文|大小碗
編輯|大小碗
前 言
近半個世紀以來，現代農業、製造業、零售業等行業隨著新材料、先進位造、信息技術、人工智慧、虛擬模擬等技術的發展發生了翻天巨變。
對比這幾大領域，建築業智能建造水平已經遠遠落後。應用鋼結構智能焊接機器人，進行生產、加工過程工藝梳理與試驗研究。
通過實體工程的試驗研究和示範作用，驗證加工方法與技術的可行性、有效性，形成共性關鍵技術，為後續產業化推廣奠定基礎，帶動整個機器人產業鏈的對外輻射和應用突破。
研究內容
機器人焊接採用CO2氣體保護焊形式，影響焊縫質量因素有很多，根據機器人焊接相關原理和參數。
主要選擇焊接電流、電弧電壓、焊槍移動速度、焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角共5項影響因素來進行試驗研究，探討各因素對機器人焊接質量的影響。
以上機器人焊接工藝影響因素可分為2個方面：一是焊接主要參數設置，包含焊接電流、電弧電壓、焊槍移動速度3個因素。
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個因素。通過對焊接質量影響因素的研究。總結分析焊接工藝中常見的各種質量問題，然後採取相應的管控措施，保證焊接質量符合工程建設實際要求。
研究範圍
為了研究機器人焊接適用範圍，根據工程實際與項目施工進度，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8種不同厚度的板材的鋼結構箱型柱和H型鋼樑。
試驗準備
試驗對場地空間大小有一定要求，綜合考慮機器人的高度、機器人運行軌道長度、鋼材堆放用地、鋼材搬運調度所需空間等因素。
為確保試驗能順利進行，在加工廠房，簡單地進行場地平整、鋪設電纜、配置電箱等改造。
試驗採用SR10C智能焊接機器人及其配套設備，配合隨車吊與橋式起重機進行安裝，具體試驗相關設備見表2。
焊接試驗主要選用8種不同厚度的Q335B型號鋼材，同時準備保護氣、焊絲等相關輔材，具體試驗材料見表3。
試驗過程
試驗利用控制變數法進行，將焊接電流、電弧電壓、焊槍移動速度、焊槍到板材的距離、焊槍與焊縫的夾角5個變數進行單一變數控制，設定試驗組和對照，開展焊接試驗研究。
焊槍距板材的距離，查閱機器人焊接操作說明，參考手工焊經驗，同時經過試焊，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為2~3mm。
至於焊槍與焊縫的夾角設定，經查閱操作說明，同時諮詢有經驗的焊工，得知焊槍與焊縫間x方向夾角在30°~45°為宜，使焊槍在作業時沿軸呈推動焊接的效果。
以6mm板材為例開展焊接試驗，首先初步設定焊槍與板材底邊、側邊的距離分別為3mm，3mm，焊槍與焊縫在3個軸向的夾角為45°，45°，45°，焊槍移動速度為8mm/s。
通過查詢技術標準，根據電壓選定公式(U=0.04I+16±2)，選預設電流280A不變，在23~28V區間內分別調整多個電壓值進行試驗。
再固定電壓不變，在260~300A區間改變電流，以此來分析電弧電壓、焊接電流對焊縫的影響，同時分析6mm板材合適的電弧電壓和焊接電流。
在確定較優焊接電流和電弧電壓的情況後，分別對焊槍移動速度、焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角這3項因素進行單一變數控制試驗。具體變數控制設定方式見表4。
機器人焊接作業流程
保證電路接通狀態，啟動機器人並設定相關參數，做好相關保護工作；調試焊絲及保護氣，焊絲伸出長20mm左右，確保保護氣正常排放;新建焊接作業指令並添加控制點。
在非焊接狀態下試運行，確保整個焊接過程正常運作；啟動焊接指令，運行自動焊作業；作業後第一時間關閉焊接指令。
在焊槍口塗防護蠟，最後檢查焊接效果並測量記錄相關數據。機器人作業操控流程如圖1所示。
試驗數據
通過試驗，檢查焊接外觀質量，測量焊縫指標，從而找出各類因素對焊接質量的影響關係。根據既定試驗組，分別對應開展試驗，最終數據測定見表5。
試驗效果
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後，隨著電弧電壓的增大，焊縫質量呈下降趨勢，如圖2所示。
同樣的，在電弧電壓不變的情況下，焊接電流也有一個最優取值，使得焊縫質量最佳。當實際焊接電流偏離這個值後，無論焊接電流變大或變小，焊縫質量均下降，如圖3所示。
從試驗焊接效果看出，焊槍移動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，同時還有熔透的風險，如圖4所示。
此後，課題組又分別對8，10，12，14，16，18，20mm不同厚度板材進行焊接試驗，累計焊接試驗200餘組，試驗數據不詳盡列舉。
通過大量試驗，確認5項因素對機器人焊接質量的影響規律。另外，課題組邀請有經驗的焊工進行手工焊，與機器人智能焊進行了效果比對，如圖5所示。
