一、概述
2009年初，為提高挖掘機結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量，降低員工勞動強度，柳州柳工挖掘機有限公司結(jié)構(gòu)件廠新引進(jìn)3臺大型機焊接機器人（包括兩臺中型機動臂焊接機器人，一臺中型機斗桿焊接機器人）。國內(nèi)同行業(yè)，引進(jìn)焊接機器人進(jìn)行挖掘機結(jié)構(gòu)件的焊接已是必然的趨勢。安裝、調(diào)試初期，焊接機器人程序再生時間長，無法滿足生產(chǎn)需要。為有效提高機器人焊接效率，公司成立項目組，對焊接機器人程序進(jìn)行優(yōu)化，并驗證其工藝可行性。
以C
LG205C動臂為例：
1、 再生時間長，程序運行時間257分鐘（剔除中途暫時停止時間）。
2、 異常處理時間長（起弧不良、燒穿），整個焊接機器人工位節(jié)拍時間達(dá)到303分鐘，不能滿足生產(chǎn)要求的240分鐘。
注：工位節(jié)拍時間包括焊接時間，裝夾時間，焊前處理，異常情況處理時間等。
3、 焊接腹板角焊縫時避開中腹板對接焊縫兩端各150mm，后續(xù)收尾焊接工作量大。（見圖1）
圖1 動臂腹板焊接時避開對接焊縫
4、 可焊率較低，為70.73%（注：可焊率=可焊焊縫總長/全部焊縫總長）。
二、現(xiàn)狀調(diào)查、原因分析
經(jīng)過項目組成員對機器人焊接過程的持續(xù)觀察、分析得出導(dǎo)致CLG205C動臂焊接機器人產(chǎn)出時間長的主要原因如下：
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，對其要求：
1）對接焊縫先單側(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，每段焊縫開始焊接之前都要進(jìn)行傳感檢測，為了提高傳感精度，傳感檢測前必須清槍，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，耗時約50分鐘。
3、 焊接過程中異常因素較多
焊接過程中出現(xiàn)因素時，需中斷焊接，對異常進(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，經(jīng)常有起弧不良的現(xiàn)象，操作者需手動清除開始點氧化皮后再重新啟動。（見圖2）
圖2 起弧不良
2） 燒穿
焊接機器人使用φ1.6焊絲進(jìn)行焊接，焊接電流大，且個別角焊縫拼搭間隙大等原因，在進(jìn)行焊縫打底時，經(jīng)常出現(xiàn)燒穿的現(xiàn)象，操作者需對燒穿處進(jìn)行補焊后才能進(jìn)行下一步焊接，影響時間較長，約15分鐘/臺。（見圖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，后腹板與后支座對接焊縫為5層，中支座圓周對接焊縫為4層，焊縫層數(shù)較多，焊接時間長。
三、制定改進(jìn)措施并實施
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，修改焊縫焊接順序為：
單側(cè)后支座、前支座對接焊縫一次成形，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)省時間約5分鐘。
2、 單側(cè)連續(xù)打底焊接，不避開中腹板對接焊縫，減少程序數(shù)量，從而減少傳感及清槍次數(shù)。
由于205C動臂采用腹板組件焊接的方式進(jìn)行生產(chǎn)，中腹板對接焊縫已修磨好，程序編制時過渡得當(dāng)，完全不需要避開此處。在程序編制時使用機器人和變位機聯(lián)動控制，對此處角焊縫連續(xù)焊接，不管從焊縫外觀還是焊腳尺寸，均滿足要求。（見圖4）
圖4 腹板對接焊縫處連續(xù)焊接
經(jīng)過此對策的實施，焊縫程序由改進(jìn)前的39個降低到目前的23個，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個降低到目前的23個，節(jié)省時間約20分鐘。
3、 優(yōu)化程序數(shù)據(jù)庫功能，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)庫中起弧點平移功能，將起不了弧的次數(shù)降到最低。
功能介紹：
起弧點平移
如上圖所示，在多層多道焊中，由于上道焊縫焊后有氧化皮，在正常起弧點處直接起弧的話往往無法起弧。
如上圖所示，在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置起弧點空間上的平移，選擇在無氧化皮處起弧（如板材坡口內(nèi)側(cè)），起弧后快速移動到正常起弧點，然后在正常起弧點開始進(jìn)行焊接。
如上圖所示，通過設(shè)置電弧重起次數(shù)等參數(shù)來保證設(shè)置了起弧點平移后即使某一次起不了弧，嘗試多次電弧重啟來避免焊接中止。
