机器人焊接：工艺、实际收益与适用场景

机器人焊接的增益并非来自不同的电弧。它来自于以相同的参数重复相同的焊缝，以及每小时让电弧保持开启更长的时间。这一特性也决定了项目要求：由于机器人重复执行轨迹，接头必须始终到达同一位置。

本指南介绍机器人执行哪些工艺、生产率的提升来源、工件需要满足的条件以及如何识别值得自动化的案例。机器人焊接与自动化焊接是同一主题。

什么是机器人焊接

这是指由6轴工业机器人引导焊枪或点焊钳沿编程轨迹运动，并保持恒定的前进速度、角度和电气参数的焊接过程。机器人与焊接电源、变位机及工件夹具集成工作，位于防护区域内。

完整系统即为机器人焊接单元，另有专门文章介绍。此处重点在于工艺流程及自动化决策。

机器人执行的工艺

ISO 4063为每种焊接工艺分配了参考编号。机器人焊接单元中使用的工艺如下：

工艺	ISO 4063 编号	机器人典型应用
实心焊丝 MAG 焊	135	碳钢和低合金钢：结构件、农机具、汽车零部件
实心焊丝 MIG 焊	131	铝及其他非铁合金
药芯焊丝 MAG 焊	136	对熔敷率或特定性能有要求的接头
TIG 焊	141	薄板及对表面质量有要求的不锈钢
电阻点焊	21	叠层板材，点焊钳安装在机器人手腕上

MIG 和 MAG 工艺非常适合自动化，因为焊丝连续送进且熔敷率高。在点焊中，焊钳安装在手腕上，通常需要高负载机器人。在弧焊中，工具较轻，关键在于重复精度和工作范围。

在 QJAR 产品线中，有三款专门用于电弧焊的型号，其工作半径从 1,410.5 mm 到 2,014 mm，重复定位精度为 ±0.03 mm 至 ±0.08 mm。它们之间的对比详见机器人焊接单元一文，而关于每个数值的解读，请参阅工业机器人指南。

增益来源

电弧开启时间

最能解释焊接生产率的指标是班次时间内电弧实际开启的比例。在手工焊接中，这一数值较低：据 The Fabricator 杂志的一篇报道，一家自动化焊接系统制造商的焊接工程师指出，电弧开启时间通常占总时间的 5% 到 20%，而在普通车间中则为 10% 到 15%。其余时间用于放置工件、变换位置、清理、测量和休息。

在全自动焊接中，Canadian Metalworking 引用了 80% 到 90% 的电弧开启率范围。采用人工上下料的单元低于这一上限，因为其依赖于换料时间，但差异的数量级大致如此。设置两个工位的布局正是为了让操作员在一台机器人焊接一个工件的同时装载另一个工件。

恒定参数

进给速度、喷嘴与工件之间的距离、焊枪角度和电流在整个班次期间保持不变。其结果是，第一件和最后一件焊缝具有相同的几何形状，从而减少了过量焊接、飞溅和返工。

可预测性

由于轨迹和参数固定，循环时间成为规划数据。工厂能够确切知道每个班次该单元交付多少零件，而手动焊接很少能达到同样的精度。

工件需要满足的条件

机器人以百分之一毫米的分散度重复轨迹：该系列焊接模型的重复精度为 ±0.03 mm 至 ±0.08 mm。如果接头位置偏差达到 2 mm，出错的不是机器人，而是工件。因此，项目评估始于焊接之前。

上游重复性。 切割、折弯和点固必须确保接头始终位于同一位置并具有相同的间隙。
可达性。 焊枪必须以正确的角度到达每条焊缝。有时对产品的微小改动即可释放整条焊缝的可操作性。
夹具。 夹具定义了工件的位置。它将制造公差转化为已知位置。
零件族。 相似的零件共享夹具、程序和变位机，从而摊薄投资成本。

