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提高焊接机器人结构件焊接效率 |
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作者：广西柳工挖掘机有限公司 李志辉 李志军 张佳佳 |
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一、概述
2009年初，为提高挖掘机结构件焊接质量，降低员工劳动强度，柳州柳工挖掘机有限公司结构件厂新引进3台大型机焊接机器人（包括两台中型机动臂焊接机器人，一台中型机斗杆焊接机器人）。国内同行业，引进焊接机器人进行挖掘机结构件的焊接已是必然的趋势。安装、调试初期，焊接机器人程序再生时间长，无法满足生产需要。为有效提高机器人焊接效率，公司成立项目组，对焊接机器人程序进行优化，并验证其工艺可行性。
以CLG205C动臂为例：
1、 再生时间长，程序运行时间257分钟（剔除中途暂时停止时间）。
2、 异常处理时间长（起弧不良、烧穿），整个焊接机器人工位节拍时间达到303分钟，不能满足生产要求的240分钟。
注：工位节拍时间包括焊接时间，装夹时间，焊前处理，异常情况处理时间等。
3、 焊接腹板角焊缝时避开中腹板对接焊缝两端各150mm，后续收尾焊接工作量大。（见图1）
图1 动臂腹板焊接时避开对接焊缝
4、 可焊率较低，为70.73%（注：可焊率=可焊焊缝总长/全部焊缝总长）。
二、现状调查、原因分析
经过项目组成员对机器人焊接过程的持续观察、分析得出导致CLG205C动臂焊接机器人产出时间长的主要原因如下：
1、 翻身次数多
由于考虑焊接变形等因素，厂家人员编制程序时，对其要求：
1）对接焊缝先单侧打底后再进行另一侧的焊接成形。
2）角焊缝分段对称打底、填充。
最终导致翻身次数比较多，为13次。
2、 传感与清枪次数多
由于焊缝分段较多，每段焊缝开始焊接之前都要进行传感检测，为了提高传感精度，传感检测前必须清枪，导致传感与清枪次数较多，传感次数39次，清枪次数43次，耗时约50分钟。
3、 焊接过程中异常因素较多
焊接过程中出现因素时，需中断焊接，对异常进行处理后方可进行下一步焊接，主要出现以下异常因素：
1） 起弧不良
由于使用φ1.6焊丝，焊接电流较大，焊接产生的氧化皮也较厚，在进行多层多道焊接时，经常有起弧不良的现象，操作者需手动清除开始点氧化皮后再重新启动。（见图2）
图2 起弧不良
2） 烧穿
焊接机器人使用φ1.6焊丝进行焊接，焊接电流大，且个别角焊缝拼搭间隙大等原因，在进行焊缝打底时，经常出现烧穿的现象，操作者需对烧穿处进行补焊后才能进行下一步焊接，影响时间较长，约15分钟/台。（见图3）
图3 烧穿
4、焊缝层数多
后腹板角焊缝焊缝层数为4层，后腹板与后支座对接焊缝为5层，中支座圆周对接焊缝为4层，焊缝层数较多，焊接时间长。
三、制定改进措施并实施
1、修改当前焊缝焊接顺序，减少翻身次数。
重新编制程序，修改焊缝焊接顺序为：
单侧后支座、前支座对接焊缝一次成形，角焊缝单侧全部打底后翻转，翻转次数由改进前的13次减少到7次，节省时间约5分钟。
2、 单侧连续打底焊接，不避开中腹板对接焊缝，减少程序数量，从而减少传感及清枪次数。
由于205C动臂采用腹板组件焊接的方式进行生产，中腹板对接焊缝已修磨好，程序编制时过渡得当，完全不需要避开此处。在程序编制时使用机器人和变位机联动控制，对此处角焊缝连续焊接，不管从焊缝外观还是焊脚尺寸，均满足要求。（见图4）
图4 腹板对接焊缝处连续焊接
经过此对策的实施，焊缝程序由改进前的39个降低到目前的23个，清枪程序由改进前的43次，降低到目前的24次，传感次数由改进前的39个降低到目前的23个，节省时间约20分钟。
3、 优化程序数据库功能，合理修改参数，减少起弧不良、烧穿等异常状况的发生。
1）起弧不良
合理使用数据库中起弧点平移功能，将起不了弧的次数降到最低。
功能介绍：
起弧点平移
如上图所示，在多层多道焊中，由于上道焊缝焊后有氧化皮，在正常起弧点处直接起弧的话往往无法起弧。
如上图所示，在数据库中设置起弧点空间上的平移，选择在无氧化皮处起弧（如板材坡口内侧），起弧后快速移动到正常起弧点，然后在正常起弧点开始进行焊接。
