CN103480950A - 一种适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，包含步骤：在待装配喇叭体板材两两拼接，所述拼接头设置突出部，所述突出部用作拼焊过程的焊缝填充材料；将待装配喇叭体板材装配固定；焊接空间点阵设置；根据焊接空间点阵确定焊枪路径并储存到弧焊机器人。本发明提高了焊缝成形的均匀性和焊缝质量的稳定性。相比于手工钨极氩弧焊，采用弧焊机器人的脉冲焊形成“鱼鳞”状焊缝，成形均匀美观。通过接头尺寸特征控制，获得的焊缝熔深较一致。相比于炉中钎焊形成的喇叭体，本发明焊接形成的焊缝无钎剂残留等问题，较少了后续的加工工序，提高了接头三防性能。

Description

一种适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法

技术领域

本发明涉及弧焊技术领域，具体涉及一种适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法。

背景技术

喇叭体作为雷达天线的典型结构之一，多用于低频段信号的发射与接收，是军工电子设备的重要组成部分，服役环境恶劣，要求焊缝不仅需要足够的连接强度，以抵抗应用环境的振动要求。同时还需具备较好的三防性能，即防盐雾、防湿热、防霉菌。

一般，喇叭体结构属于铝合金薄壁结构，喇叭体拼接需要保证内腔尺寸和表面精度，适于铝合金薄壁结构焊接的方法主要有新型熔焊、高能束焊和炉中钎焊。高能束焊主要有激光焊和电子束焊，采用高能量密度的热源对焊缝位置加热，使母材金属熔化后形成冶金连接。由于光斑尺寸及扫面形式的限制，通常对焊缝装配间隙有较高的要求，电子束焊还需要在真空条件下进行。设备一次投资大，从而提高了产品加工的工艺成本。炉中钎焊应用较为广泛的主要为氮气保护炉中钎焊和真空钎焊，真空钎焊由于制备周期长和对装夹的严格要求，长用于面积型焊缝。氮气保护炉中钎焊较适合喇叭体薄壁结构的焊接，配合丝状钎料沿钎缝的润湿铺展，形成喇叭片之间的连接。然而，铝合金炉中钎焊用钎料为铝硅共晶钎料，其熔点接近铝合金母材，长时间高温加热弱化了铝合金性能。由于钎焊过程的需要，通常采用钎焊性较好的LF21铝合金，从而限制了喇叭体材料的使用范围。为了促进钎料的润湿铺展，通常需选用氯化物钎剂。氯离子在服役条件下容易在钎缝位置形成原电池腐蚀，使钎焊后需对残留钎剂进行清理，劳动强度大且不能保证完全清理干净。喇叭体结构由于制备周期较长和三防的隐患，其拼接技术亟待升级。

机器人弧焊方法在机械手工作站的基础上配备弧焊系统的焊接技术，利用机械手的柔性自适应特征自动寻缝形成焊接，常用于“多品种，小批量”结构产品的生产。机器人焊接的轨迹控制方式有士教再现、离线编程和自主编程三种，离线编程和自主编程由于相关传感技术应用的限制目前还停留在实验室研究阶段，士教再现是工业生产中焊枪轨迹控制的主要方式。士教编程是由技术人员引导，控制机器人末端的位置与姿态，记录机器人作业的程序点，然后插入所需的机器人命令来完成焊接程序的编制。由于机器人程序算法固化于机器人控制系统，如何引导机器人末端确定作业的程序点成为机器人焊接轨迹控制准确性和士教编程效率的关键。

对于空间复杂焊缝或多品种的产品对象，士教编程一方面需保证相同产品批量生产的士教程序点的重复精度，另一方面需要快速转换，减少冗余过渡点的士教，提高士教编程效率。

新型弧焊技术是在传统弧焊的基础上改进而成的弧焊系统，通过改变电流波形控制熔池特征，以实现能量的精确控制。由于弧焊技术在生产周期和产品适应性方面的优势，被认为是稳定质量和提高生产效率的关键。如果能利用机器人弧焊方法对喇叭体进行焊接，将是十分有意义的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，包含下列步骤:

S1：在待装配喇叭体板材两两拼接，所述拼接头设置突出部，所述突出部用作拼焊过程的焊缝填充材料；

S2：将待装配喇叭体板材装配固定；

S3：焊接空间点阵设置；

所述焊接空间点阵的点包括：起始点、各个焊缝对应的焊枪姿态点、各个焊缝的初始起弧点及初始收弧点；

S4:根据焊接空间点阵确定焊枪路径并储存到弧焊机器人；

具体为：以各个焊缝为单元编制弧焊机器人的焊接路径控制程序，所述各个焊缝的焊接路径为：起始点→焊枪姿态点→初始起弧点→焊缝路径→初始收弧点→焊枪姿态点→起始点；

S5：配备弧焊系统的弧焊机器人根据存储的焊接路径依次对每个焊缝施焊。

所述起始点位于喇叭体小开口端几何中心正上方。

所述各个焊缝的焊枪姿态点位于起始点的四周，该焊枪姿态点使焊枪姿态与待焊焊缝所在平面垂直。

所述各个焊缝的初始起弧点靠近该焊缝位于喇叭体大开口端的一端，所述初始收弧点靠近焊缝位于所述喇叭体小开口端的一端。

所述焊接空间点阵的点还包括各个焊缝的精确起弧点、精确收弧点，所述精确位置起弧点、精确位置收弧点是根据步骤S2的工件装配误差在初始位置起弧点、初始收弧点基础上进行调整而成，步骤S4中所述各个焊缝的焊接路径为：起始点→焊枪姿态点→初始起弧点→精确起弧点→焊缝路径→精确收弧点→初始收弧点→焊枪姿态点→起始点”。

进一步地，在步骤S5之前，所述各个焊缝两端部分进行自熔焊，所述焊缝路径位于两端的自熔焊区域之间。

进一步地，所述自熔焊区域沿着焊缝长度方向的长度为10 mm ~12mm。

进一步地，步骤S1中，所述拼接头还设置凹槽，所述凹槽向外延伸形成所述突出部。

进一步地，所述凹槽深度为喇叭片厚度的1/3~2/3和/或凹槽宽度为喇叭片厚度的1.5~2.5倍。

进一步地，步骤S5中，所述弧焊系统采用脉冲钨极氩弧焊。

本发明的有益效果为：

1）本发明提高了焊缝成形的均匀性和焊缝质量的稳定性。相比于手工钨极氩弧焊，采用弧焊机器人的脉冲焊形成“鱼鳞”状焊缝，成形均匀美观。通过接头尺寸特征控制，获得的焊缝熔深较一致。相比于炉中钎焊形成的喇叭体，本发明焊接形成的焊缝无钎剂残留等问题，较少了后续的加工工序，提高了接头三防性能。

2）本发明缩短了喇叭体焊接的生产周期，便于批量生产。弧焊机器人工作站使该拼焊技术可用于相同结构不同尺寸的喇叭体结构生产，可满足现代工业“多品种，小批量”的结构需求。

3）预先设置空间焊接点阵，利用机器人的士教方式减小了复杂焊缝批量生产对复杂点姿态的士教，大大提高了士教速度。每个工件焊前均进行焊接位置点修正，每条焊缝的焊接路径得到精确保证，从根本上避免了焊接路径偏移带来的不合格甚至报废等问题；

4）机器人的士教方式一次性获取空间位置点，通过一条焊接程序即可完成多条复杂焊缝的一次焊接，减少了单独编程和程序重新调用等中间环节，提高了复杂结构的机器人焊接效率。