試驗結果分析
焊槍距板材距離
經過試驗對比可以得出，焊槍距板材的距離在2~5mm區間內對焊接質量影響很小，為次要因素，可以忽略。
同時，因為焊絲熔化後受到重力影響有向下流動的趨勢，為抵消這一因素，焊槍距板材底邊的距離可稍大於焊槍距板材側邊的距離。因此一般情況下，設定焊槍到側邊與底邊的距離分別為2mm和3mm。
圖6為焊槍距離板材過遠時出現的漏弧、焊縫空洞等質量問題。
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，過大或過小易發生撞槍故障，在可控區間內作業對焊接效果影響較小，為次要因素，可以忽略。
通過焊接試驗得出，焊槍作業時沿軸向推動狀態可使焊接效果達到最佳，故將角度稍作減小，控制在30°~45°為宜，通常可設定為30°，推進效果明顯；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。
焊槍移動速度
試驗結果表明，焊槍移動速度的改變對焊縫質量存在明顯的影響，為主要因素。6mm板材焊接過程中，焊槍移動速度設定為8mm/s時的焊接效果較佳，焊縫滿足規範要求。
在其他試驗參數固定的情況下，為滿足焊接質量要求，焊槍移動速度與板材厚度需呈反比關係。
當板材厚度逐步提高，焊槍移動速度需逐漸降低，才可使焊縫尺寸達到規範要求。焊槍移動速度過快，會出現焊縫不成形的現象，如圖7所示。
實體工程中，需根據實際焊接情況，在綜合考慮焊接電流、電弧電壓、板材厚度等因素的情況下，來設定最優的焊槍移動速度。
焊接電流
試驗數據表明，焊接電流的改變對焊縫質量存在明顯的影響，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。
但當焊接電流過大時，焊縫質量會明顯下滑，甚至產生板材熔透的現象，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。
在合理範圍內，當其他影響因素不變時，焊接電流設定和板材厚度之間存在正向的線性關係。
電弧電壓是影響焊絲的熔化速度、焊縫熔深等主要質量參數，同時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，當熔化速度超過送絲速度很多時，會導致焊絲和出絲口熔化，連接在一起，造成設備損壞。
當電弧電壓過小時，則會出現焊渣飛濺的情況，如圖8所示。
試驗數據表明，在合理範圍內，當其他影響因素不變時，電弧電壓設定與板材厚度之間存在正向的線性關係。
試驗結論
在焊接參數設置方面，焊接電流、電弧電壓、焊槍移動速度均為影響焊接質量主要因素，對於這些主要因素的參數選擇是比較困難的。
需要用大量的試驗確定各參數比較合理的取值範圍，然後再用單一變數法對某一因素進行細微變動，以此確定該因素對焊縫質量的影響，並得出該因素對焊縫質量影響較優的參數值。
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範圍內，對焊接實際質量影響可忽略不計，控制好距離與角度兩項因素，可提高焊縫質量，達到整體均勻、光滑的美觀效果。
從列舉的6mm板材焊接試驗數據及焊縫尺寸與外觀較優試驗結果可以看出，其5項影響因素參考設置如下：
焊接電流、電弧電壓匹配值為280A，26V，焊槍移動速度為8mm/s，焊槍距板材側邊和底邊的距離分別為2mm，3mm，焊槍與3軸方向夾角分別設置為30°，45°，45°。
另外，通過大量試驗得出不同板材厚度下影響焊接質量的5項因素，最優試驗參數見表6。
對於影響焊接質量的相關因素，除焊槍距板材的距離、焊槍與焊縫的夾角2項次要影響因素，焊接電流、電弧電壓、焊槍移動速度3項主要因素在實際焊接過程中並非孤立存在。
特別是電弧電壓與焊接電流，在機器人運行作業狀態下，實際的電弧電壓和焊接電流與設定參數還有一定偏差。
當焊材厚度增加，不能通過單一因素來控制，需要綜合3項主要因素，同時達到最佳的焊接契合度，才能使焊縫質量達到最優。
另外，機器人焊接質量也會受到板材本身平整度、光潔質量、拼縫縫隙等多種其他外在因素的綜合影響。
作者觀點
機器人智能焊與手工焊相比，穩定性極高，對大量重複性焊接工作不會產生疲勞效應，機器人焊接的效率平穩，適用長時間焊接工作。
同時手工焊對焊工水平要求極高，對應的人工薪資較高，而機器人焊接只需培訓操作技巧，一人可同時操控多台設備，可大幅節約人工成本。
另外，在焊接作業過程中，產生的光電、粉塵、雜訊等對焊工的身體危害極大，而操作機器人進行智能焊可以有效避免職業病發生。
機器人智能焊可通過大量試驗及經驗積累不斷優化，進而提高焊接質量，是一個逐步向好的過程，未來將會日漸成熟，替代傳統作業方式，推動建築裝配行業發展。
參考文獻
1、龔政．鋼結構焊接質量控制及檢驗探究[J]．商品與質量，2019(43):186－187．
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