通過這種方法，極大了降低了焊接過程中起不了弧的情況，節(jié)省處理異常時間約10分鐘。
2）燒穿
a、參數(shù)更改
通過多次嘗試，統(tǒng)計出合適電流、電壓，帶墊板對接焊縫打底電流與開坡口角焊縫打底電流330A，電壓95%（一元），鑄造臺階型對接焊縫打底電流360A，電壓96%（一元），并對經(jīng)常出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象的焊縫所用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更改。
b、焊前打底
焊前檢查動臂角焊縫拼搭間隙，若大于1mm，則進(jìn)行手工打底（打底厚度小于4mm），防止在機器人焊接時焊穿。并且要求在上機器人前處理好，不占用機器人工序時間。
經(jīng)過這兩個對策的實施，目前機器人在焊接過程中燒穿的現(xiàn)象出現(xiàn)的次數(shù)大大降低，節(jié)省時間約15分鐘。
4、修改參數(shù)，通過加大焊接電流，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接焊縫層數(shù)。
改進(jìn)前，后支座對接焊縫焊5層，數(shù)據(jù)庫如圖所示：
數(shù)據(jù)庫號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，后支座對接焊縫焊4層，數(shù)據(jù)庫如圖所示：
數(shù)據(jù)庫號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)過對后支座對接焊縫及后腹板角焊縫的參數(shù)優(yōu)化，焊接時間節(jié)省約10分鐘。
更改焊接參數(shù)后，做相應(yīng)工藝試驗對焊接參數(shù)進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果合格（具體結(jié)果見設(shè)備驗證中機械性能試驗報告）。
四、設(shè)備工藝驗證
針對焊接參數(shù)、焊接順序等焊接工藝的更改，開展工藝試驗對設(shè)備工藝進(jìn)行驗證，設(shè)備工藝驗證內(nèi)容主要包括：角焊縫熔深試驗，焊縫機械性能試驗，焊縫尺寸及外觀檢測。
1、 角焊縫熔深試驗：
使用實際焊接參數(shù)進(jìn)行試板（與實際焊接部件的板厚、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。機加焊縫剖面處，使用稀硝酸腐蝕后測量焊縫熔深。根據(jù)實際情況，試板可分為開坡口和無坡口等情況分別進(jìn)行試驗。（見圖5）
圖5 焊縫熔深試驗
2、 焊縫機械性能試驗
參照GB 2651-89《焊接接頭拉伸試驗方法》及GB 2653-89《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》進(jìn)行對接焊縫的拉伸以及冷彎試驗。一般每臺設(shè)備需進(jìn)行至少2套試板的焊接，每樣試驗至少取3件試件。
圖6 對接焊縫拉伸試驗
圖7 對接焊縫接頭拉伸試驗
3、 焊縫尺寸及外觀檢測
對調(diào)整后的程序焊接質(zhì)量進(jìn)行對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。（見圖8）
圖8 焊縫尺寸及外觀檢查
以上工藝試驗以及檢驗完成后，基本可判定新工藝有效，改進(jìn)方案可以批量實施。
五、經(jīng)濟效益
1、改進(jìn)前后對比見表1：
表1 改進(jìn)前后對比數(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155分鐘，改進(jìn)后用時130分鐘。
2）CLG915C斗桿，改進(jìn)前用時125分鐘，改進(jìn)后用時100分鐘。
3、經(jīng)濟效益
1）工時成本節(jié)省
按每年2000臺計算，產(chǎn)生效益=節(jié)省時間（分）×人工費率（元/人?分鐘）×年產(chǎn)量=（303+155+125-240-130-100）×0.215×2000臺/年=48590元/年
2）新增產(chǎn)值
項目實施前動臂每班產(chǎn)8臺（以205C為例），斗桿每班10臺，無法滿足生產(chǎn)需要。焊接機器人正常投入使用后，每班可產(chǎn)出動臂12臺(以205C為例）,斗桿13-14臺，新增產(chǎn)值約2000萬元。
六、推廣價值
目前，工程機械行業(yè)運用焊接機器人進(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
本文僅主要對焊接程序等對焊接效率影響較大的幾個因素進(jìn)行分析和優(yōu)化，并通過試驗確定焊接參數(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，也可對裝夾等輔助過程進(jìn)行分析、改進(jìn)。
（該項目成果獲2009年度廣西重工業(yè)先進(jìn)工藝工裝成果一等獎）