如上图所示，通过设置电弧重起次数等参数来保证设置了起弧点平移后即使某一次起不了弧，尝试多次电弧重启来避免焊接中止。
通过这种方法，极大了降低了焊接过程中起不了弧的情况，节省处理异常时间约10分钟。
2）烧穿
a、参数更改
通过多次尝试，统计出合适电流、电压，带垫板对接焊缝打底电流与开坡口角焊缝打底电流330A，电压95%（一元），铸造台阶型对接焊缝打底电流360A，电压96%（一元），并对经常出现焊穿现象的焊缝所用数据库进行更改。
b、焊前打底
焊前检查动臂角焊缝拼搭间隙，若大于1mm，则进行手工打底（打底厚度小于4mm），防止在机器人焊接时焊穿。并且要求在上机器人前处理好，不占用机器人工序时间。
经过这两个对策的实施，目前机器人在焊接过程中烧穿的现象出现的次数大大降低，节省时间约15分钟。
4、修改参数，通过加大焊接电流，降低焊接速度等措施，减少后腹板角焊缝以及后腹板与后支座对接焊缝层数。
改进前，后支座对接焊缝焊5层，数据库如图所示：
数据库号320：
第一层 电流330A,电压94% 第二层 电流400A,电压95%
第三层 电流400A,电压95% 第四层 电流400A,电压95%
第五层 电流310A,电压95%
改进后，后支座对接焊缝焊4层，数据库如图所示：
数据库号402：
第一层 电流350A,电压95% 第二层 电流400A,电压97%
第三层 电流420A，电压95%第四层 电流320A，电压95%
经过对后支座对接焊缝及后腹板角焊缝的参数优化，焊接时间节省约10分钟。
更改焊接参数后，做相应工艺试验对焊接参数进行验证，验证结果合格（具体结果见设备验证中机械性能试验报告）。
四、设备工艺验证
针对焊接参数、焊接顺序等焊接工艺的更改，开展工艺试验对设备工艺进行验证，设备工艺验证内容主要包括：角焊缝熔深试验，焊缝机械性能试验，焊缝尺寸及外观检测。
1、 角焊缝熔深试验：
使用实际焊接参数进行试板（与实际焊接部件的板厚、材料一致）的焊接，抛弃两端30mm的起弧、收弧以及明显焊接缺陷部位。机加焊缝剖面处，使用稀硝酸腐蚀后测量焊缝熔深。根据实际情况，试板可分为开坡口和无坡口等情况分别进行试验。（见图5）
图5 焊缝熔深试验
2、 焊缝机械性能试验
参照GB 2651-89《焊接接头拉伸试验方法》及GB 2653-89《焊接接头弯曲及压扁试验方法》进行对接焊缝的拉伸以及冷弯试验。一般每台设备需进行至少2套试板的焊接，每样试验至少取3件试件。
图6 对接焊缝拉伸试验
图7 对接焊缝接头拉伸试验
3、 焊缝尺寸及外观检测
对调整后的程序焊接质量进行对接焊缝探伤以及焊缝尺寸、外观的检查，检查数量一般大于5台。（见图8）
图8 焊缝尺寸及外观检查
以上工艺试验以及检验完成后，基本可判定新工艺有效，改进方案可以批量实施。
五、经济效益
1、改进前后对比见表1：表1 改进前后对比数据
 2、 其他结构件改进效果：
1）CLG205C斗杆，改进前用时155分钟，改进后用时130分钟。
2）CLG915C斗杆，改进前用时125分钟，改进后用时100分钟。
3、经济效益
1）工时成本节省
按每年2000台计算，产生效益=节省时间（分）×人工费率（元/人•分钟）×年产量=（303+155+125-240-130-100）×0.215×2000台/年=48590元/年
2）新增产值
项目实施前动臂每班产8台（以205C为例），斗杆每班10台，无法满足生产需要。焊接机器人正常投入使用后，每班可产出动臂12台(以205C为例）,斗杆13-14台，新增产值约2000万元。
六、推广价值
目前，工程机械行业运用焊接机器人进行结构件的焊接，可参考本文进行焊接效率以及焊接质量的提升。
七、结论
本文仅主要对焊接程序等对焊接效率影响较大的几个因素进行分析和优化，并通过试验确定焊接参数等涉及焊接工艺变化的措施的可行性，其他类似的情况除进行以上分析外，也可对装夹等辅助过程进行分析、改进。
（该项目成果获2009年度广西重工业先进工艺工装成果一等奖）(end)
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(12/21/2012) |
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