一、概述
2009年初，為提高挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，柳州柳工挖掘機(jī)有限公司結(jié)構(gòu)件廠新引進(jìn)3臺(tái)大型機(jī)焊接機(jī)器人（包括兩臺(tái)中型機(jī)動(dòng)臂焊接機(jī)器人，一臺(tái)中型機(jī)斗桿焊接機(jī)器人）。國(guó)內(nèi)同行業(yè)，引進(jìn)焊接機(jī)器人進(jìn)行挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接已是必然的趨勢(shì)。安裝、調(diào)試初期，焊接機(jī)器人程序再生時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。為有效提高機(jī)器人焊接效率，公司成立項(xiàng)目組，對(duì)焊接機(jī)器人程序進(jìn)行優(yōu)化，并驗(yàn)證其工藝可行性。
以C
LG205C動(dòng)臂為例：
1、 再生時(shí)間長(zhǎng)，程序運(yùn)行時(shí)間257分鐘（剔除中途暫時(shí)停止時(shí)間）。
2、 異常處理時(shí)間長(zhǎng)（起弧不良、燒穿），整個(gè)焊接機(jī)器人工位節(jié)拍時(shí)間達(dá)到303分鐘，不能滿足生產(chǎn)要求的240分鐘。
注：工位節(jié)拍時(shí)間包括焊接時(shí)間，裝夾時(shí)間，焊前處理，異常情況處理時(shí)間等。
3、 焊接腹板角焊縫時(shí)避開(kāi)中腹板對(duì)接焊縫兩端各150mm，后續(xù)收尾焊接工作量大。（見(jiàn)圖1）
圖1 動(dòng)臂腹板焊接時(shí)避開(kāi)對(duì)接焊縫
4、 可焊率較低，為70.73%（注：可焊率=可焊焊縫總長(zhǎng)/全部焊縫總長(zhǎng)）。
二、現(xiàn)狀調(diào)查、原因分析
經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組成員對(duì)機(jī)器人焊接過(guò)程的持續(xù)觀察、分析得出導(dǎo)致CLG205C動(dòng)臂焊接機(jī)器人產(chǎn)出時(shí)間長(zhǎng)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(shí)，對(duì)其要求：
1）對(duì)接焊縫先單側(cè)打底后再進(jìn)行另一側(cè)的焊接成形。
2）角焊縫分段對(duì)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(kāi)始焊接之前都要進(jìn)行傳感檢測(cè)，為了提高傳感精度，傳感檢測(cè)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(shí)約50分鐘。
3、 焊接過(guò)程中異常因素較多
焊接過(guò)程中出現(xiàn)因素時(shí)，需中斷焊接，對(duì)異常進(jìn)行處理后方可進(jìn)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(jìn)行多層多道焊接時(shí)，經(jīng)常有起弧不良的現(xiàn)象，操作者需手動(dòng)清除開(kāi)始點(diǎn)氧化皮后再重新啟動(dòng)。（見(jiàn)圖2）
圖2 起弧不良
2） 燒穿
焊接機(jī)器人使用φ1.6焊絲進(jìn)行焊接，焊接電流大，且個(gè)別角焊縫拼搭間隙大等原因，在進(jìn)行焊縫打底時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)燒穿的現(xiàn)象，操作者需對(duì)燒穿處進(jìn)行補(bǔ)焊后才能進(jìn)行下一步焊接，影響時(shí)間較長(zhǎng)，約15分鐘/臺(tái)。（見(jiàn)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(duì)接焊縫為5層，中支座圓周對(duì)接焊縫為4層，焊縫層數(shù)較多，焊接時(shí)間長(zhǎng)。
三、制定改進(jìn)措施并實(shí)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?yàn)椋?
單側(cè)后支座、前支座對(duì)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(jìn)前的13次減少到7次，節(jié)省時(shí)間約5分鐘。
2、 單側(cè)連續(xù)打底焊接，不避開(kāi)中腹板對(duì)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(dòng)臂采用腹板組件焊接的方式進(jìn)行生產(chǎn)，中腹板對(duì)接焊縫已修磨好，程序編制時(shí)過(guò)渡得當(dāng)，完全不需要避開(kāi)此處。在程序編制時(shí)使用機(jī)器人和變位機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，對(duì)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(jiàn)圖4）
圖4 腹板對(duì)接焊縫處連續(xù)焊接
經(jīng)過(guò)此對(duì)策的實(shí)施，焊縫程序由改進(jìn)前的39個(gè)降低到目前的23個(gè)，清槍程序由改進(jìn)前的43次，降低到目前的24次，傳感次數(shù)由改進(jìn)前的39個(gè)降低到目前的23個(gè)，節(jié)省時(shí)間約20分鐘。
3、 優(yōu)化程序數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中起弧點(diǎn)平移功能，將起不了弧的次數(shù)降到最低。
功能介紹：
起弧點(diǎn)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(diǎn)處直接起弧的話往往無(wú)法起弧。
如上圖所示，在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置起弧點(diǎn)空間上的平移，選擇在無(wú)氧化皮處起弧（如板材坡口內(nèi)側(cè)），起弧后快速移動(dòng)到正常起弧點(diǎn)，然后在正常起弧點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行焊接。
如上圖所示，通過(guò)設(shè)置電弧重起次數(shù)等參數(shù)來(lái)保證設(shè)置了起弧點(diǎn)平移后即使某一次起不了弧，嘗試多次電弧重啟來(lái)避免焊接中止。
