蘇 娟,王 健
(1.南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司,江蘇南京 210033;2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng) 110016)
焊接生產(chǎn)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相關(guān),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,焊接過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化是機(jī)械制造企業(yè)焊接生產(chǎn)技術(shù)改造的主要方向。實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備機(jī)械化有利于提高焊接生產(chǎn)效率與焊接質(zhì)量,對(duì)我國(guó)制造裝備技術(shù)的發(fā)展起到重要推進(jìn)作用。本文主要從船舶企業(yè)角度出發(fā),介紹焊接機(jī)器人、埋弧自動(dòng)焊、攪拌摩擦焊等幾種常用機(jī)械化焊接設(shè)備。
焊接機(jī)器人是指從事焊接(包括切割與噴涂)的工業(yè)機(jī)器人。1962年,第1臺(tái)機(jī)器人在美國(guó)通用汽車(chē)廠投入使用。1980年,工業(yè)機(jī)器人在日本普及。至今,全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域[1]。焊接機(jī)器人包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、焊機(jī)系統(tǒng)及送絲單元、變位機(jī)、裝夾具等部件。典型的焊接機(jī)器人系統(tǒng)有3種形式:焊接機(jī)器人工作站、焊接機(jī)器人生產(chǎn)線、焊接專(zhuān)機(jī)(見(jiàn)圖1)。焊接機(jī)器人工作站一般適用于中、小批量生產(chǎn),被焊工件的焊縫可以短而多,形狀較復(fù)雜;焊接機(jī)器人生產(chǎn)線特別適合在產(chǎn)品品種多、每批數(shù)量又很少的情況下采用;焊接專(zhuān)機(jī)適用于批量大、改型慢的產(chǎn)品,對(duì)焊縫數(shù)量較少、焊縫較長(zhǎng)、形狀規(guī)則的工件也較為適用。
使用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè),一方面可以提高焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量,另一方面又可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和焊接技能要求。目前汽車(chē)生產(chǎn)線中汽車(chē)底盤(pán)、座椅骨架、導(dǎo)軌、消聲器以及液力變矩器已廣泛使用點(diǎn)焊機(jī)器人焊接,船舶領(lǐng)域中弧焊機(jī)器人則廣泛應(yīng)用在縱、橫構(gòu)件間各種角焊縫的焊接、船體外板對(duì)接焊縫的焊接以及管——管和管——法蘭的焊接。
圖1 弧焊機(jī)器人設(shè)備
焊接機(jī)器人的靈魂是機(jī)械手,機(jī)械手是指機(jī)器人直接用于抓取和握緊(吸附)專(zhuān)用工具(如噴槍、扳手、焊具、噴頭等)進(jìn)行操作的部件。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自如對(duì)于適用于各種位置的焊接尤為重要。它具有模仿人手動(dòng)作的功能,并安裝于機(jī)器人手臂的前端。機(jī)械手本體由基座、肩部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器所組成(見(jiàn)圖2)。機(jī)械手通常情況下分為五軸驅(qū)動(dòng)和六軸驅(qū)動(dòng),在六軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手中,6個(gè)自由度依次為:肩部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉(zhuǎn)、手腕俯仰和手腕回轉(zhuǎn)[2]。
機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確無(wú)誤對(duì)于焊接質(zhì)量尤為重要。通常情況下,造成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)誤差有3個(gè)方面:
圖2 機(jī)械手關(guān)節(jié)簡(jiǎn)圖
(1)裝配誤差。直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)的裝配誤差主要由3個(gè)直線模塊的垂直度和行走平行度決定。垂直度誤差會(huì)隨著各自由度上行程的變化而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)誤差的線性累積,故大行程的直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)須嚴(yán)格保證自由度間的垂直度精度。行走平行度主要由輔助導(dǎo)軌的行走精度控制,故其引起的結(jié)構(gòu)誤差可通過(guò)選用相應(yīng)精度的導(dǎo)軌來(lái)控制。
(2)機(jī)械傳動(dòng)誤差。直線運(yùn)動(dòng)模塊的傳動(dòng)誤差受限于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度、絲杠與螺母間的回程間隙和軸向剛度誤差等,其引起的結(jié)構(gòu)誤差可通過(guò)消除絲杠螺母間的回程間隙和選用相應(yīng)精度等級(jí)與軸徑的絲杠等來(lái)控制。
