一、概述

2009年初，為提高挖掘機結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量，降低員工勞動強度，柳州柳工挖掘機有限公司結(jié)構(gòu)件廠新引進3臺大型機焊接機器人（包括兩臺中型機動臂焊接機器人，一臺中型機斗桿焊接機器人）。國內(nèi)同行業(yè)，引進焊接機器人進行挖掘機結(jié)構(gòu)件的焊接已是必然的趨勢。安裝、調(diào)試初期，焊接機器人程序再生時間長，無法滿足生產(chǎn)需要。為有效提高機器人焊接效率，公司成立項目組，對焊接機器人程序進行優(yōu)化，并驗證其工藝可行性。

以CLG205C動臂為例：

1、 再生時間長，程序運行時間257分鐘（剔除中途暫時停止時間）。

2、 異常處理時間長（起弧不良、燒穿），整個焊接機器人工位節(jié)拍時間達到303分鐘，不能滿足生產(chǎn)要求的240分鐘。
注：工位節(jié)拍時間包括焊接時間，裝夾時間，焊前處理，異常情況處理時間等。

3、 焊接腹板角焊縫時避開中腹板對接焊縫兩端各150mm，后續(xù)收尾焊接工作量大。（見圖1）

圖1 動臂腹板焊接時避開對接焊縫

4、 可焊率較低，為70.73%（注：可焊率=可焊焊縫總長/全部焊縫總長）。

二、現(xiàn)狀調(diào)查、原因分析

經(jīng)過項目組成員對機器人焊接過程的持續(xù)觀察、分析得出導(dǎo)致CLG205C動臂焊接機器人產(chǎn)出時間長的主要原因如下：

1、 翻身次數(shù)多

由于考慮焊接變形等因素，廠家人員編制程序時，對其要求：

1）對接焊縫先單側(cè)打底后再進行另一側(cè)的焊接成形。
2）角焊縫分段對稱打底、填充。

最終導(dǎo)致翻身次數(shù)比較多，為13次。

2、 傳感與清槍次數(shù)多

由于焊縫分段較多，每段焊縫開始焊接之前都要進行傳感檢測，為了提高傳感精度，傳感檢測前必須清槍，導(dǎo)致傳感與清槍次數(shù)較多，傳感次數(shù)39次，清槍次數(shù)43次，耗時約50分鐘。

3、 焊接過程中異常因素較多

焊接過程中出現(xiàn)因素時，需中斷焊接，對異常進行處理后方可進行下一步焊接，主要出現(xiàn)以下異常因素：

1） 起弧不良

由于使用φ1.6焊絲，焊接電流較大，焊接產(chǎn)生的氧化皮也較厚，在進行多層多道焊接時，經(jīng)常有起弧不良的現(xiàn)象，操作者需手動清除開始點氧化皮后再重新啟動。（見圖2）

圖2 起弧不良

2） 燒穿

焊接機器人使用φ1.6焊絲進行焊接，焊接電流大，且個別角焊縫拼搭間隙大等原因，在進行焊縫打底時，經(jīng)常出現(xiàn)燒穿的現(xiàn)象，操作者需對燒穿處進行補焊后才能進行下一步焊接，影響時間較長，約15分鐘/臺。（見圖3）

圖3 燒穿

4、焊縫層數(shù)多

后腹板角焊縫焊縫層數(shù)為4層，后腹板與后支座對接焊縫為5層，中支座圓周對接焊縫為4層，焊縫層數(shù)較多，焊接時間長。

三、制定改進措施并實施

1、修改當(dāng)前焊縫焊接順序，減少翻身次數(shù)。

重新編制程序，修改焊縫焊接順序為：

單側(cè)后支座、前支座對接焊縫一次成形，角焊縫單側(cè)全部打底后翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)次數(shù)由改進前的13次減少到7次，節(jié)省時間約5分鐘。

2、 單側(cè)連續(xù)打底焊接，不避開中腹板對接焊縫，減少程序數(shù)量，從而減少傳感及清槍次數(shù)。

由于205C動臂采用腹板組件焊接的方式進行生產(chǎn)，中腹板對接焊縫已修磨好，程序編制時過渡得當(dāng)，完全不需要避開此處。在程序編制時使用機器人和變位機聯(lián)動控制，對此處角焊縫連續(xù)焊接，不管從焊縫外觀還是焊腳尺寸，均滿足要求。（見圖4）

圖4 腹板對接焊縫處連續(xù)焊接

經(jīng)過此對策的實施，焊縫程序由改進前的39個降低到目前的23個，清槍程序由改進前的43次，降低到目前的24次，傳感次數(shù)由改進前的39個降低到目前的23個，節(jié)省時間約20分鐘。

3、 優(yōu)化程序數(shù)據(jù)庫功能，合理修改參數(shù)，減少起弧不良、燒穿等異常狀況的發(fā)生。

1）起弧不良

合理使用數(shù)據(jù)庫中起弧點平移功能，將起不了弧的次數(shù)降到最低。

功能介紹：

起弧點平移

如上圖所示，在多層多道焊中，由于上道焊縫焊后有氧化皮，在正常起弧點處直接起弧的話往往無法起弧。

如上圖所示，在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置起弧點空間上的平移，選擇在無氧化皮處起弧（如板材坡口內(nèi)側(cè)），起弧后快速移動到正常起弧點，然后在正常起弧點開始進行焊接。