附图说明

图1为本发明喇叭体拼接接头设计图。

图2为本发焊接空间点阵确定的焊枪路径。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明。

喇叭体一般为若干等边梯形的板材拼接而成，焊缝为空间直线焊缝。

本发明针对喇叭体结构设计适当的拼接接头，提出了脉冲自熔焊用于喇叭体焊接，采用弧焊机器人系统和合理的焊缝装夹布置，实现了喇叭体结构的拼接成形。下面进行详细说明。

1.喇叭体拼接接头设计

喇叭体两两相邻的喇叭片中，两两相邻的喇叭片的其中一个喇叭片一边设置有拼接接头，或者一个喇叭片两边设置有拼接接头。

本发明的拼接接头结构如图1所示：所述拼接接头设置有凹槽，所述凹槽向外凸出形成突出部，该突出部为拼焊过程的填充材料，以促使焊缝位置良好熔合。

喇叭片装配通过所述凹槽限位，以保证喇叭片角度和内部口面尺寸精度。基于零件之间装配夹紧的需要，凹槽深度优选为喇叭片厚度d的1/3~2/3、宽度优选为1.5 d -2.5d（包括突出部）。

应当理解，凹槽的设计不是必须的，在装配条件成熟的情况下，可以不需要凹槽进行限位，只需要设计突出部即可。

实际使用中，突出部的尺寸需根据喇叭体材质的工艺试验结果，从焊缝宽度和熔深两方面加以优化。

2.喇叭体装配

装配是将喇叭体各板材进行初始固定，该过程决定机器人自动焊过程稳定性，装配间隙和约束程度决定焊接过程稳定性。

本发明中，装配形式有两种：一是专用工装刚性固定。根据产品形态和接头特征，在焊缝附近10-15mm的位置局部点压固定；另一种是施焊前对产品装配，采用氩弧焊点焊固定。

专用工装刚性固定可采用背部衬垫与琴键式夹具配合装夹。

氩弧焊为无填丝点焊，固定点间距十分重要，如固定点间距较大，装夹力较小，焊接过程间隙尺寸均匀性难保证，如间距较小，夹具和点焊过程被复杂化。考虑装配过程的工艺性，本发明的固定点优选为间距为50-80mm，如图2。喇叭片装配间隙决定拼焊过程的热传导和熔池流动，装配间隙要求小于0.05mm。刚性夹具固定对象为一组无凹槽的喇叭片。

优选的，为防止过大的间隙形成焊瘤，氩弧焊点焊固定后对焊点进行轻度锤击，使焊缝根部间隙均匀化。。

3）喇叭体焊接

接下来，对焊缝进行弧焊。该过程是需通过配备弧焊系统的弧焊机器人系统实现。所述弧焊系统可以为钨极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊，焊接空间点阵的设置是弧焊机器人施焊的实现基础，下面进行详细介绍。

所述焊接空间点阵的点包括起始点、各个焊缝对应的焊枪姿态点、各个焊缝的初始起弧点及初始收弧点、各个焊缝的精确起弧点、精确收弧点，下面分别介绍。

1.起始点。本发明以S表示。所述起始点位于喇叭体小开口端几何中心正上方。

2.焊枪姿态点。

所述焊枪姿态点P₁、P₂、…、P_n是根据焊缝数量n在起始点S附近四周设置的，每个焊缝对应一个焊枪姿态点，所述焊枪姿态点的设置以焊枪姿态与待焊焊缝所在平面垂直为准。

3. 各个焊缝的初始起弧点及初始收弧点。

在远离工件约10mm位置设置初始起弧点及初始收弧点S₁₁、E₁₁、S₂₂、E₂₂、…、S_nn、E_nn，其中S开头的代表为初始起弧点，E开头的为初始收弧点。初始起弧点位于焊缝临近喇叭体大开口端的一端，初始收弧点位于焊缝临近所述喇叭体小开口端的一端。

4. 各个焊缝的精确起弧点、精确收弧点。

所述精确位置起弧点、精确位置收弧点是根据工件装配误差在初始位置起弧点、初始收弧点基础上进行调整而成，本发明以S₁、E₁、S₂、E₂、…、S_n、E_n。表示，其中S开头的代表为精确起弧点，E开头的为精确收弧点。