(3)剛度誤差。剛度誤差與機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)息息相關(guān),是引起機(jī)械手結(jié)構(gòu)誤差的重要因素。出于輕型化考慮,機(jī)械手一般采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu),但當(dāng)機(jī)械手負(fù)載較大時(shí),整機(jī)剛度下降較為嚴(yán)重。
埋弧自動(dòng)焊是指電弧在焊劑層下燃燒,用機(jī)械自動(dòng)引燃電弧并進(jìn)行控制,自動(dòng)完成焊絲的送進(jìn)和電弧移動(dòng)的一種電弧焊方法[3],廣泛用于船舶、壓力容器、機(jī)械制造領(lǐng)域的大厚板對(duì)接焊縫及筒體構(gòu)件的環(huán)焊縫。按照機(jī)械化程度,可以分為自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊2種(見(jiàn)圖3)。自動(dòng)焊焊絲送進(jìn)和電弧相對(duì)移動(dòng)都是自動(dòng)的,而半自動(dòng)焊僅焊絲送進(jìn)是自動(dòng)的,電弧移動(dòng)是手動(dòng)的。自動(dòng)埋弧焊機(jī)由機(jī)頭、控制箱、導(dǎo)軌(或支架)以及焊接電源組成。目前絕大多數(shù)已使用自動(dòng)埋弧焊設(shè)備。隨著近年來(lái)的埋弧自動(dòng)化的快速發(fā)展和大面積應(yīng)用,在埋弧自動(dòng)焊的基礎(chǔ)上又形成了雙絲埋弧焊接工藝、焊劑石棉襯墊單面焊FAB法工藝、熱固化焊劑襯墊單面焊RF法工藝、銅襯墊單面焊FCB法工藝、窄間隙埋弧焊接工藝等新型高效焊接技術(shù),使埋弧焊設(shè)備的機(jī)械化自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。
圖3 常用的埋弧自動(dòng)焊機(jī)形式
攪拌摩擦焊(FSW)是英國(guó)劍橋焊接研究所(TWI)于1991年10月發(fā)明的一項(xiàng)焊接新技術(shù)[4],其基本原理與“鉆木取火”相似,即利用摩擦產(chǎn)熱的原理進(jìn)行焊接。焊接過(guò)程中,攪拌頭插入工件中高速旋轉(zhuǎn),使接縫處金屬處于塑性軟化區(qū),旋轉(zhuǎn)探頭周?chē)乃苄攒浕瘏^(qū)金屬收到摩擦、攪拌、擠壓,并隨著攪拌探頭沿焊縫向后形成塑性金屬流,隨后在探頭離開(kāi)后的冷卻過(guò)程中,在受擠壓的條件下,形成固相焊接接頭。我國(guó)學(xué)者于20世紀(jì)90年代末開(kāi)始了對(duì)攪拌摩擦焊接技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究。早期蘭州理工大學(xué)利用銑床進(jìn)行改造,研發(fā)出相應(yīng)的攪拌摩擦焊機(jī)。2002年,TWI授權(quán)北京賽福斯特技術(shù)有限公司在中國(guó)進(jìn)行攪拌摩擦焊接設(shè)備的銷(xiāo)售和生產(chǎn)。截至目前,已在哈爾濱工業(yè)大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、紅陽(yáng)機(jī)械廠等多家單位投入使用,并開(kāi)發(fā)研制出C型、龍門(mén)式(見(jiàn)圖4)和懸臂式3個(gè)系列的攪拌摩擦焊機(jī)(包括工裝)。韓國(guó)大宇船廠等已采用此技術(shù)生產(chǎn)預(yù)成型結(jié)構(gòu)件,使船舶制造由零件的制造轉(zhuǎn)變?yōu)榇凹装逡詺んw的預(yù)成型結(jié)構(gòu)件的裝配。我國(guó)目前攪拌摩擦焊還處于實(shí)驗(yàn)室研究狀態(tài),僅在紅陽(yáng)機(jī)械廠等少數(shù)單位得到部分應(yīng)用,因此今后將攪拌摩擦焊用于船舶制造領(lǐng)域勢(shì)在必行。
圖4 龍門(mén)式攪拌摩擦焊焊接設(shè)備
焊接設(shè)備的機(jī)械化和自動(dòng)化反映了一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力和生產(chǎn)水平,采用機(jī)械化、自動(dòng)化焊接設(shè)備可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平,從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量,提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)械化、自動(dòng)化焊接裝備一次性投資成本大,研發(fā)周期長(zhǎng),科技含量較高,對(duì)于工人的科學(xué)文化要求較高,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益角度來(lái)說(shuō),會(huì)使我國(guó)船舶企業(yè)的生產(chǎn)能力有巨大的提升,生產(chǎn)成本會(huì)進(jìn)一步下降。
[1]王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[2]李雷陣,胡小建,王求.焊接機(jī)械手的設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真[J].現(xiàn)代焊接,2011(1):20-21.
[3]應(yīng)潮龍.實(shí)用高效焊接技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.
[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)—焊接方法及設(shè)備[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.