文|大小碗
编辑|大小碗
前 言
近半个世纪以来，现代农业、制造业、零售业等行业随着新材料、先进制造、信息技术、人工智能、虚拟仿真等技术的发展发生了翻天巨变。
对比这几大领域，建筑业智能建造水平已经远远落后。应用钢结构智能焊接机器人，进行生产、加工过程工艺梳理与试验研究。
通过实体工程的试验研究和示范作用，验证加工方法与技术的可行性、有效性，形成共性关键技术，为后续产业化推广奠定基础，带动整个机器人产业链的对外辐射和应用突破。
研究内容
机器人焊接采用CO2气体保护焊形式，影响焊缝质量因素有很多，根据机器人焊接相关原理和参数。
主要选择焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度、焊枪距板材的距离、焊枪与焊缝的夹角共5项影响因素来进行试验研究，探讨各因素对机器人焊接质量的影响。
以上机器人焊接工艺影响因素可分为2个方面：一是焊接主要参数设置，包含焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度3个因素。
二是焊接技巧控制，包含焊枪距板材的距离、焊枪与焊缝的夹角2个因素。通过对焊接质量影响因素的研究。总结分析焊接工艺中常见的各种质量问题，然后采取相应的管控措施，保证焊接质量符合工程建设实际要求。
研究范围
为了研究机器人焊接适用范围，根据工程实际与项目施工进度，考虑到试材的通用性，有代表性地选取了6，8，10，12，14，16，18，20mm共计8种不同厚度的板材的钢结构箱型柱和H型钢梁。
试验准备
试验对场地空间大小有一定要求，综合考虑机器人的高度、机器人运行轨道长度、钢材堆放用地、钢材搬运调度所需空间等因素。
为确保试验能顺利进行，在加工厂房，简单地进行场地平整、铺设电缆、配置电箱等改造。
试验采用SR10C智能焊接机器人及其配套设备，配合随车吊与桥式起重机进行安装，具体试验相关设备见表2。
焊接试验主要选用8种不同厚度的Q335B型号钢材，同时准备保护气、焊丝等相关辅材，具体试验材料见表3。
试验过程
试验利用控制变量法进行，将焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度、焊枪到板材的距离、焊枪与焊缝的夹角5个变量进行单一变量控制，设定试验组和对照，开展焊接试验研究。
焊枪距板材的距离，查阅机器人焊接操作说明，参考手工焊经验，同时经过试焊，得知焊枪距板材距离以2~5mm为最佳，具体到不同的板材，距离也不相同，比如6mm的薄板，焊枪距板材的距离一般应为2~3mm。
至于焊枪与焊缝的夹角设定，经查阅操作说明，同时咨询有经验的焊工，得知焊枪与焊缝间x方向夹角在30°~45°为宜，使焊枪在作业时沿轴呈推动焊接的效果。
以6mm板材为例开展焊接试验，首先初步设定焊枪与板材底边、侧边的距离分别为3mm，3mm，焊枪与焊缝在3个轴向的夹角为45°，45°，45°，焊枪移动速度为8mm/s。
通过查询技术标准，根据电压选定公式(U=0.04I+16±2)，选预设电流280A不变，在23~28V区间内分别调整多个电压值进行试验。
再固定电压不变，在260~300A区间改变电流，以此来分析电弧电压、焊接电流对焊缝的影响，同时分析6mm板材合适的电弧电压和焊接电流。
在确定较优焊接电流和电弧电压的情况后，分别对焊枪移动速度、焊枪距板材的距离、焊枪与焊缝的夹角这3项因素进行单一变量控制试验。具体变量控制设定方式见表4。
机器人焊接作业流程
保证电路接通状态，启动机器人并设定相关参数，做好相关保护工作；调试焊丝及保护气，焊丝伸出长20mm左右，确保保护气正常排放;新建焊接作业指令并添加控制点。
在非焊接状态下试运行，确保整个焊接过程正常运作；启动焊接指令，运行自动焊作业；作业后第一时间关闭焊接指令。
在焊枪口涂防护蜡，最后检查焊接效果并测量记录相关数据。机器人作业操控流程如图1所示。
试验数据
通过试验，检查焊接外观质量，测量焊缝指标，从而找出各类因素对焊接质量的影响关系。根据既定试验组，分别对应开展试验，最终数据测定见表5。
试验效果
从表5可以得出，在焊接电流固定的情况下，随着电弧电压的增大，焊缝厚度和焊脚尺寸也随着加大，但电弧电压超过一定值后，随着电弧电压的增大，焊缝质量呈下降趋势，如图2所示。
同样的，在电弧电压不变的情况下，焊接电流也有一个最优取值，使得焊缝质量最佳。当实际焊接电流偏离这个值后，无论焊接电流变大或变小，焊缝质量均下降，如图3所示。
从试验焊接效果看出，焊枪移动速度会直接影响到焊缝的厚度和焊脚宽度。在其他因素固定情况下，焊枪移动速度提高，焊缝厚度和焊脚宽度会减小;反之速度过慢，则焊缝较大较深，同时还有熔透的风险，如图4所示。
此后，课题组又分别对8，10，12，14，16，18，20mm不同厚度板材进行焊接试验，累计焊接试验200余组，试验数据不详尽列举。
通过大量试验，确认5项因素对机器人焊接质量的影响规律。另外，课题组邀请有经验的焊工进行手工焊，与机器人智能焊进行了效果比对，如图5所示。