需要说明的是，精确起弧点、精确收弧点并不是实现本发明必须的，因为在工件装配误差不存在或者可以忽略的情况下，初始起弧点及初始收弧点即可满足要求。

在不设置精确起弧点、精确收弧点的情况下，焊接空间点阵的点设置流程为：起始点→各个焊缝的焊枪姿态点→各个焊缝的初始起弧点及初始收弧点。

在设置精确起弧点、精确收弧点的情况下，焊接空间点阵的点设置流程为：顺序为：起始点→各个焊缝的焊枪姿态点→各个焊缝的初始起弧点、初始收弧点→各个焊缝的精确起弧点、精确收弧点。

在设定了焊接空间点阵后，可以根据空间点阵确定焊枪路径并储存到弧焊机器人。

具体为：以各个焊缝为单元编制弧焊机器人的焊接路径控制程序.

在不设置精确起弧点、精确收弧点的情况下，所述各个焊缝的焊接路径为：起始点→焊枪姿态点→初始起弧点→焊缝路径→初始收弧点→焊枪姿态点→起始点。

在设置精确起弧点、精确收弧点的情况下，所述各个焊缝的焊接路径为：起始点→焊枪姿态点→初始起弧点→精确起弧点→焊缝路径→精确收弧点→初始收弧点→焊枪姿态点→起始点。

焊缝间的转换需回到相应的焊枪姿态点，优选的，同一焊接程序涵括各焊缝的焊接路径。

对以上内容进行归纳总结，即本发明主要步骤为：

S1：待装配喇叭体板材两两拼接。

S2：将待装配喇叭体板材装配固定。

S3：焊接空间点阵设置。

S4: 根据空间点阵确定焊枪路径并储存到弧焊机器人。

S5：配备弧焊系统的弧焊机器人根据存储的焊接路径依次对每个焊缝施焊。

以上步骤S5中焊接过程优选脉冲钨极氩弧焊，峰值电流期间熔化拼接接头凸出部，基值电流期间电弧收缩熔池凝固。焊接前将喇叭体大端口面朝下放置，焊枪移动方向为沿焊缝由上至下。熔池液态金属在重力和表面张力作用下沿焊缝向下流动，如此反复形成鱼鳞状焊缝。通过一条焊接程序控制，一次完成四条焊缝的拼接。

作为本发明的优选实施方式，步骤S5之前，所述各个焊缝两端部分进行自熔焊，所述焊缝路径则位于两端的自熔焊区域之间。因为喇叭片一般属于铝合金薄壁结构，熔化焊过程极易形成焊缝熔穿，尤其在起弧与收弧位置。拼接焊缝的起弧收弧两端熔化焊使热量不能及时散开，需采取特殊的熔深控制措施，以免形成熔透甚至烧穿等问题。改善甚至避免该问题的思路主要是缩短焊缝长度，使起弧点和收弧点尽量远离喇叭体端部。装配前首先对焊缝两端进行部分自熔焊，焊接长度以10-12mm为宜。

下面以四喇叭片构成的喇叭体对本发明的产品批量生产实施方式进行说明。

1）喇叭体结构分析，喇叭体为四个等边梯形的板材拼接而成，焊缝为四条直焊缝，四条焊缝为空间直线焊缝。喇叭体固定于专用工装，采用弧焊机器人焊接时需对四条焊缝的初始起弧点和初始收弧点士教，同时需避免机械手在焊缝间转换时喇叭体及夹具对焊枪的干涉。批量生产时，需考虑喇叭体装夹误差对起弧点及收弧点位置准确性的影响。

2）焊接空间点阵设置与储存。调整焊枪姿态和适当距离，储存喇叭体焊接程序的起始点S，姿态点P₁、P₂、P₃、P₄，初始起弧点和初始收弧点S₁₁、E₁₁、S₂₂、E₂₂、S₃₃、E₃₃、S₄₄、E₄₄，第一条焊缝精确起弧点S₁和精确收弧点E₁，第二条焊缝精确起弧点S₂和精确收弧点E₂，第三条焊缝精确位置起弧点S₃和精确收弧点E₃，第四条焊缝精确起弧点S₄和精确收弧点E₄。起始点S位于喇叭体口面几何中心的正上方，焊枪姿态垂直于喇叭体口面，四条焊缝正上方分别设置各焊缝焊接所需的姿态点P₁~P₄。

