全位置焊接小車(chē)的研究與應(yīng)用

蔣驍驪, 許立新, 張 亮

(1.上海交通大學(xué)， 上海 200032； 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

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全位置焊接小車(chē)的研究與應(yīng)用

蔣驍驪1, 許立新2, 張 亮2

(1.上海交通大學(xué)， 上海 200032； 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

對(duì)高效船舶焊接技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合船舶制造企業(yè)的實(shí)際，在船舶制造過(guò)程中應(yīng)用新的焊接技術(shù)。采用全位置CO2焊自動(dòng)焊接小車(chē)部分替代CO2半自動(dòng)手工焊，研究成果極大地提高了船舶焊接效率，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

全位置焊接小車(chē);船舶焊接;效率

0 引言

隨著我國(guó)造船產(chǎn)能與船舶需求量的增大，目前傳統(tǒng)的焊接工藝流程已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求。只有不斷探索新技術(shù)、新工藝，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下不斷縮短船舶產(chǎn)品建造周期，提高質(zhì)量和性能，并降低制造成本。

目前，船舶行業(yè)面臨人員流動(dòng)量大、勞動(dòng)力相對(duì)不足的情況，尤其是CO2焊接中，I類(lèi)焊工僅能焊接平對(duì)接、平角焊，II類(lèi)焊工可焊接立、橫對(duì)接焊和角焊，僅III類(lèi)焊工可進(jìn)行全位置焊接。目前在造船企業(yè)中，現(xiàn)場(chǎng)I類(lèi)焊工人數(shù)遠(yuǎn)大于II類(lèi)、III類(lèi)焊工，故II類(lèi)、III類(lèi)焊工人數(shù)無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)燒焊需求。

全位置焊接小車(chē)是一種自動(dòng)化焊接設(shè)備，是目前針對(duì)中國(guó)船廠提高自動(dòng)化率最為有效的方法，但在船舶建造中尚未得到應(yīng)用。因此，考慮引進(jìn)全位置焊接小車(chē)，通過(guò)研究自動(dòng)化小車(chē)在應(yīng)用中的難點(diǎn)，并與CO2手工焊效率進(jìn)行對(duì)比，將其應(yīng)用于船舶焊接中，從而起到提高船舶焊接效率的作用。

1 全位置焊接小車(chē)的現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

全位置焊接小車(chē)使用優(yōu)勢(shì)：無(wú)需區(qū)分焊工類(lèi)別，只要經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)即可上崗操作；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接可解決熟練焊工資源匱乏、招工難的問(wèn)題；電弧燃燒穩(wěn)定，連接處成分均勻，焊縫成形好，接頭少，填充金屬熔敷率高；保證焊接工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性；可以實(shí)現(xiàn)某些特殊要求。其可廣泛應(yīng)用于船舶立角焊、平角焊及平對(duì)接焊等焊縫焊接中。相對(duì)于氣電垂直焊，該設(shè)備輕便、更易操作，但在船舶建造過(guò)程中尚未得到廣泛應(yīng)用。

1.1 全位置焊接小車(chē)簡(jiǎn)介

HCD500-6型全位置焊接小車(chē)多功能焊接機(jī)器(見(jiàn)圖1)，可廣泛應(yīng)用于平面對(duì)接焊縫、角接焊縫、曲面對(duì)接焊縫、曲面角接焊縫。它采用蓄電池或者電源適配器供電。焊槍夾頭可沿著焊接方向偏轉(zhuǎn)一定角度，以滿足各種位置的焊接要求。其擺動(dòng)器傳動(dòng)無(wú)間隙，保證了焊槍的精確擺動(dòng)。小車(chē)帶有磁吸附離合手柄，安裝調(diào)試方便，可配置軟軌道、硬軌道以滿足不同位置的焊接需求。

圖1 HCD500-6型全位置焊接小車(chē)

1.2 國(guó)外自動(dòng)焊接小車(chē)

進(jìn)口的自動(dòng)焊接小車(chē)針對(duì)性較強(qiáng)，主要按照焊接位置進(jìn)行分類(lèi)，無(wú)法達(dá)到全位置焊接要求。其具有輕便、靈活的優(yōu)勢(shì)，按焊接位置主要分為2種[1]：專(zhuān)用立角焊小車(chē)和軌道式立焊小車(chē)。

(1) 專(zhuān)用立角焊小車(chē)(見(jiàn)圖2)。焊槍夾頭為自動(dòng)感應(yīng)裝置，可通過(guò)焊槍起弧、收弧控制小車(chē)行走。擺動(dòng)器傳動(dòng)無(wú)間隙，保證焊槍擺動(dòng)的精確性。小車(chē)帶有磁性吸附離合手柄，安裝調(diào)試方便，且高性能強(qiáng)磁性進(jìn)一步增強(qiáng)了垂直焊接的可靠性。

