文/王 真 孟 響

機(jī)器人焊接工作現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，目前我國(guó)重大煤機(jī)裝備水平顯著提高，自主創(chuàng)新能力大幅增強(qiáng)。但我國(guó)煤機(jī)裝備總體水平仍然較低，在設(shè)備能力、可靠性、使用壽命、技術(shù)先進(jìn)性等方面亟待進(jìn)一步提升。如何利用國(guó)內(nèi)外新技術(shù)、新工藝使高端煤機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能進(jìn)一步提高，對(duì)整個(gè)煤機(jī)制造行業(yè)來(lái)說(shuō)都具有重要意義。兗礦東華重工有限公司根據(jù)液壓支架工作原理及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)CAD輔助放樣及三維設(shè)計(jì)和理論強(qiáng)度計(jì)算，提出了“焊接工藝研究”“殘余應(yīng)力分析”和“油缸加工工藝研究”三種設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)途徑。實(shí)踐證明，此三種工藝改進(jìn)方式不僅保證了圖紙要求和產(chǎn)品的質(zhì)量性能，而且也較大幅度地提高了生產(chǎn)效率，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

一、焊接工藝的研究與應(yīng)用

1.機(jī)器人全方位焊接系統(tǒng)

針對(duì)液壓支架生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)件焊接存在焊接人員技能水平不足、流動(dòng)性大、勞動(dòng)環(huán)境差，焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定等問(wèn)題，兗礦東華重工有限公司通過(guò)研究適合液壓支架結(jié)構(gòu)件的機(jī)器人焊接工作站，并通過(guò)合理布置工藝布局，針對(duì)機(jī)器人焊接工藝深入研究，使機(jī)器人焊接應(yīng)用到液壓支架結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程中，達(dá)到機(jī)器人替代部分人工，并應(yīng)用機(jī)器人焊接工作站提高整體生產(chǎn)效率的目的。

研究智能化機(jī)器人全方位焊接系統(tǒng)，對(duì)液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，引進(jìn)合理的焊接專機(jī)，對(duì)頂梁的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定合理的焊接順序，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

引進(jìn)機(jī)器人焊接工作站，對(duì)PA、PB、PC、PF位置的焊接工藝和頂梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，調(diào)整優(yōu)化頂梁拼焊次序，由機(jī)器人主要焊接一次焊平焊縫和蓋板焊平焊縫，其余人工補(bǔ)焊，減少工件變位和工件的周轉(zhuǎn)，保證車間整體綜合生產(chǎn)效率。

以ZF12000支架頂梁一次焊接為例，平位置機(jī)器人焊絲量約108.2kg，側(cè)立焊接筋板立縫和貼板等焊絲量約32kg，一次焊接總焊絲量約144.2kg，機(jī)器人焊接焊絲量占比達(dá)到97%。

2.焊接預(yù)熱系統(tǒng)

研究焊接預(yù)熱系統(tǒng)和液壓支架的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造焊接預(yù)熱平臺(tái)，解決整體預(yù)熱帶來(lái)的生產(chǎn)效率低、成本高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)局部加熱。在焊接過(guò)程中，持續(xù)不斷地保證工件的預(yù)熱溫度，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

在焊接過(guò)程中用預(yù)熱平臺(tái)隨時(shí)對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，工件在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“一字流”，以5拼5焊的頂梁為例，在一次焊接過(guò)程中可減少周轉(zhuǎn)5次。

二、殘余應(yīng)力分析

兗礦東華重工有限公司采用殘余應(yīng)力分析儀對(duì)液壓支架在焊接、加工、熱處理等工序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)積累，得到殘余應(yīng)力分布，從而優(yōu)化焊接工藝，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

1.結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力分析

通過(guò)對(duì)Q460、Q550、Q690三種板材試件焊接后不同狀態(tài)下的殘余應(yīng)力測(cè)量，分析焊接、熱處理對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

測(cè)試位置為板材表面往下0.3～0.5mm，具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋼板焊接試樣殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可知，Q550和Q690板材消氫后焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)殘余應(yīng)力有所下降，表明焊后消氫處理有利于減小焊后的殘余應(yīng)力。

2.立柱導(dǎo)向套殘余應(yīng)力的研究與工藝優(yōu)化

由于導(dǎo)向套在切削加工時(shí)，加工表面在切削力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，表層金屬的比容增大，體積膨脹，但因受到與它相連的里層金屬的阻止，從而在表層產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。同時(shí)，裝夾力、切削熱也會(huì)引起殘余應(yīng)力。

針對(duì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的上述因素，主要從精車前的時(shí)效處理與減少裝夾變形方面進(jìn)行工藝優(yōu)化。為驗(yàn)證與改善工藝參數(shù)，采取對(duì)ZY20000/33.5/68D立柱大導(dǎo)向套（42CrMo）時(shí)效處理前和處理后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試位置為導(dǎo)向套表面往下0.3～0.5mm，具體測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)向套殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2可以看出，工件時(shí)效處理后，殘余應(yīng)力減小，證明人工時(shí)效處理能夠快速釋放或相互抵消零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，避免精加工后導(dǎo)向套存在應(yīng)力失衡進(jìn)而引起變形或報(bào)廢。

三、油缸加工工藝的研究與應(yīng)用

1.采用高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管

隨著支架向大工作阻力和高可靠性要求的提高，支架重量也不斷增加，如何在保證強(qiáng)度的前提下，減輕支架重量是支架設(shè)計(jì)中迫切需要解決的問(wèn)題。采用以S890為代表的高強(qiáng)度鋼材是最有效的途徑。

