机器人智能焊接技术

研究内容
4.生产管理：通过工件信息统计模块使得焊工工号、 工件编号、焊机编号、规范编号一一对应，便于管理 者对焊工焊接作业的监督和对工件焊接质量的定位；
焊接车间生产网络监 控及信息化管理系统
研究内容
5.设备管理：该模块显示每台焊机的保养记录，进行保养提 醒，当设备出现故障时通过客户端软件提示，实现设备管理 部门对焊机的运行状态和使用情况的及时把握和管理；
研究内容
6.成本管理：查询焊工在特定时间段的累计焊接时间、累计 工作时间、焊丝消耗、气体消耗和电能消耗，从而进行焊工 工时和焊材消耗的信息统计；
研究效益
焊接智能化将使生产制造过程更为高效、优质、节能、环 保、降本增效，改善焊工劳动条件。
提高我司海洋高端装备制造的综合能力，提高产品国际市 场竞争力。
最佳焊接规范为：电流值I=250～270A，电压值U=29～31V，干伸长L=20～ 22mm，焊接速度v=220～300mm/min。
焊缝成形图
应用情况
滑轮焊接制造由传统的药芯焊丝CO2气体保护半自动焊发展为机器人 自动化焊接，提高了滑轮生产效率2倍以上，节约耗能，降低了生产成本 100万元以上/年，经济效益明显。
机器人焊接设备
技术创新
1. 突破传统数控下料的模式，通过设计切割参数和切割方式， 坡口直接下料，大大提高了零件的外形尺寸精度。 2. 由于横隔板数量繁多，焊接顺序对变形影响很大。因此采用 对称焊接的方式，以控制焊接变形量
P
Cr
0.32～ 0.17～ 0.40～ ≤0.035 ≤0.035 0.80～
0.40 0.37 0.70
1.10
Ni ≤0.30
Cu ≤0.30
Mo 0.15～
0.25
表2 A709-50-2化学成分
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
V
Mo
0.12～ 0.20～ 0.95～ ≤0.035 ≤0.035 0.40～ 0.30～ 0.03～ 0.20～
第一系列
第二系列
第一系列
第二系列 第一系列 第二系列
台车宽度 340 376 376 430
470 470
（二）主干焊缝信息提取
1. 因扭力臂位置不定，且容易导致干涉，因此在机器人焊接过程 中不安装扭力臂。
2. 因封板容易导致干涉，且封板焊接量小，因此在机器人焊接过程中不安 装封板。
经简化后，如左图所 示，共涉及主干焊缝 24条，每条焊缝信息 如下表所示
机器人智能焊接技术
振华重工 焊接研究所 盛凯
振华重工 焊接研究所
焊接机器人
焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。国际标准 组织（ISO）对工业机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复 编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴， 用于工业自动化领域。
补焊工人数 起重工人数 打磨工人数
合计 3、年成本对比（万元）
人工费 焊材费 气体费 打磨片 合计费用
手工焊
3000 0
1500 400 1500 6400 手工焊
12 6 2 6 26 手工焊 192 183 14.5 14.5 404
机器人焊
2100 96
1500 160 975 4831 机器人焊
机器人焊接设备
国外研究现状
针对大结构件，多焊缝同时焊接时的多机器人系统，在日本船舶行业 广泛应用，如图是多焊接机器人焊接结构简图，图 (a)为多机器人倒挂龙 门式，图 (b)为多机器人折梯伸降式。
（a）倒挂龙门式
（b）折梯升降式
多焊接机器人焊接结构简图
国内研究现状
与之相比，我国自动化焊接应用水平较低，手工劳动量 大，质量也不稳定。美国和西欧40%以上实现半自动化焊接 ，33%采用机器人焊接，15%采用机械化焊接。
车 间 级 监 控
设 备 级 监 控
研究内容
2.工艺管理：从工艺文件中导入工艺规范参数，焊接 工人只有焊接作业权限，没有设定和调整焊接参数的 权限，并且当焊接电流超出设定规范时将进行报警提 示；
研究内容
研究内容
3.质量管理：一方面焊机可以通过客户端进行超规范报警， 并且将报警信息保存到数据库中，同时通过统计焊接规范 参数对所有焊机的焊接质量进行评定、对比分析，定位可 能存在故障的焊机和焊缝；另一方面，将焊后焊缝质量检 测信息与焊接过程中采取的焊接规范相对应
轮距
销轴、扭力臂、有无轮边制动器等 1
500
900
2
750
各种组合.
