Роботизированная сварка — как подготовить детали, оснастку и узел, чтобы робот варил стабильно

Почему робот «не видит» того, что видит сварщик

Сварщик ведёт горелку по фактическому стыку: если деталь сдвинута или зазор разошёлся, он поправляет угол, скорость и колебания на ходу. Робот ведёт центральную точку инструмента по запрограммированным координатам. Если шов сместился, дуга уходит на одну из кромок — получаются несплавление, подрез или прожог.

Поэтому вопрос роботизации — не «умеет ли робот варить», а «насколько повторяем узел». Разброс положения шва и зазора набирается на трёх этапах:

Заготовки и сборка

Качество роботизированной сварки начинается на лазере и листогибе. Детали после лазерной резки обычно стабильнее по размерам и кромке, чем после плазмы или газа, — сравнение способов в статье «Лазерная, плазменная или гидроабразивная резка». Для гнутых деталей важны развёртка и повторяемость угла: ошибка угла в 1° на полке длиной 100 мм сдвигает её кромку примерно на 1,7 мм (100 · tg 1°) — это больше диаметра сварочной проволоки.

Зазор влияет сильнее, чем кажется. Шов с переменным зазором требует разного количества металла: где зазор больше — не хватает сечения или прожигает, где меньше — лишнее усиление. Fronius в системе WireSense решает это так: проволока измеряет высоту кромки и фактический зазор в нахлёсточном соединении, а робот под каждую величину зазора вызывает заранее подготовленный режим сварки. Если такой функции нет, зазор должен быть стабильным по конструкции и сборке.

Кондуктор и позиционер

Кондуктор базирует детали так, чтобы шов каждый раз оказывался в одном и том же месте относительно робота. Хороший кондуктор для робота отличается от ручного:

• жёсткие упоры по конструкторским базам, а не «по месту»;
• прижимы, которые не закрывают горелке подход к шву и не попадают под брызги;
• надёжный подвод сварочного тока к детали;
• защита упоров и направляющих от брызг, быстрая очистка;
• контроль закладки — датчики наличия детали или хотя бы фиксированный порядок операций.

Позиционер поворачивает и наклоняет узел, выводя шов в нижнее положение, где процесс устойчивее и выше скорость. В сварочной ячейке он обычно работает как дополнительные оси, согласованные с роботом. Частая схема — поворотный стол на две позиции: пока робот варит на одной стороне, оператор снимает готовый узел и закладывает детали на другой.

Ограждение, световые завесы и блокировки проектируют по оценке рисков — требования к робототехническим системам и их интеграции задаёт ГОСТ Р 60.1.2.2-2016. Подробнее о составе ячейки — в статье «Промышленные роботы в металлообработке».

Поиск и отслеживание шва

Датчики не заменяют точную сборку — они компенсируют остаточный разброс. Производители используют три принципа.

Поиск касанием. Перед сваркой на проволоку или газовое сопло подают напряжение, робот подводит горелку к поверхностям детали и фиксирует момент касания. По нескольким точкам контроллер вычисляет фактическое положение шва, его начало и конец и смещает программу. У Fronius эта функция называется TouchSense. По оценке ABICOR BINZEL, каждое направление поиска добавляет к циклу несколько секунд, а прихватки и грязь на поверхностях поиска дают ложные срабатывания.

Отслеживание по дуге. Во время сварки горелка совершает колебания поперёк шва. При приближении к стенке меняется вылет проволоки, а с ним ток и напряжение дуги; по разнице контроллер поправляет траекторию. Fronius SeamTracking работает при переносе короткими замыканиями, струйном, импульсном и CMT. ABICOR BINZEL отмечает ограничения: нужны колебания, которые снижают скорость сварки, метод применяют для MIG/MAG, а на тонком металле траектория начинает «рыскать».

Лазерный датчик. Датчик закреплён перед горелкой, проецирует линию поперёк шва, камера смотрит на неё под углом. По форме линии определяют положение, зазор и профиль стыка. Это самый быстрый способ, он не боится ржавчины и окалины, но дороже других, требует места перед горелкой и хуже работает на блестящих поверхностях — алюминии и полированной нержавейке.

Процесс, горелка и её обслуживание

Для углеродистых и низколегированных сталей основной процесс роботизированной сварки — MAG проволокой сплошного сечения (135): непрерывная подача, высокая производительность и простая автоматизация. Для тонкого металла и видимых швов применяют импульсные режимы и процессы с управляемым переносом. Как устроены способы и что где применять — в статье «MIG/MAG, TIG и MMA».

Горелку обслуживают автоматически. Станция очистки по программе:

• вычищает брызги с торца и изнутри газового сопла фрезой;
• наносит разделительную жидкость, чтобы брызги меньше прилипали;
• обрезает проволоку — это даёт одинаковый вылет, что важно для поиска касанием.

Fronius объясняет смысл очистки так: она сохраняет правильную газовую защиту и не даёт брызгам загрязнять ванну, а ресурс изнашиваемых деталей горелки возрастает многократно. Запущенная горелка — прямой путь к порам, о них подробнее в статье «Дефекты сварных швов и методы контроля».

Программирование

Программу пишут двумя способами. С пульта обучения — оператор подводит горелку к точкам на реальной детали; просто, но ячейка в это время не варит. В режиме Fronius TeachMode, если проволока упирается в деталь и вылет становится меньше заданного, она автоматически втягивается и не гнётся — вылет при обучении остаётся постоянным. Офлайн — траекторию строят по 3D-модели на компьютере, а в ячейке только проверяют и поправляют; сварка при этом не останавливается.

В обоих случаях программа хороша ровно настолько, насколько модель и кондуктор совпадают с реальностью. Поэтому первые узлы после программирования проверяют полностью: положение и размеры швов, катеты, дефекты формы — и только потом запускают партию.

Что может сделать конструктор

Роботизируемость узла закладывается на чертеже. Что помогает:

1. Доступ горелки. Сопло и горелка должны подойти к шву под нужным углом, не задевая стенок и прижимов. Глубокие узкие карманы и швы за рёбрами робот не сварит.
2. Однотипные соединения. Угловые и нахлёсточные швы с одинаковыми катетами и понятными кромками проще программировать и отслеживать. Типы соединений и обозначения — в статье «Сварные соединения и обозначение швов».
3. Самобазирование. Пазы, выступы и упоры в деталях, вырезанные на лазере, задают положение деталей друг относительно друга и упрощают кондуктор.
4. Базы на чертеже. Размеры, определяющие положение шва, задают от тех же баз, по которым деталь стоит в кондукторе, с реальными допусками.
5. Швы в нижнем положении. Если узел можно повернуть позиционером так, чтобы большинство швов оказались снизу, сварка будет быстрее и устойчивее.
6. Порядок и деформации. Длинные швы и швы, которые тянут узел, стоит обсудить с технологом заранее: последовательность сварки и прихватки определяют, где окажется следующий шов.
7. Чистые поверхности. Масло, краска и толстая окалина у шва мешают и поиску касанием, и сварке.