孟令濤

摘要：針對大型鋼板在焊接過程中具有耗時長、背面焊接變位困難、焊縫質(zhì)量難以控制等問題，設(shè)計了一臺大型拼板專用焊接專機，并介紹了其設(shè)計思路、主要組成和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等。通過優(yōu)化現(xiàn)有的拼板焊接工藝流程和控制背面焊道成形，可實現(xiàn)良好的單面焊雙面成形。通過現(xiàn)場焊接試驗和企業(yè)應(yīng)用，驗證了該焊接專機的設(shè)計能夠滿足大型拼板焊接需求，提高焊接效率和焊縫質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接專機;雙面成形;大型鋼板

中圖分類號：TH122 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0049-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.10

0 前言

大型整體鋼板具有性能優(yōu)異、便于裝配等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于飛機、輪船、火車、集裝箱和其他大型設(shè)備的殼體及蒙皮等位置[1-3]。隨著需求量的增加以及大型整體鋼板整體加工困難等制造難點，其制造目前通常采用將多塊普通異型鋼板對接拼焊組成的方法[4]。

近年來，國內(nèi)科研院所大量引入焊接機器人以保障和提高焊接質(zhì)量[5-8]，投入資金大、操作培訓(xùn)難度高、配合設(shè)備復(fù)雜等，給企業(yè)帶來較大的負(fù)擔(dān)。特別是在集裝箱、鐵路車輛產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對固定且成批次的制造行業(yè)，焊接機器人仍需配合變位裝置進行施焊作業(yè)[9]。

由于對接鋼板體積大、焊縫長，機械手或工人在大批量、連續(xù)焊接過程中工作量大、效率低，且無法保證焊接質(zhì)量，經(jīng)常出現(xiàn)因焊縫某處質(zhì)量不合格而導(dǎo)致整體鋼板產(chǎn)品報廢或花大量時間返修的情況。但目前許多大型鋼板產(chǎn)品都是依靠焊接進行連接，因此產(chǎn)品的整體質(zhì)量直接取決于焊縫質(zhì)量，如何優(yōu)化焊縫成為大型整體鋼板生產(chǎn)的關(guān)鍵。

保證背側(cè)焊縫質(zhì)量的難點在于，熔池冷卻時應(yīng)正好處于熔透判定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如表1所示。當(dāng)焊接熔池溫度過低時，冷卻的熔融金屬未能流至焊縫背面，致使焊縫背面無熔融金屬連接，進而產(chǎn)生未熔透缺陷。反之，當(dāng)焊接熔池溫度過高時，冷卻的熔融金屬會全部淤集至焊縫背面，致使焊縫頂部連接處塌陷或焊縫底部產(chǎn)生焊瘤，進而破壞焊縫連接強度，產(chǎn)生過熔透缺陷。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于單面焊雙面成形的大型鋼板焊接專機，如圖1所示。該專機可一次性完成定位、預(yù)留焊縫、夾緊等操作，提高焊接工作效率，降低成本，更利于實現(xiàn)自動化[10]。

1 單面焊雙面成形焊接專機總體結(jié)構(gòu)

單面焊雙面成形焊接專機采用型鋼板材焊接而成。專機主要由上體組成、中體組成、下體組成、焊接走行車、對中器、琴鍵壓腳、背保7部分組成，其中對中器、琴鍵壓腳、背保分布在各體中，如圖2所示。

1.1 下體組成

下體由型鋼板材組焊而成，在下體平臺面的中間鑲嵌有紫銅條墊，用于散熱和通背部保護氣體，紫銅條墊中間加工一溝槽，控制背面焊道成形，并形成區(qū)域氣體保護（簡稱“背?！保?。

1.2 中體組成

中體由型鋼板材組焊而成與下體組成用螺栓連接，其內(nèi)安裝有琴鍵式壓腳用于壓緊焊板，另一側(cè)的中體組成（二）安裝有3組對中器。

1.3 上體組成

上體組成由方型鋼管和鋼板組焊而成，上體安裝直線導(dǎo)軌，焊接小車通過直線導(dǎo)軌及伺服電機驅(qū)動，沿水平方向（縱向）在梁上移動。上體與中體組成通過螺栓連接。