在机器人坐标模式下调整弧焊机器人各关节，使焊枪中心平行于相应焊缝的夹角平分线。将弧焊机器人切换至笛卡尔坐标系，通过X、Y、Z向直线自由度调整焊枪靠近焊缝，根据起弧与收弧点确定Z向位置，确定焊缝位置点S₁₁、E₁₁、S₂₂、E₂₂、S₃₃、E₃₃、S₄₄、E₄₄。X、Y向离施焊点距离8-10mm，以预留足够的装配误差。针对待焊工件实际位置，以焊缝位置点为基础调整获得各焊缝的精确位置点S₁、E₁、S₂、E₂、S₃、E₃、S₄、E₄。

3）根据焊接空间点阵确定焊枪路径，分别按第一到第四条焊缝为单元编程。第一条焊缝和第二条焊缝的焊接路径如图2所示。焊枪从起始点S经姿态点P₁后调整为第一条焊缝的焊接姿态，经初始起弧点S₁₁到达第一条焊缝的精确起弧点S₁。从S₁点调用焊接参数开始到精确收弧点E₁，第一条焊缝焊接过程结束后经初始收弧点E₁₁、姿态点P₁回到起始点S。如此类推，进行第二条焊缝、第三条焊缝、第四条焊缝的焊接，最终焊枪退回到起始点S。

CLOOS弧焊机器人一次焊接四条焊缝的路径控制程序如下：

GP(S, P₁, S₁₁, S₁)

GC(E₁)              !第1条焊缝施焊

GP(E₁₁, P₁, S, P₂, S₂₂, S₂)

GC(E₂)              !第2条焊缝施焊

GP(E₂₂, P₂, S, P₃, S₃₃, S₃)

GC(E₃)              !第3条焊缝施焊

GP(E₃₃, P₃, S, P₄, S₄₄, S₄)

GC(E₄)              !第4条焊缝施焊

GP(E₄₄, P₄, S)

4）批量生产空间点调整。同种被焊工件装夹完毕后，装配误差将导致各精确位置点发生改变。为了保证精确的加热轨迹，需对各精确位置点重新示教。在焊缝位置点S₁₁、E₁₁、S₂₂、E₂₂、S₃₃、E₃₃、S₄₄、E₄₄的基础上微调，获取相应的精确位置点并储存，形成各被焊工件的实时路径。

实例如下:

喇叭片长边202mm短边41mm高248mm厚2mm，材质为LF21铝合金。根据工艺试验的焊缝成形，设计接头凹槽深1mm+0.05mm，凹槽宽3mm。焊前装配方式为氩弧点焊，焊点间距5cm，起弧点收弧点位置焊点长10mm。采用万向平板固定夹具装夹，夹持面为无凹槽喇叭片外侧。采用CLOOS弧焊机器人（配备钨极氩弧焊系统）工作站进行施焊，首先进行四条拼接焊缝的焊接空间点阵士教，编制同一条焊接控制程序，已完成四条拼接焊缝的一次成形。电弧加热姿态以钨极方向位于焊缝位置夹角的外角平分线为准，钨极端部距离凸边0.5-1mm。焊接电流为脉冲电流，基值电流30A，峰值电流60A，焊接速度15cm/min，脉冲频率1.2Hz。从起弧位置的焊点处起弧，随着电弧沿焊缝移动，位于电弧前方的凸边熔化形成熔池，在表面张力和重力的双重作用下沿焊缝向下流动，电弧移开或电流切换至基值电流条件时熔池发生凝固，如此反复形成均匀一致的鱼鳞状焊缝，