存在用于定位接头并跟踪偏差的传感资源。它们扩大了可自动化的范围，但不能替代准备良好的工件。采用哪些资源属于设计决策，需视具体情况而定。

质量与资质认证

引入机器人焊接并不能免除焊接质量体系的要求。焊接工艺规程仍需进行规定和评定，焊缝仍需进行检查。变化在于需要获得资质的人员及其方式。

ISO 14732 规定了机械化及自动焊接中焊工和装配工的资质要求。
ISO 3834 定义了工厂内及现场熔焊的质量要求。
ISO 6947 统一了焊接位置标准。借助变位机，焊接单元可将接头调整至平焊位置（PA），这是最有利于堆焊的位置。

管理良好的焊接单元还能生成记录：每件的参数、报警信息和生产计数均可用于追溯。

健康与安全

2017年，国际癌症研究机构（IARC）将焊接烟尘列为对人类致癌物，归入第1类。该评估收录于该机构专论第118卷。机器人焊接单元使工人远离烟尘羽流和电弧辐射，但并未消除在焊接点进行收集和排风的必要性。

焊接单元也属于受NR-12监管的机器：需配备防护装置、联锁装置、紧急停止功能及相关文档。具体要求见文章NR-12在机器人焊接单元中的应用。

何时值得投资

有利信号	实施前需准备的事项
重复生产的零件或相似零件族	切割和折弯公差随批次波动
单个零件焊缝长度较长	焊枪无法触及的接头位置
两班或三班生产	夹具无法保证接头定位精度
焊工招聘与留任困难	产品设计频繁变更
因焊工差异导致的返工	团队中缺乏精通焊接参数的人员

右侧列出的问题并非放弃的理由，而是项目范围中需要解决的内容。许多可行的自动化单元往往始于对切割工艺的优化或新夹具的开发。

财务核算遵循与其他自动化单元相同的逻辑：将总投资与年净收益进行对比，其中班次数量是权重最大的变量之一。具体计算方法参见工业机器人成本分析。

如何启动

严谨的评估应基于零件数据，而非机器人产品目录：

零件及接头的图纸或3D模型；
材料及厚度；
单件总焊缝长度；
年产量及批量大小；
当前焊接时间及班次数量；
焊缝验收标准或规范。

凭借上述信息，机器人系统集成商能够判断该项目适用于简单工作站、变位机还是轨道系统，并确定合适的机器人型号。

常见问题

什么是机器人焊接？

这是一种由工业机器人沿预设轨迹以恒定速度和参数引导焊枪或夹钳的焊接方式。在受保护的单元内，焊接电源、变位机和夹具与机器人同步工作。

机器人能执行哪些焊接工艺？

机器人可执行碳钢、不锈钢和铝材的连续送丝电弧焊，如MIG和MAG（ISO 4063标准中的131和135工艺）。此外还能执行TIG焊（141）、电阻点焊（21）和激光焊（52），每种工艺均配备专用工具和电源。

机器人焊接会取代焊工吗？

它改变了职能分工。焊接单元仍需懂焊接的人员来设定参数、评估焊缝并修正轨迹。ISO 14732标准正是关于机械化及自动焊接操作人员和调整人员的资格认证。

多大的零件批量才值得采用机器人焊接单元？

不存在一个固定的数字。需要综合考虑每件产品的焊缝长度、班次数量、产品种类多样性以及换产时间。相似的产品族，即使是中等批量，通常也能使项目可行，因为它们可以共用夹具和程序。

为了进行机器人焊接，零件是否需要修改设计？

往往需要在细节上进行修改。机器人会重复执行轨迹，无法自动补偿位置偏差的接头。切割和折弯工序必须确保零件尺寸在公差范围内，且产品设计可能需要为焊枪预留足够的操作空间。

联系 BR Robotics

BR Robotics 在巴西集成 QJAR 焊接机器人，配备同品牌的焊接电源、变位机和导轨。请发送工件及产量数据：我们将回复推荐型号及单元布局。联系 BR Robotics 或查看机器人及外设产品线。