1.4 焊接走行車

焊接走行車由鋼板加工成型，走行車上裝載有垂向直線導(dǎo)軌，升降構(gòu)架由風(fēng)缸驅(qū)動，沿垂向直線導(dǎo)軌快速升降。升降構(gòu)架上安裝有微調(diào)電動滑塊，微調(diào)焊槍橫向和垂向與焊縫距離。在微調(diào)電動滑塊上裝有擺動器，設(shè)定焊槍擺動焊接。

2 焊接專機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 背保

單面焊雙面成形核心技術(shù)在于背部氣體保護和焊道成形控制及快速散熱。背保一直是雙面成形研究的優(yōu)化方向。目前，雙面焊機背墊普遍采用半圓成型槽和伏貼鋼管通水冷卻，以控制背面焊道成形。它有兩個缺點：一是焊接時背面無保護氣體，二是鋼管壓扁伏貼在背墊下熱交換率低，散熱能力差。國內(nèi)某焊接研究所提出了雙面焊機采用半圓成型槽內(nèi)鉆孔通保護氣的方式，解決了焊道背面無保護氣體的缺點，但同時也帶來鐵水涌入通氣孔的問題。當(dāng)溶滴下垂較大時焊道背面易出現(xiàn)焊瘤，嚴(yán)重時會粘連到孔內(nèi)。某焊接研究所背保示意如圖3所示。

本設(shè)計采用導(dǎo)熱性良好的純銅（紫銅）制成襯墊，在銅襯墊中對稱加工兩路通孔過循環(huán)水，由于水直接在銅襯墊內(nèi)流動使得熱交換率最大，可快速降低焊接熱量達到焊縫冷卻成形和連續(xù)焊接。在襯墊中間加工有方型溝槽，溝槽內(nèi)兩側(cè)均布鉆有小孔通保護氣體。溝槽深度控制背面焊道余高，邊孔通氣避開下垂溶滴托扶區(qū)域。由于紫銅平面加工極易扭曲，深孔加工也困難，導(dǎo)致冷卻襯墊無法制成長單根，需分段組合。本裝置采用骨架（骨架上有螺紋孔利于拔出）內(nèi)含耐高溫氟膠密封體，密封體兩端有薄石棉隔熱墊，分別插入分段接口處密封。有效解決了接口處于焊接高溫下密封件燙毀;水冷深孔加工不同心;可快速檢查和更換易耗密封體。水冷卻襯墊與接口密封如圖4所示。

2.2 對中器

對中與焊縫預(yù)留間隙機構(gòu)是拼板焊接專機自動化的體現(xiàn)，準(zhǔn)確、快速、可靠完成這一動作[13]對于專機焊接質(zhì)量和效率及穩(wěn)定性有著重要意義。由于焊板對中時會將專機上下部空間分隔開，因此對中器機構(gòu)布置困難。某廠家采用在專機下體布置升降和旋轉(zhuǎn)風(fēng)動機構(gòu)帶動對中頂頭，將一側(cè)焊板邊頂住定位。焊縫預(yù)留間隙機構(gòu)則采取直線導(dǎo)軌上移動小車安裝風(fēng)缸，風(fēng)缸活塞桿升降帶動間隙鋼板片插入焊縫，預(yù)留出間隙量。該方式的缺點：一是當(dāng)間隙尺寸不同時，下面定位頂頭與插縫鋼板片之間要有位置調(diào)整;二是鋼板片受到另一側(cè)焊板組對撞擊，長期撞擊會導(dǎo)致直線導(dǎo)軌和焊接車受損。

本案設(shè)計機構(gòu)采用升降風(fēng)缸底座與中體腹板焊接，滑板固定座與中體腹板螺栓連接，兩個風(fēng)缸安裝在中體腹板兩側(cè)，分別控制滑板升降和轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)臂端部，螺栓連接可換對縫頂頭，控制預(yù)留焊縫。當(dāng)兩側(cè)拼接焊板靠緊對縫頂頭后，升降滑板帶動轉(zhuǎn)臂垂直向上拔出對縫頂頭，轉(zhuǎn)臂風(fēng)缸帶動轉(zhuǎn)臂翻轉(zhuǎn)回位。對中器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 琴鍵式壓腳