以S890為代表的高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管壁厚可以更薄，減輕結(jié)構(gòu)件的自重和體積，節(jié)省加工和安裝費(fèi)用，降低殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度鋼所不能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管具有高強(qiáng)度、卓越的韌性和抗脆性斷裂性能，并且具有很高的可焊性和優(yōu)良的加工成型性能。通過(guò)熱處理工藝研究可知，S890高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度可達(dá)890MPa，同時(shí)具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性。S890高強(qiáng)度鋼材力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 S890 高強(qiáng)度鋼材力學(xué)性能

2.油缸防腐工藝

油缸作為礦用綜采設(shè)備的主要執(zhí)行元件，使用過(guò)程中容易銹蝕，導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性差、壽命短。如何提高油缸的防腐能力，提升油缸的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命，是目前亟須解決的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的防腐工藝進(jìn)行研究，結(jié)合油缸的結(jié)構(gòu)形式和使用環(huán)境，在油缸外圓運(yùn)用激光熔覆工藝，內(nèi)壁運(yùn)用鍍銅、熔銅等工藝，達(dá)到提高油缸內(nèi)壁的防腐能力、穩(wěn)定其產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)使用壽命的目的。

外缸筒內(nèi)壁、中缸筒內(nèi)壁表面鍍銅錫合金，導(dǎo)向套采用表面鍍銅錫合金，鍍層厚度為0.04±0.005mm，內(nèi)部件采用表面鍍銅錫合金，鍍層厚度為0.025±0.005mm。

外圓鍍層區(qū)段有鍍鉻和激光熔覆兩種工藝，鍍層區(qū)段采用鍍鉻時(shí)，表面錫青銅打底，鍍層厚度為0.05～0.065mm，然后再鍍硬鉻，鍍層厚度不小于0.03mm，鍍層總厚度為0.08～0.10mm；鍍層區(qū)段采用激光熔覆時(shí)，熔覆層有效厚度≥0.5mm。

防腐工藝的成功運(yùn)用，提高了油缸的防腐能力，壽命由原來(lái)的1年延長(zhǎng)為3年。

3.油缸窄間隙焊接工藝

目前，公司液壓支架油缸的焊接采用氣體保護(hù)自動(dòng)焊接設(shè)備焊接，由于受焊槍結(jié)構(gòu)的限制，焊接坡口一般為40°～60°，單邊或雙邊V形坡口。隨著立柱缸徑的增大，這種大角度坡口焊接量明顯增大，以Φ500mm立柱中缸為例，坡口最小設(shè)計(jì)為40°，雙邊V形坡口，坡口深度達(dá)51mm，坡口頂面寬度達(dá)46mm。采用這種大角度坡口，一是焊絲、氣體消耗量大，產(chǎn)生的焊接工時(shí)高；二是焊接過(guò)程對(duì)焊縫輸入大量的焊接熱，在焊縫兩側(cè)形成大片區(qū)域的熱影響區(qū)，力學(xué)性能下降。

窄間隙MAG油缸自動(dòng)焊接工藝，主要是采用單邊、小坡口的形式降低焊絲、氣體消耗，減少因焊接過(guò)程對(duì)焊縫輸入大量的焊接熱，減少焊縫兩側(cè)形成大片區(qū)域的熱影響區(qū)，確保熱影響區(qū)域晶粒細(xì)小，抗沖擊以及抗疲勞性能顯著提高。此外，采用窄間隙焊接方法和工藝能夠提高焊接效率，減少焊材，降低成本，并能提高焊縫質(zhì)量。

優(yōu)化焊接參數(shù)，根據(jù)工藝特點(diǎn)、母材性質(zhì)、焊接位置、焊接熱輸入、焊接性能和焊接變形控制等進(jìn)行選擇，優(yōu)化焊接電流、焊接電壓、焊接速度；優(yōu)化焊絲彎曲度，在確保焊絲和母材有效熔合的前提下，使焊絲擺幅適應(yīng)坡口焊接收縮量的變化，焊接熱輸入控制在12kJ/cm以下，使缸筒焊接后徑向變形控制在0.05mm以內(nèi)，消除了大坡口焊接造成缸筒縮口嚴(yán)重的影響，消除了因應(yīng)焊接應(yīng)力縮口的珩磨工序，有效節(jié)約了成本，提高了效率。從使用一年的統(tǒng)計(jì)情況看，節(jié)約材料和返修成本70多萬(wàn)元。

4.油缸立裝工藝

對(duì)現(xiàn)有的油缸立式裝配設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。立柱在裝配時(shí)采用雙邊同時(shí)夾緊，同時(shí)旋緊和裝夾設(shè)計(jì)成一體，做到結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)用性強(qiáng)，使用普通的油泵即可完成各種力矩轉(zhuǎn)化，保證了中缸、活柱與外缸筒在裝配時(shí)的同心度，螺紋式導(dǎo)向套可避免因不同心而造成研傷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了人工成本。

裝缸機(jī)主要由操作系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、缸機(jī)主體（地上和地下部分）、配套及拆缸裝置組成。其工作原理是：采用泵站輸出的液壓油來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，帶動(dòng)導(dǎo)向套擰緊中缸體和活柱，擰緊過(guò)程中使用夾緊裝置固定外缸體，油缸裝配過(guò)程中全程采用立式操作，利用行程調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)節(jié)壓入距離。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，通過(guò)“焊接工藝研究”“殘余應(yīng)力分析”和“油缸加工工藝研究”三種設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)途徑，高端液壓支架制造工藝得到了進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)于改善員工的工作環(huán)境，促進(jìn)節(jié)能減排和降本增效，提升生產(chǎn)效率、產(chǎn)品性能和科技含量，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。