焊接机器人在侧架支撑座焊接中的应用分析

吴传利，郝君，李强，朱相磊

（泰安航天特种车有限公司，山东泰安271000）

1 引言

转向架由多个重要部件组成，其中包括交叉杆装置，它的存在促进了抗菱刚度的增强，而支撑座又是组成交叉杆的受力点，一般情况下通过焊接连接支撑座与侧架，在车辆正常运行下，焊缝需要承受的动载荷较大，因此，这就对焊接的质量提出了更高的要求。实行机器人焊接，如果不按照要求应用焊接机器人，焊接过程中将会出现偏焊、气孔、咬边等现象，应结合焊接机器人的特点，对焊接程序进行合理编制，以确保焊接质量。

2 IGM 焊接机器人系统及焊接特点

2.1 焊接机器人系统

主要由焊接设备、控制系统、外部轴、机器人本体和轨道轴组成焊接机器人，如图1 所示。

轨道轴主要包括Z、Y、X轴，它的作用是让机器人顺着Z、Y、X做直线运动；机器人本体是六轴联动的机器人，且具有柔性，不仅能实现六轴联动的直线运动，也可以做单轴运动，同时，焊枪还能顺着圆点在空间位置内做任意转动[1]。在各种运动方式的应用下，机器人逐步实现对焊枪姿态的调整以及对焊接动作的完成；垂向旋转与水平旋转是外部轴的运动方式，外部轴的作用是与机器人运动相配以及调整工件位置；计算机组合形成了控制系统，该系统与人的大脑有异曲同工之处，主要通过发出指令，达到操控机器人的目的，让机器人自动调整参数、完成各项任务。产品的焊接质量在很大程度上取决于焊接电源是否完好，特别是对机器人的焊接，IGM 公司大多采用Fronius TPS 系列焊接机作为焊接电源进行机器人焊接，该系列焊接为逆变电源，具有智能化、数字化的特点。

图1 IGM 焊接机器人示意

2.2 焊接特点

焊接特点主要包括：

1）焊接质量稳定。在对不规则或长焊缝进行焊接时，利用手工焊焊接很难连续不断弧，如果焊枪不断抖动，最后也很难成形，这种方式较容易被环境和人为因素所影响。而利用机器人进行焊接，则不容易受到外界因素的影响，在对批量产品实施焊接时，因运动姿态与参数具有一致性，这也就确保了机器人焊接质量的稳定。

2）焊接位置最佳。利用机器人实施焊接时，机器人外部轴和本体进行联动，以此将工件安放在方便后期操作的位置上，在工件位置和焊枪角度相互配合下，呈现出最佳状态。

3）焊接效率高。利用机器人进行焊接效率较高。焊接工作能够持续不断的开展，这样不仅能避免消耗更多的工时，且能够输出较大热量，加快焊接速度，缩短焊接时间；因最后成形的焊缝较好，也极大地减少了焊后清理工作[2]。

3 K6 侧架支撑座焊接结构

在左支撑座、保持环、右支撑座以及侧架等部件的组合下，最终形成了K6 侧架。Q235 锻造件作为支撑座，B+钢铸造件作为侧架。左右2 种支撑座组合安装在侧架的安装面上，由此和侧架形成了4 条焊缝。该焊缝为T 型，由一圆弧段和两直线段组成，从图2 可以看到，焊缝位置不处在同一平面上[3]。

图2 K6 侧架组成示意

4 K6 侧架支撑座焊接程序编制

4.1 焊接质量要求

焊缝的缝脚约8mm，焊接质量与GB 47014—2011《焊接规程》要求相符，完成焊接24h 后，再将磁粉悬浮在载液中进行磁粉探伤[4]。

4.2 焊接程序编制分析

将侧架垂直向上进行摆放，这种方式下焊缝位置将不处在同一平面上，焊接过程中容易出现上坡焊或下坡焊的情况，进而造成焊缝难以成形、溶合不良、溶深浅等现象。如果将侧架按水平方向进行摆放，焊缝位置将处在同一平面上，平角焊由此形成，但焊接过程中也容易出现焊缝凸起、咬边、偏焊等现象[5]。而借助外部轴和机器人所具备的联动功能，采用工件的坐标系，将支撑座与侧架的焊缝转动到船型位置，然后进行焊接，这样呈现出的焊接接头是平滑美观的。

组装好支撑座的K6 侧架后，因装配误差和工件误差的产生，可能会导致焊缝的实际位置与示教的编程步点出现一定偏差，这样在实施焊接时，焊缝就很难按照当初的轨迹完成焊接。通过IGM 机器人所具备的电弧传感以及喷嘴传感功能，可以对焊接位置可以实现过程跟踪和精确定位。

两支撑座与K6 侧架组合而成后，4 条T 型的焊缝也由此形成，在焊接顺序编制过程中，在考虑焊接质量的同时，也要考虑到焊接效率。B+钢铸造件作为K6 侧架，Q235 锻造件作为支撑座，因母材的强度偏高，带有一定淬硬性，编程过程中，可以实施2 条焊缝、1 个支撑座的连续焊缝，这样有利于缓慢冷却、避免急热，从而降低淬硬性。

4.3 焊接程序步点设置

利用机器人进行焊接时，通过寻找组对起始位置进行明确。在编程过程中，要求必须输入工作步点、运动模式和焊接参数等。焊接时，焊缝的过程跟踪主要根据电弧摆动来实现的，以保障机器人与焊接方向保持一致。

4.4 机器人姿态控制

在焊接过程中，机器人本体主要维持着六轴联动的运动方式。机器人的各个关节都围绕着一定范围运动，运动期间为了防止机器人发生限位，编程过程中要加强对轴参变化的监控，以确保手臂姿态能够随意舒展，这也有利于焊枪在焊接期间进行角度变化。

焊接质量会受到多种因素的影响，包括焊接过程中焊枪的角度。除了要选择正确的焊接参数，也要保证焊枪角度的精确度。焊接K6 侧架时，工件与焊枪之间的夹角应维持在约45毅，焊丝与焊缝中心相对，以防止出现偏焊情况。另外，工件与焊枪之间的倾角应维持在80毅～90毅，一旦焊枪的倾斜度过大，熔化铁液就很容易被电弧吹力往焊缝前方推动，这种情况下焊接根部自然就很难熔合。

5 结语

综上所述，利用机器人对侧架支撑座实施焊接，焊接机器人所具备的效率高、质量稳定以及焊缝位置佳的优势得到了充分发挥，确保了侧架焊接质量的稳定，焊接接头平滑美观，探伤达到了100%的合格率，使转向架更加可靠。