圖2 專(zhuān)用立角焊小車(chē)

(2) 軌道式立焊小車(chē)(見(jiàn)圖3)。采用軟軌道導(dǎo)向，可實(shí)現(xiàn)曲面中角焊和對(duì)接焊。軟軌道可以彎曲，因此它可以按照鋼板的線性，密切貼合在鋼板上，引導(dǎo)焊接小車(chē)的方向。同時(shí)，軟軌道采用開(kāi)關(guān)磁鐵，便于拆卸安裝。軌道式立焊小車(chē)配有高精度的減速齒輪，使得焊接小車(chē)行走穩(wěn)定，可有效提高焊接質(zhì)量并延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

圖3 軌道式立焊小車(chē)

1.3 國(guó)產(chǎn)焊接小車(chē)

國(guó)產(chǎn)焊接小車(chē)以硬質(zhì)軌道為主(見(jiàn)圖4)，雖然可以達(dá)到多種位置復(fù)合焊接，但小車(chē)比較笨重。同時(shí)，它無(wú)法焊接帶有曲度的鋼板焊縫，很難做到全位置焊接。如果需要焊接較長(zhǎng)的焊縫，通常需要將硬質(zhì)軌道與硬質(zhì)軌道進(jìn)行連接。連接時(shí)，硬質(zhì)軌道的銜接處很難做到平滑過(guò)渡，小車(chē)經(jīng)過(guò)接頭處時(shí)容易停滯。

圖4 國(guó)產(chǎn)焊接小車(chē)

2 焊接工藝試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 采用設(shè)備及焊接材料

在全位置焊接小車(chē)正式投入應(yīng)用前，采用該設(shè)備進(jìn)行焊接工藝驗(yàn)證，焊接材料采用Supercored 71。

2.2 焊接參數(shù)

采用24 mm試板進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表1所示。

表1 焊接參數(shù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用24 mm試板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 焊接試驗(yàn)結(jié)果

3 應(yīng)用難點(diǎn)與對(duì)策

在此次應(yīng)用全位置焊接小車(chē)前，曾先后試用門(mén)架式自動(dòng)立焊小車(chē)和軌道式自動(dòng)立焊小車(chē)，掌握自動(dòng)小車(chē)應(yīng)用過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，為此次應(yīng)用、研究全位置焊接小車(chē)奠定了基礎(chǔ)。在應(yīng)用全位置焊接小車(chē)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)小車(chē)存在如下問(wèn)題：全位置焊接小車(chē)電源采用220 V電壓，存在安全隱患；常用電機(jī)壽命有限，易出現(xiàn)故障；現(xiàn)有焊接工藝無(wú)法滿足自動(dòng)焊要求。對(duì)于上述問(wèn)題，逐一采取措施，解決問(wèn)題。

3.1 全位置焊接小車(chē)電源的改進(jìn)

在全位置焊接小車(chē)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，國(guó)外焊接小車(chē)直接采用110～220 V電壓供電，在供電過(guò)程中，由于電壓過(guò)高，必須設(shè)置警戒線。即便如此，也無(wú)法100%確保焊接過(guò)程中施工人員的生命安全。如在220 V的基礎(chǔ)上增加變壓器，使電壓降到安全電壓24 V后，施工人員在提小車(chē)的施工過(guò)程中，還需拖拉電源線，極為不便。故該設(shè)備在電源方面，采用鋰電池作為供電裝置，簡(jiǎn)化電源配置及電源接線等眾多繁雜工作，使焊接小車(chē)能更好地服務(wù)于不同作業(yè)場(chǎng)合(見(jiàn)圖5)。

圖5 電源改進(jìn)

3.2 全位置焊接小車(chē)擺動(dòng)器的改進(jìn)

全位置焊接小車(chē)內(nèi)置的擺動(dòng)裝置電機(jī)為無(wú)刷電機(jī)[2]，其使用壽命為常規(guī)有刷電機(jī)的5～10倍。擺動(dòng)無(wú)刷電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)可直接作為焊接擺動(dòng)裝置的擺動(dòng)角度控制信號(hào)，不僅簡(jiǎn)化了外設(shè)位置傳感器，更有效杜絕了因多余外接設(shè)備導(dǎo)致的故障及壽命問(wèn)題。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)工藝的改進(jìn)

