面向船舶企業(yè)的常用焊接機(jī)械化設(shè)備分析

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）

0 引言

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。

1 焊接機(jī)器人

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

1.1 機(jī)械手自由度

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］。

1.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)誤差

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。

2 埋弧自動(dòng)焊

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

3 攪拌摩擦焊

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

4 結(jié)語(yǔ)

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.