3
900
4
1050
1. 仅按照轮径和轮距分类共计25种， 5
650
1200
6
1350
优选的第一系列14种，如右表所示。 7
1500
2. 销轴的影响—台车高度 标准销轴孔径：150, 180, 200 特殊孔径：130, 220
8 9
该项目的建设将成为公司转型发展的样本，对促进我司在 海洋工程装备、港口机械、大型钢构和核心配套件等领域 也实现自动化和智能化焊接制造。
案例四
钢构事业部 港珠澳大桥机器人焊接
振华重工 焊接研究所
项目简介
港珠澳大桥是当今世界上规模最大、标准最高、技术最复杂的桥、 岛、隧一体化的集群工程。振华重工承制的CB05-G1合同段包含部分浅 水区非通航孔桥钢箱梁，全长3.485KM，钢结构总工程量41244吨。
拼板横焊对接示意图
角焊缝焊接示意图
试板取样图：
主动台车架机器人焊接工艺研究
2. 机器人焊接工艺评定试验
（1）GMAW焊接参数摸索 （2）工艺评定用试板的焊接
机器人横焊试验
拼板横焊对接实物图
（四）机器人焊接技术应用
（五）经济效益对比
1、月工时对比（工时） 焊接 编程 补焊 起重 打磨 合计
2、用人数对比（个数） 焊工人数
2. 温度控制
35CrMo钢含碳量及合金元素量都很高，热裂倾向严重。因此，需要控制预热 温度以及层间温度，以降低金属的应变速率，从而降低热裂的可能性。因此，焊 前将工件预热至180℃，层间温度控制在180～300℃之间。
为了防止在滑轮焊接后冷裂纹的产生，焊后进行保温处理，保温温度为300～ 400℃，保温时间为1～2h。
我国几乎完全手工焊接；舰船船体焊接，国外自动化焊 接率达50%以上，而我国仅为5%-10%，差距较大。
国内部分船厂虽然引进平面分段自动化焊接生产线，个 别船厂还引进了管路自动化焊接生产线，但自动化程度较低 或配套装备不够完善，生产效率还有待提高。
案例一
机械配套公司 滑轮异种钢机器人焊接
振华重工 焊接研究所
研究内容
为实现滑轮机器人焊接，需要进行异种金属焊接工艺、机器人多层多道焊、 实芯焊丝气体保护焊等多方面技术研究，进而进行焊接工艺评定试验，编制出 符合生产标准的焊接工艺规程，方案总体流程图如下图所示。
异种金属焊接工艺
机器人多层多道焊
实芯焊丝气体保护焊
焊接工艺评定试验
焊接工艺流程编制
一.异种金属连接
锯齿形的摆动方式使得焊接电弧在焊道两侧有足够的停留时间，从 而确保了焊丝与侧壁以及与衬垫板之间的电弧燃烧，实现了打底焊道焊缝 与母材之间的完全熔合。
3
1
1
T
2
δ=6mm
改进后焊接接头形式
wenku.baidu.com
三. 机器人GMAW焊接参数
本项目通过大量工艺试验获取了最佳的焊接参数，可以得到相对稳定的喷射过渡 ，在保证焊接效率的基础上将焊缝飞溅控制到最小。
7101） 10 11 12
1050 1200 1350 1500 1050
13
1200
14
800
1500
15
900
16
1350
17
1050
18
1200
19
900
1500
20
1350
21
1650
22
1200
23 1000
24
1500 1350
25
1650
优选等级2） 第一系列 第二系列 第一系列
第二系列 第一系列 第二系列
1 2 3 4 5 6 7 8 11 9 10
12
焊缝 编号
1， 2，
3，
4，
5 ，6 ，7，
8，
11 ，9，
10，
13
焊角 尺寸
坡口 10 焊角 8
坡口 无 焊角 8
坡口 无
焊角 10
坡口 10 焊角 10
（三）机器人焊接工艺研究
1. 焊接工艺评定方案制定（AWS标准）
（1）焊接工艺评定试板规格 （2）焊接工艺评定取样图 （3）焊缝合格验收标准
主动台车架构件图
研究内容
（1）主动台车架规格分类及主干焊缝信息提取 （2）A709钢机器人GMAW焊接研究及焊接工艺评定 （3）机器人焊接系统集成：工装夹具设计，焊接路径规划等
项目难点
主动台车架规格多
程序通用性差，每种规 格均需单一编程
单一主动台车架焊缝条数多
（1）人工示教时间长 （2）焊接顺序影响焊缝变形
二.机器人多层多道焊
