针对大直径空心螺柱自动焊接需求,在机器人自动焊系统研究的基础上,提出了空心螺柱旋弧焊接方案,设计全新的旋弧自动焊枪,该焊枪包括步进电机单元、电磁式电弧螺柱焊枪主体、气爪单元、径向对称磁场单元和连杆机构,并根据焊枪特点设计了相应的机器人工作站,工作站包括空心螺柱焊枪、六轴工业机器人、柔性焊接平台、拉弧螺柱焊接用电源和旋弧磁场电源,以及相应的控制模块。该工作站可以实现空心螺柱的自动焊接,并提升定位精度、焊接效率和自动化程度。焊枪设计主要包括施加磁场使电弧发生旋转、利用步进电机自动控制螺柱焊拉弧高度、设计气爪夹头、并重新设计焊枪框架结构。焊枪稳定可靠,可以夹持12mm～60mm任意高度,外径在Φ12mm～Φ32mm任意直径的空心螺柱,可以控制拉弧高度在以0.5mm为单位,从0mm～5mm任意调节,径向对称磁场单元可以产生贯穿于螺柱端面的径向对称磁场,使焊接电弧发生旋转,进行旋弧焊接工艺试验。对焊接电弧施加磁场后,电弧形态变化复杂,利用COMSOL Multiphysics构建1:1比例模型,定义材料,模拟磁场在螺柱端面到母材之间的分布情况,并进行粒子、磁场耦合分析,得到不同焊接电流与磁场电流下粒子的运动轨迹,分析得到当旋弧半径大于螺柱半径2mm时可以获得较为优质的焊接接头,并设计了适应该模型的APP,方便进行其他型号螺柱的工艺模拟。通过对各个模块的控制需求分析,设计了利用机器人控制柜直接操控焊枪和焊接工艺的控制方案。其中利用西门子PLC,和EM253模块控制步进电机,NX100控制柜输出信号给PLC,以4位二进制数的形式,0.5mm为单位控制丝杠螺母移动距离,最终控制拉弧高度,同时NX100的输出端子排直接控制电磁阀、焊接电源和旋弧电源的开启与关闭,最终直接通过编写机器人程序完成整个焊接流程。对外径16mm,内径8mm的空心螺柱工艺实验研究,得到最优焊接参数为拉弧高度3mm、预压深度3mm、焊接电流800A、焊接时间为800ms和旋弧磁场电流0.7A,其接头抗剪强度可达到362Mpa,通过工艺对比发现,旋弧磁场应用基本解决了偏弧问题,旋弧磁场电流增加有助于电弧向外扩散的趋势。本研究的主要成果和创新点:在原有焊枪设计的基础上,应用旋弧原理设计了新型自动空心螺柱旋弧焊枪及其控制系统,通过工艺试验,基本解决了空心螺柱偏弧问题,得到焊缝成型美观和抗剪强度高的焊接接头,并根据焊枪结构对旋弧焊接原理进行有限元模拟分析,理清磁场对电弧的作用机理,为其他型号的螺柱工艺试验打下基础。