通過(guò)這種方法，極大了降低了焊接過(guò)程中起不了弧的情況，節(jié)省處理異常時(shí)間約10分鐘。
2）燒穿
a、參數(shù)更改
通過(guò)多次嘗試，統(tǒng)計(jì)出合適電流、電壓，帶墊板對(duì)接焊縫打底電流與開(kāi)坡口角焊縫打底電流330A，電壓95%（一元），鑄造臺(tái)階型對(duì)接焊縫打底電流360A，電壓96%（一元），并對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象的焊縫所用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更改。
b、焊前打底
焊前檢查動(dòng)臂角焊縫拼搭間隙，若大于1mm，則進(jìn)行手工打底（打底厚度小于4mm），防止在機(jī)器人焊接時(shí)焊穿。并且要求在上機(jī)器人前處理好，不占用機(jī)器人工序時(shí)間。
經(jīng)過(guò)這兩個(gè)對(duì)策的實(shí)施，目前機(jī)器人在焊接過(guò)程中燒穿的現(xiàn)象出現(xiàn)的次數(shù)大大降低，節(jié)省時(shí)間約15分鐘。
4、修改參數(shù)，通過(guò)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(duì)接焊縫層數(shù)。
改進(jìn)前，后支座對(duì)接焊縫焊5層，數(shù)據(jù)庫(kù)如圖所示：
數(shù)據(jù)庫(kù)號(hào)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(jìn)后，后支座對(duì)接焊縫焊4層，數(shù)據(jù)庫(kù)如圖所示：
數(shù)據(jù)庫(kù)號(hào)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(guò)對(duì)后支座對(duì)接焊縫及后腹板角焊縫的參數(shù)優(yōu)化，焊接時(shí)間節(jié)省約10分鐘。
更改焊接參數(shù)后，做相應(yīng)工藝試驗(yàn)對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果合格（具體結(jié)果見(jiàn)設(shè)備驗(yàn)證中機(jī)械性能試驗(yàn)報(bào)告）。
四、設(shè)備工藝驗(yàn)證
針對(duì)焊接參數(shù)、焊接順序等焊接工藝的更改，開(kāi)展工藝試驗(yàn)對(duì)設(shè)備工藝進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)備工藝驗(yàn)證內(nèi)容主要包括：角焊縫熔深試驗(yàn)，焊縫機(jī)械性能試驗(yàn)，焊縫尺寸及外觀檢測(cè)。
1、 角焊縫熔深試驗(yàn)：
使用實(shí)際焊接參數(shù)進(jìn)行試板（與實(shí)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(jī)加焊縫剖面處，使用稀硝酸腐蝕后測(cè)量焊縫熔深。根據(jù)實(shí)際情況，試板可分為開(kāi)坡口和無(wú)坡口等情況分別進(jìn)行試驗(yàn)。（見(jiàn)圖5）
圖5 焊縫熔深試驗(yàn)
2、 焊縫機(jī)械性能試驗(yàn)
參照GB 2651-89《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》及GB 2653-89《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》進(jìn)行對(duì)接焊縫的拉伸以及冷彎試驗(yàn)。一般每臺(tái)設(shè)備需進(jìn)行至少2套試板的焊接，每樣試驗(yàn)至少取3件試件。
圖6 對(duì)接焊縫拉伸試驗(yàn)
圖7 對(duì)接焊縫接頭拉伸試驗(yàn)
3、 焊縫尺寸及外觀檢測(cè)
對(duì)調(diào)整后的程序焊接質(zhì)量進(jìn)行對(duì)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(tái)。（見(jiàn)圖8）
圖8 焊縫尺寸及外觀檢查
以上工藝試驗(yàn)以及檢驗(yàn)完成后，基本可判定新工藝有效，改進(jìn)方案可以批量實(shí)施。
五、經(jīng)濟(jì)效益
1、改進(jìn)前后對(duì)比見(jiàn)表1：
表1 改進(jìn)前后對(duì)比數(shù)據(jù)
2、 其他結(jié)構(gòu)件改進(jìn)效果：
1）CLG205C斗桿，改進(jìn)前用時(shí)155分鐘，改進(jìn)后用時(shí)130分鐘。
2）CLG915C斗桿，改進(jìn)前用時(shí)125分鐘，改進(jìn)后用時(shí)100分鐘。
3、經(jīng)濟(jì)效益
1）工時(shí)成本節(jié)省
按每年2000臺(tái)計(jì)算，產(chǎn)生效益=節(jié)省時(shí)間（分）×人工費(fèi)率（元/人?分鐘）×年產(chǎn)量=（303+155+125-240-130-100）×0.215×2000臺(tái)/年=48590元/年
2）新增產(chǎn)值
項(xiàng)目實(shí)施前動(dòng)臂每班產(chǎn)8臺(tái)（以205C為例），斗桿每班10臺(tái)，無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。焊接機(jī)器人正常投入使用后，每班可產(chǎn)出動(dòng)臂12臺(tái)(以205C為例）,斗桿13-14臺(tái)，新增產(chǎn)值約2000萬(wàn)元。
六、推廣價(jià)值
目前，工程機(jī)械行業(yè)運(yùn)用焊接機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的焊接，可參考本文進(jìn)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(duì)焊接程序等對(duì)焊接效率影響較大的幾個(gè)因素進(jìn)行分析和優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)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(jìn)行以上分析外，也可對(duì)裝夾等輔助過(guò)程進(jìn)行分析、改進(jìn)。
（該項(xiàng)目成果獲2009年度廣西重工業(yè)先進(jìn)工藝工裝成果一等獎(jiǎng)）
