊枪规避点P7，经确认安全后可将机器人焊枪移到终点P8示教，也可以通过示教器的复制粘贴功能将P1复制粘贴到P8，使P8与P1完全重合。
完成上述示教操作后示教器上将形成示教程序，包括焊接参数设置语句等。示教程序共17行程序语句，其程序语句具体内容和注释如表1所示。
表1 示教程序
2.3 再现操作
示教程序生成后还需要对其进行再现操作，即再现机器人在示教过程所记忆的运行动作，从而观察机器人是否按照示教轨迹和设置参数运行，包括示教点位置、插补方式、示教速度、焊接速度、摆幅等。如提示错误或发现示教偏离预期，则需要立即修改程序。示教程序经过再现验证和修改优化后进行焊接操作。
3.1 焊接参数设置
机器人焊接参数按照打底层、填充层及盖面层设置，如表2所示。填充层焊接工艺参数按照正交试验L9(34)设计，以考察其对焊缝内部质量的影响规律。
表2 焊接工艺参数
3.2 机器人焊接操作
机器人焊接操作步骤如下：
3.2.1 检查示教程序
通过自动再现方式再次检查示教程序的准确与否。
3.2.2 检查焊丝和保护气体
如图2所示，通过示教器的向前送丝和向后退丝动作功能键检查送丝正常与否，同时调整焊丝伸出长度符合焊接要求。
图2 电弧锁定开关及送丝检气功能键
通过示教器上的气阀开关检查送气是否正常。
3.2.3 焊接操作
打开示教器上的电弧锁定开关(见图2)，将示教器上的模式开关拨到自动挡位，接通伺服电机电源之后按下启动开关开始焊接，完成9组试件的焊接任务。
3.3 焊接结果
对已完成9组焊缝进行表面成形和内部质量检测和分析。9组试件焊缝中均未发现裂纹、气孔、咬边、未焊透等表面缺陷，焊缝正反面成形质量均优良(见图3)。
图3 焊缝成形质量
经焊缝内部的射线检测，9组试件焊缝均未发现焊缝裂纹、气孔、未熔合等内部缺陷，焊缝评定结果均为Ⅰ级(见表3)，焊缝质量达到优等。
表3 射线检测结果
本研究高强钢机器人多层焊接示教编程、焊接工艺设计、焊接参数设置范围等均较为合理，可作为工程厚板焊接产品的机器人焊接生产典型工艺使用。在焊缝外观检查和内部射线检测中，均未发现裂纹、气孔、咬边、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊缝成形优良，焊缝评定结果均为Ⅰ级。
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