本发明的有益效果为：

1）本发明提高了焊缝成形的均匀性和焊缝质量的稳定性。相比于手工钨极氩弧焊，采用弧焊机器人的脉冲焊形成“鱼鳞”状焊缝，成形均匀美观。通过接头尺寸特征控制，获得的焊缝熔深较一致。相比于炉中钎焊形成的喇叭体，本发明焊接形成的焊缝无钎剂残留等问题，较少了后续的加工工序，提高了接头三防性能。

  2）本发明缩短了喇叭体焊接的生产周期，便于批量生产。弧焊机器人工作站使该拼焊技术可用于相同结构不同尺寸的喇叭体结构生产，可满足现代工业“多品种，小批量”的结构需求。

3）预先设置空间焊接点阵，利用机器人的士教方式减小了复杂焊缝批量生产对复杂点姿态的士教，大大提高了士教速度。每个工件焊前均进行焊接位置点修正，每条焊缝的焊接路径得到精确保证，从根本上避免了焊接路径偏移带来的不合格甚至报废等问题。

4）机器人的士教方式一次性获取空间位置点，通过一条焊接程序即可完成多条复杂焊缝的一次焊接，减少了单独编程和程序重新调用等中间环节，提高了复杂结构的机器人焊接效率。

本发明不仅适用于喇叭体的焊接，同样也适用于其他结构焊接，尤其是适合焊缝数量多、分布分散的结构件焊接，均在本发明的保护范围之类。

Claims (10)

1.一种适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，包含下列步骤:

S1：在待装配喇叭体板材两两拼接，所述拼接头设置突出部，所述突出部用作拼焊过程的焊缝填充材料；

S2：将待装配喇叭体板材装配固定；

S3：焊接空间点阵设置；

所述焊接空间点阵的点包括：起始点、各个焊缝对应的焊枪姿态点、各个焊缝的初始起弧点及初始收弧点；

S4:根据焊接空间点阵确定焊枪路径并储存到弧焊机器人；

具体为：以各个焊缝为单元编制弧焊机器人的焊接路径控制程序，所述各个焊缝的焊接路径为：起始点→焊枪姿态点→初始起弧点→焊缝路径→初始收弧点→焊枪姿态点→起始点；

S5：配备弧焊系统的弧焊机器人根据存储的焊接路径依次对每个焊缝施焊。

2.如权利要求1所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，所述起始点位于喇叭体小开口端几何中心正上方。

3.如权利要求1或2所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，所述各个焊缝的焊枪姿态点位于起始点的四周，该焊枪姿态点使焊枪姿态与待焊焊缝所在平面垂直。

4.如权利要求1或2所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，所述各个焊缝的初始起弧点靠近该焊缝位于喇叭体大开口端的一端，所述初始收弧点靠近焊缝位于所述喇叭体小开口端的一端。

5.如权利要求1所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，步骤S3中，所述焊接空间点阵的点还包括各个焊缝的精确起弧点、精确收弧点，

所述精确位置起弧点、精确位置收弧点是根据步骤S2的工件装配误差在初始位置起弧点、初始收弧点基础上进行调整而成，步骤S4中所述各个焊缝的焊接路径为：起始点→焊枪姿态点→初始起弧点→精确起弧点→焊缝路径→精确收弧点→初始收弧点→焊枪姿态点→起始点。

6.如权利要求1所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，在步骤S5之前，所述各个焊缝两端部分进行自熔焊，所述焊缝路径位于两端的自熔焊区域之间。

7.如权利要求6所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，所述自熔焊区域沿着焊缝长度方向的长度为10 mm ~12mm。

8.如权利要求1所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，步骤S1中，所述拼接头还设置凹槽，所述凹槽向外延伸形成所述突出部。

9.如权利要求8所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，所述凹槽深度为喇叭片厚度的1/3~2/3和/或凹槽宽度为喇叭片厚度的1.5~2.5倍。

10.如权利要求1~2、5~8中任一项所述的适于喇叭体结构拼接的机器人弧焊方法，其特征在于，步骤S5中，所述弧焊系统采用脉冲钨极氩弧焊。

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