在滑轮实际生产过程中，焊接接头标准形式如下图所示，其中根部间隙δ为 3mm。由于根部间隙较小，所需焊丝填充量少，熔化的焊丝（液态金属流）将未 起弧的位置填充，从而导致打底焊产生焊缝金属与母材未熔合的缺陷。
3
1
1T
2
δ=3mm
原焊接接头形式
本项目对焊接接头形式进行改变，将根部间隙放大至6mm，如下图所 示，通过编辑机器人程序，采用锯齿形摆动焊丝的方式进行焊接，
0.21 0.35 1.30
0.65 0.70 0.08 0.30
1. 焊材选择
根据AWS D1.1的规定，参照异种金属连接焊材低强匹配的原则选用ER70S-6，
直径为1.2mm，化学成分如表3所示。
表3 焊丝化学成分
C
Si
Mn Cr
Ni
Cu Mo
V
S
P
0.07 0.90 1.43 0.02 0.03 0.10 0.002 0.003 0.015 0.014
4 3 1 4 12 机器人焊 107 105 56 8 276
案例三
工艺部/大南通/南通重齿 海工装备桩腿制造智能焊接车间
振华重工 焊接研究所
研究内容
近年来网络技术和信息焊技接术车飞速间发信展息，化促使传统的制造业更新换代
加快。焊接制造过程的数字化、信息化与智能化已成为未来焊接技术的 发展趋势。为此，提出焊接车间生产网络化监控及信息化管理， （一）实时监控车间动态，实现工件、焊工、焊机三方信息的一体化采 集和实时显示； （二）实现焊接设备与计算机的数据通信，对焊接规范进行智能化的控 制； （三）建立焊缝质量检测跟踪系统，实现焊缝质量跟踪及控制。
焊接 设备
焊工
互联网
显示设 备
服务器
工件 编号
焊缝质量 检测报表
无线通 讯及视 频网络
南通重齿应用现状
监控 软件 界面
大南通焊接车间信息化监控室
研究内容
实时监控
掌握车间动态 记录生产进度 反馈现场问题
工艺管理
工艺规范管理 规范参数下载 设定超规范报警规则
质量管理
历史波形查询 焊接质量评估 规范报警查询
滑轮机器人焊接设备
案例二
机械配套公司 主动台车架机器人焊接
振华重工 焊接研究所
研究背景
主动台车架是大车行走机构的重要构件，传统采用药芯焊丝CO2气体保护 半自动焊的方式进行焊接。由于主动台车架中焊缝位置不同，工件在焊接过程 中需要不断翻转，而且焊后需要打磨，不仅降低了工作效率，且极大增加了工 人的劳动强度。
焊接机器人及变位机械
焊接机器人
初始焊缝寻位 焊缝自动跟踪 多层多道焊道编排 离线编程与仿真
国外研究现状
日本造船工业、汽车制造业、金属结构制造业及重型机械制造业，在 1993-1998年完成了焊接CIMS改造，他们采用焊接机器人及自动化辅助设 备，建成了数百条焊接自动化生产线和自动化焊接工段，能够实现大型 构件及重型机械的自动装配和焊接。
主动台车架构件复杂
机器人焊接容易产生干涉
机器人焊接系统集成
（一）焊接顺序规划
（1）现场顺序 （2）工件翻转 （3）有限元模拟
（二）焊接工装夹具设计
（1）有效夹持，防止滑移 （2）相同规格重复定位精度
（三）机器人焊接程序编制
典型规格主动台车架手工示 教编程
（一）主动台车架规格分类
主动台车架按轮径、轮距、轴承座、 序号 车轮直径
滑轮结构采用的是低合金高强钢（常用为35CrMo）和普通碳素钢（常 用为A709-50-2）。 35CrMo钢的碳当量值Ceq=0.72%。这种材料的焊接性不 良，焊接时其淬硬倾向较大，热影响区热裂和冷裂倾向都会较大。而A70950-2钢含碳量较低，焊接性良好。
表1 35CrMo化学成分
C
Si
Mn
S
研究背景
滑轮作为起重机械的重要构件，所采用的传统焊接制造工艺为半自动 药芯焊丝CO2气体保护焊。
由于是异种金属连接，焊前需要预热，焊后需要保温，而且需要控制层 间温度，增大焊接工人的劳动强度。同时，由于焊丝为药芯，每完成一道焊 缝需要清理焊渣，降低了工作效率。
双腹板滑轮实物及采用的半自动化焊接设备
焊接车间生产网络 监控及信息化管理
生产管理
焊工信息管理 工件信息统计 焊材信息维护
设备管理
设备保养提示 故障报警统计 故障短信通知
成本管理
焊工工时统计 焊材消耗统计 焊丝库存出入库统计
研究内容
1.实时监控：对产品的制造信息和生产流程进行实时 监控，让管理者能掌握车间的状况和产品的制造进度；
远 程 监 控