目前施壓方式有氣囊和氣缸兩種。由于氣囊行程短，燙傷易損壞，多在小型專機上采用;氣缸施壓應(yīng)用較廣的有橫推轉(zhuǎn)臂式，即在L型轉(zhuǎn)臂直角處鉸軸連接，風(fēng)缸橫推L轉(zhuǎn)臂上端轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，L轉(zhuǎn)臂下端壓緊焊板。其缺點是：在壓緊過程中壓腳有滑移趨勢，焊板易串動或劃傷，且壓腳升降距離小，不適合波紋板拼接焊。

本設(shè)計采用在中體內(nèi)固定多組琴鍵式壓腳，腳底為黃銅材料。每組琴鍵式壓腳有兩個標(biāo)準(zhǔn)串聯(lián)雙向風(fēng)缸（雙倍輸出力），通過導(dǎo)向體導(dǎo)向，風(fēng)缸驅(qū)動壓臂垂向升降，壓臂通過軸銷與壓腳連接，對焊板施加壓緊力。琴鍵式壓緊方法可對焊板各處均勻施壓，避免鋼板焊接時產(chǎn)生波浪彎。壓臂垂向升降避免與焊板滑移，且壓腳抬高距離大。壓臂與壓腳軸銷連接可使壓腳對焊板獲得面接觸，而腳底黃銅材料易于導(dǎo)熱和防止飛濺粘接。琴鍵式壓腳結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4 焊接控制系統(tǒng)

焊接控制系統(tǒng)采用PLC控制電氣元件、氣動元件、行程開關(guān)、儲存單元等，配備有示教編程功能的觸摸屏式人機交互界面、數(shù)字化程序控制，可預(yù)置記憶8組以上參數(shù)。電動十字型微調(diào)節(jié)控制搖桿（上、下、左、右4個方向）在自動焊接過程中可以對焊槍進行實時點動微調(diào)，微調(diào)速度可自行設(shè)定，有效行程x=±50 mm，y=±50 mm，保證了焊道外觀成形?？刂葡到y(tǒng)分為手動和自動控制，可根據(jù)需要進行切換，專機技術(shù)主要參數(shù)如表2所示。

3 大型拼板焊接試驗過程

將兩塊焊板依次通過滾道輸送至專機兩側(cè)，兩側(cè)焊板分別向?qū)χ衅鱾鲃?，兩?cè)焊接邊被對中器阻擋，對齊并停止，同時預(yù)留出焊縫間隙。兩側(cè)琴鍵式壓腳分別下落壓緊焊板，對中器提升脫離壓緊焊板縫隙后翻轉(zhuǎn)回位。焊槍通過垂向快速升降機構(gòu)下落，焊接小車縱向勻速移動焊接，同時微調(diào)電動滑塊實時跟蹤焊縫，焊槍端安裝有擺動器控制焊槍擺幅。完成拼接后的焊槍，通過垂向快速升降機構(gòu)上升復(fù)原，焊接小車回移到焊接原點，準(zhǔn)備下一次焊接。現(xiàn)場焊接過程如圖7所示。

4 結(jié)論

大型拼板焊接專機通過結(jié)合單面焊雙面成形技術(shù)，重新設(shè)計背保裝置、對中器、琴鍵式壓緊夾具、耐高溫密封接頭等關(guān)鍵部件。實際焊接測試效果符合DL/T 868-2014《焊接工藝評定規(guī)程》要求[14]。在澳大利亞GWA和BMA公司、阿根廷糧食漏斗鐵路車輛的側(cè)墻板，以及各種集裝箱側(cè)墻板生產(chǎn)中的應(yīng)用均取得了良好效果，其成本低、質(zhì)量好、效率高，超過了昂貴復(fù)雜的機器人焊接，具有較好的推廣價值。

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