试验结果分析
焊枪距板材距离
经过试验对比可以得出，焊枪距板材的距离在2~5mm区间内对焊接质量影响很小，为次要因素，可以忽略。
同时，因为焊丝熔化后受到重力影响有向下流动的趋势，为抵消这一因素，焊枪距板材底边的距离可稍大于焊枪距板材侧边的距离。因此一般情况下，设定焊枪到侧边与底边的距离分别为2mm和3mm。
图6为焊枪距离板材过远时出现的漏弧、焊缝空洞等质量问题。
焊枪与焊缝的夹角
一般来讲，焊枪枪头指向与各轴向的角度呈40°~50°为宜，过大或过小易发生撞枪故障，在可控区间内作业对焊接效果影响较小，为次要因素，可以忽略。
通过焊接试验得出，焊枪作业时沿轴向推动状态可使焊接效果达到最佳，故将角度稍作减小，控制在30°~45°为宜，通常可设定为30°，推进效果明显；而焊枪与水平和竖直方向的角度则以45°±5°为宜，通常选定45°为佳。
焊枪移动速度
试验结果表明，焊枪移动速度的改变对焊缝质量存在明显的影响，为主要因素。6mm板材焊接过程中，焊枪移动速度设定为8mm/s时的焊接效果较佳，焊缝满足规范要求。
在其他试验参数固定的情况下，为满足焊接质量要求，焊枪移动速度与板材厚度需呈反比关系。
当板材厚度逐步提高，焊枪移动速度需逐渐降低，才可使焊缝尺寸达到规范要求。焊枪移动速度过快，会出现焊缝不成形的现象，如图7所示。
实体工程中，需根据实际焊接情况，在综合考虑焊接电流、电弧电压、板材厚度等因素的情况下，来设定最优的焊枪移动速度。
焊接电流
试验数据表明，焊接电流的改变对焊缝质量存在明显的影响，为主要因素。焊接电流对焊缝的形状尺寸有较大影响，焊缝尺寸随着焊接电流的增大而变大。
但当焊接电流过大时，焊缝质量会明显下滑，甚至产生板材熔透的现象，因此焊接电流的选定要适度，需考虑板材厚度和电弧电压等影响因素。
在合理范围内，当其他影响因素不变时，焊接电流设定和板材厚度之间存在正向的线性关系。
电弧电压是影响焊丝的熔化速度、焊缝熔深等主要质量参数，同时电弧电压还要与焊接电流相匹配。
若电弧电压过大，焊丝熔化速度超过送丝速度，焊缝易形成大熔球，当熔化速度超过送丝速度很多时，会导致焊丝和出丝口熔化，连接在一起，造成设备损坏。
当电弧电压过小时，则会出现焊渣飞溅的情况，如图8所示。
试验数据表明，在合理范围内，当其他影响因素不变时，电弧电压设定与板材厚度之间存在正向的线性关系。
试验结论
在焊接参数设置方面，焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度均为影响焊接质量主要因素，对于这些主要因素的参数选择是比较困难的。
需要用大量的试验确定各参数比较合理的取值范围，然后再用单一变量法对某一因素进行细微变动，以此确定该因素对焊缝质量的影响，并得出该因素对焊缝质量影响较优的参数值。
而在焊接技巧控制方面，焊枪距板材的距离、焊枪与焊缝的夹角在合理的控制范围内，对焊接实际质量影响可忽略不计，控制好距离与角度两项因素，可提高焊缝质量，达到整体均匀、光滑的美观效果。
从列举的6mm板材焊接试验数据及焊缝尺寸与外观较优试验结果可以看出，其5项影响因素参考设置如下：
焊接电流、电弧电压匹配值为280A，26V，焊枪移动速度为8mm/s，焊枪距板材侧边和底边的距离分别为2mm，3mm，焊枪与3轴方向夹角分别设置为30°，45°，45°。
另外，通过大量试验得出不同板材厚度下影响焊接质量的5项因素，最优试验参数见表6。
对于影响焊接质量的相关因素，除焊枪距板材的距离、焊枪与焊缝的夹角2项次要影响因素，焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度3项主要因素在实际焊接过程中并非孤立存在。
特别是电弧电压与焊接电流，在机器人运行作业状态下，实际的电弧电压和焊接电流与设定参数还有一定偏差。
当焊材厚度增加，不能通过单一因素来控制，需要综合3项主要因素，同时达到最佳的焊接契合度，才能使焊缝质量达到最优。
另外，机器人焊接质量也会受到板材本身平整度、光洁质量、拼缝缝隙等多种其他外在因素的综合影响。
作者观点
机器人智能焊与手工焊相比，稳定性极高，对大量重复性焊接工作不会产生疲劳效应，机器人焊接的效率平稳，适用长时间焊接工作。
同时手工焊对焊工水平要求极高，对应的人工薪资较高，而机器人焊接只需培训操作技巧，一人可同时操控多台设备，可大幅节约人工成本。
另外，在焊接作业过程中，产生的光电、粉尘、噪声等对焊工的身体危害极大，而操作机器人进行智能焊可以有效避免职业病发生。
机器人智能焊可通过大量试验及经验积累不断优化，进而提高焊接质量，是一个逐步向好的过程，未来将会日渐成熟，替代传统作业方式，推动建筑装配行业发展。
参考文献
1、龚政．钢结构焊接质量控制及检验探究[J]．商品与质量，2019(43):186－187．
2、杨林丰，许广权．二氧化碳焊接机器人焊接特性试验研究[J]．焊接技术，2020，49(11):68－70．