(1) 半自動(dòng)焊工藝無(wú)法完全滿足自動(dòng)焊需求的問(wèn)題。半自動(dòng)焊過(guò)程中采用焊條電弧焊定位，焊接過(guò)程僅需清除焊縫兩側(cè)50 mm內(nèi)的缺陷。對(duì)接焊縫“Π”型馬板定位在焊接面上，易導(dǎo)致自動(dòng)焊機(jī)使用不便，并且在使用過(guò)程中容易因馬腳而停滯不前，導(dǎo)致焊縫表面成形不良。在采用焊接小車(chē)施焊前，需要在鋼板上采用焊條進(jìn)行鋼板定位，發(fā)現(xiàn)在焊條電弧焊定位過(guò)程中，定位焊無(wú)法與CO2焊融合，導(dǎo)致焊縫表面凸起，成形不良。因此，對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)：① 對(duì)接焊縫,焊縫采用“Π”型馬板,并且要求馬板固定在非焊接面；② 焊道旁，在放置立焊焊機(jī)一側(cè)300 mm范圍內(nèi)，裝配馬腳必須磨平；③ 定位焊使用CO2點(diǎn)焊定位槍進(jìn)行定位。

(2) 裝配質(zhì)量不佳，不易使用焊接小車(chē)施焊的問(wèn)題。為保證現(xiàn)場(chǎng)坡口修割質(zhì)量，規(guī)定長(zhǎng)度大于2 m的板材必須采用全位置切割機(jī)切割坡口(見(jiàn)圖6)，避免手工切割。自動(dòng)割刀切割后，無(wú)鋸齒形坡口，不影響自動(dòng)立焊焊機(jī)的焊接質(zhì)量。

圖6 確保焊接坡口質(zhì)量

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖7 外板立對(duì)接焊成形

圖8 外板橫對(duì)接焊成形

在船舶建造過(guò)程中，采用全位置焊接小車(chē)完成分段上立角焊、立對(duì)接焊，外板對(duì)接焊等重要位置的焊接。焊后成形美觀，對(duì)接焊縫UT探傷合格率高于90%。各種焊接位置的焊縫成形情況如圖7和圖8所示。 全位置焊接小車(chē)有如下優(yōu)勢(shì)[3]：持久性強(qiáng)，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作；即便是在高溫環(huán)境下也可作業(yè)；自動(dòng)安全性高，有效減少焊工的高空作業(yè)量；焊縫成形美觀，焊后修補(bǔ)較少；焊接效率高，可實(shí)現(xiàn)一人操作多臺(tái)設(shè)備；可實(shí)現(xiàn)多位置焊接，如立角焊、立對(duì)接、橫對(duì)接等；無(wú)需區(qū)分焊工類(lèi)別，如Ⅰ類(lèi)焊工可焊Ⅱ類(lèi)焊縫；經(jīng)濟(jì)性較好，有效降低因焊縫問(wèn)題造成返工等不必要的材料、工時(shí)浪費(fèi)；焊接過(guò)程中質(zhì)量可控性佳，可顯著降低工人情緒、疲勞等不確定因素的影響。

5 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

全自動(dòng)焊和CO2半自動(dòng)焊的效率對(duì)比如表3所示。

由此可見(jiàn)，全位置焊接小車(chē)可大幅提高焊接生產(chǎn)效率。在相同的時(shí)間內(nèi)，焊接效率提高約25%，改變了原來(lái)裝配等電焊的格局。同時(shí)，其也能降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

表3 全自動(dòng)焊和CO2半自動(dòng)焊效果對(duì)比

6 總結(jié)

通過(guò)對(duì)全位置焊接小車(chē)進(jìn)行研究，改進(jìn)全位置焊接小車(chē)，使其可以應(yīng)用于船舶建造的各個(gè)位置。研究證明，使用全位置焊接小車(chē)可以提高焊接過(guò)程自動(dòng)化率，降低半自動(dòng)焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生的焊接缺陷，從而降低焊后返工、打磨工作量。全位置焊接小車(chē)的使用對(duì)于提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量、降低施工人員工作強(qiáng)度、提高焊接效率起到了效果。

[1] 張維官.焊接智能化促進(jìn)高效焊接——訪安川首鋼機(jī)器人有限公司總工程師兼技術(shù)中心主任曾孔庚[J]. 金屬加工：熱加工，2015，12：20-21.

[2] 貢俊，陸國(guó)材. 無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 微特電機(jī)，2000，5：15-19.

[3] 高興軍，鄧子龍. 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)專(zhuān)業(yè)建設(shè)的實(shí)踐與探索[J].價(jià)值工程，2012，9：208-209.

Research and Application on All-Position Welding Machine

JIANG Xiaoli1, XU Lixin2, ZHANG Liang2

(1.Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200032, China;2.Hudong Zhonghua Shipbuilding Group Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

High efficient welding technology is researched. According to the condition of the shipbuilding, a new technology of welding is applied on the ship welding. The new technology is that welding by all-position automatic FCAW welding machine instead of welding manually. The welding efficiency is greatly improved. The research is of the important engineering value for application.

all-position welding machine; ship welding; efficiency

蔣驍驪(1986-)，女，工程師，主要從事船舶建造生產(chǎn)管理與工藝研究

1000-3878(2017)02-0079-05

U671

A