如上圖所示，通過設(shè)置電弧重起次數(shù)等參數(shù)來保證設(shè)置了起弧點平移后即使某一次起不了弧，嘗試多次電弧重啟來避免焊接中止。

通過這種方法，極大了降低了焊接過程中起不了弧的情況，節(jié)省處理異常時間約10分鐘。

2）燒穿

a、參數(shù)更改

通過多次嘗試，統(tǒng)計出合適電流、電壓，帶墊板對接焊縫打底電流與開坡口角焊縫打底電流330A，電壓95%（一元），鑄造臺階型對接焊縫打底電流360A，電壓96%（一元），并對經(jīng)常出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象的焊縫所用數(shù)據(jù)庫進行更改。

b、焊前打底

焊前檢查動臂角焊縫拼搭間隙，若大于1mm，則進行手工打底（打底厚度小于4mm），防止在機器人焊接時焊穿。并且要求在上機器人前處理好，不占用機器人工序時間。

經(jīng)過這兩個對策的實施，目前機器人在焊接過程中燒穿的現(xiàn)象出現(xiàn)的次數(shù)大大降低，節(jié)省時間約15分鐘。

4、修改參數(shù)，通過加大焊接電流，降低焊接速度等措施，減少后腹板角焊縫以及后腹板與后支座對接焊縫層數(shù)。

改進前，后支座對接焊縫焊5層，數(shù)據(jù)庫如圖所示：

數(shù)據(jù)庫號320：

第一層 電流330A,電壓94% 第二層 電流400A,電壓95%
第三層 電流400A,電壓95% 第四層 電流400A,電壓95%
第五層 電流310A,電壓95%

改進后，后支座對接焊縫焊4層，數(shù)據(jù)庫如圖所示：

數(shù)據(jù)庫號402：

第一層 電流350A,電壓95% 第二層 電流400A,電壓97%
第三層 電流420A，電壓95%第四層 電流320A，電壓95%

經(jīng)過對后支座對接焊縫及后腹板角焊縫的參數(shù)優(yōu)化，焊接時間節(jié)省約10分鐘。

更改焊接參數(shù)后，做相應(yīng)工藝試驗對焊接參數(shù)進行驗證，驗證結(jié)果合格（具體結(jié)果見設(shè)備驗證中機械性能試驗報告）。

四、設(shè)備工藝驗證

針對焊接參數(shù)、焊接順序等焊接工藝的更改，開展工藝試驗對設(shè)備工藝進行驗證，設(shè)備工藝驗證內(nèi)容主要包括：角焊縫熔深試驗，焊縫機械性能試驗，焊縫尺寸及外觀檢測。

1、 角焊縫熔深試驗：

使用實際焊接參數(shù)進行試板（與實際焊接部件的板厚、材料一致）的焊接，拋棄兩端30mm的起弧、收弧以及明顯焊接缺陷部位。機加焊縫剖面處，使用稀硝酸腐蝕后測量焊縫熔深。根據(jù)實際情況，試板可分為開坡口和無坡口等情況分別進行試驗。（見圖5）

圖5 焊縫熔深試驗

2、 焊縫機械性能試驗

參照GB 2651-89《焊接接頭拉伸試驗方法》及GB 2653-89《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》進行對接焊縫的拉伸以及冷彎試驗。一般每臺設(shè)備需進行至少2套試板的焊接，每樣試驗至少取3件試件。

圖6 對接焊縫拉伸試驗

圖7 對接焊縫接頭拉伸試驗

3、 焊縫尺寸及外觀檢測

對調(diào)整后的程序焊接質(zhì)量進行對接焊縫探傷以及焊縫尺寸、外觀的檢查，檢查數(shù)量一般大于5臺。（見圖8）

圖8 焊縫尺寸及外觀檢查

以上工藝試驗以及檢驗完成后，基本可判定新工藝有效，改進方案可以批量實施。

五、經(jīng)濟效益

1、改進前后對比見表1：

表1 改進前后對比數(shù)據(jù)

2、 其他結(jié)構(gòu)件改進效果：

1）CLG205C斗桿，改進前用時155分鐘，改進后用時130分鐘。
2）CLG915C斗桿，改進前用時125分鐘，改進后用時100分鐘。

3、經(jīng)濟效益

1）工時成本節(jié)省

按每年2000臺計算，產(chǎn)生效益=節(jié)省時間（分）×人工費率（元/人?分鐘）×年產(chǎn)量=（303+155+125-240-130-100）×0.215×2000臺/年=48590元/年

2）新增產(chǎn)值

項目實施前動臂每班產(chǎn)8臺（以205C為例），斗桿每班10臺，無法滿足生產(chǎn)需要。焊接機器人正常投入使用后，每班可產(chǎn)出動臂12臺(以205C為例）,斗桿13-14臺，新增產(chǎn)值約2000萬元。

六、推廣價值

目前，工程機械行業(yè)運用焊接機器人進行結(jié)構(gòu)件的焊接，可參考本文進行焊接效率以及焊接質(zhì)量的提升。

七、結(jié)論

本文僅主要對焊接程序等對焊接效率影響較大的幾個因素進行分析和優(yōu)化，并通過試驗確定焊接參數(shù)等涉及焊接工藝變化的措施的可行性，其他類似的情況除進行以上分析外，也可對裝夾等輔助過程進行分析、改進。

（該項目成果獲2009年度廣西重工業(yè)先進工藝工裝成果一等獎）