轉(zhuǎn)向架空簧座板自動(dòng)化焊接工藝開發(fā)

樊亞斌，畢越寬，付 瑤，胡文浩

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架廠，河北 唐山 063035；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心，河北 唐山 063035）

轉(zhuǎn)向架空簧座板自動(dòng)化焊接工藝開發(fā)

樊亞斌1，畢越寬2，付 瑤2，胡文浩2

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架廠，河北 唐山 063035；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心，河北 唐山 063035）

以轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)中的直徑320mm空簧座板與側(cè)梁上蓋板周圈a4焊縫的自動(dòng)化焊接為例，從空簧座板使用機(jī)械手焊接過程中的難點(diǎn)入手，總結(jié)出自動(dòng)化焊接空簧座板等類似圓形焊縫時(shí)的4個(gè)難點(diǎn)：①焊槍6軸變化角度大，容易纏繞焊接電纜造成焊接過程中電弧不穩(wěn)；②工作步點(diǎn)難以分布均勻，按順序的步點(diǎn)添加方式無法達(dá)到理想效果；③焊接參數(shù)的選擇范圍較??；④焊縫接頭位置易產(chǎn)生焊接缺陷。通過選擇合理的起弧收弧位置、改進(jìn)工作步點(diǎn)添加方式、調(diào)整接頭位置的過焊距離以及選擇合理的焊接參數(shù)，提升該部位自動(dòng)化連續(xù)焊接的質(zhì)量，為其他圓形焊縫的自動(dòng)化焊接提供參考。

自動(dòng)化焊接；圓形焊縫；空簧座板

0 前言

空氣彈簧能夠保證車輛自適應(yīng)載荷，更好地隔離路面的沖擊、振動(dòng)和噪聲，提高舒適性?？栈勺迮c側(cè)梁上蓋板的連接焊縫為a4周圈角焊縫，如圖1所示，質(zhì)量等級(jí)為CPC1級(jí)，需要進(jìn)行100%磁粉探傷。由此可見，空氣彈簧座板需要很高的焊接質(zhì)量。在以往半自動(dòng)化焊接過程中，由于手工操作的不穩(wěn)定性，難免會(huì)出現(xiàn)單邊未熔合、未焊透、固體夾雜和裂紋等焊接缺陷，而這些焊接缺陷均會(huì)不同程度地降低焊接質(zhì)量，影響接頭性能，減少焊接構(gòu)架的使用壽命，甚至?xí)斐芍卮笫鹿?。此外，半自?dòng)化焊接時(shí)焊工操作水平參差不齊，焊縫成形不夠美觀，熔化金屬堆積較多，增加了后續(xù)修磨交驗(yàn)等工序的工作量，而且大量的打磨容易傷及母材并造成車間煙塵。同時(shí)，交驗(yàn)合格率低下，多次修磨、補(bǔ)焊、再修磨重復(fù)工作，無法保證產(chǎn)品質(zhì)量，在生產(chǎn)量較大的情況下難以滿足生產(chǎn)要求。

圖1 空氣彈簧座板與側(cè)梁上蓋板連接焊縫示意

1 焊接難點(diǎn)分析

轉(zhuǎn)向架空簧座板與側(cè)梁上蓋板連接焊縫的形式為a4角焊縫，要求一層一道，自動(dòng)化焊接完成。機(jī)械手焊接空氣彈簧座板有4個(gè)焊接難點(diǎn)，分析如下。

（1）難點(diǎn)1。機(jī)械手6軸變化角度大，纏繞焊接電纜造成電弧不穩(wěn)定。為了保證在焊接過程中焊槍的行走角和工作角始終保持一致，提高焊接過程穩(wěn)定性[1]，機(jī)械手的6軸需要進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。CLOOS機(jī)械手是6軸外置焊接電纜式機(jī)械手，即焊接電纜會(huì)隨著6軸角度變化而旋轉(zhuǎn)。但焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)焊接電纜纏繞機(jī)械手的情況，如圖2所示，導(dǎo)致出絲不穩(wěn)定的現(xiàn)象，從而造成電弧不穩(wěn)，產(chǎn)生焊接缺陷。

圖2 焊接電纜纏繞示意

（2）難點(diǎn)2：工作步點(diǎn)很難分布均勻。由于空簧座板的直徑為320 mm，所以在編程時(shí)至少加入9個(gè)工作步點(diǎn)才能保證焊接過程的穩(wěn)定性。但是如何將9個(gè)工作步均勻分布在圓環(huán)焊縫上，操作者肉眼觀察難免會(huì)因觀察角度受限造成視覺誤差。若工作步點(diǎn)分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致焊縫成形不美觀，乃至產(chǎn)生焊接缺陷。

（3）難點(diǎn)3。焊接電流參數(shù)的選擇范圍較小。空氣彈簧座與側(cè)梁上蓋板的邊緣距離只有10 mm，如圖3所示，對(duì)焊接參數(shù)的要求比較嚴(yán)格。電流參數(shù)過大會(huì)造成側(cè)梁縱向咬邊；若焊接參數(shù)較小，則會(huì)造成熔深不夠，焊腳大小達(dá)不到要求。

圖3 焊縫距板邊距離10 mm示意

（4）難點(diǎn)4。焊縫接頭位置易產(chǎn)生焊接缺陷[2]。焊接缺陷往往出現(xiàn)在焊縫的起弧、收弧接頭等位置，由于空氣彈簧座板的焊縫起弧收弧接頭在同一位置，所以焊接缺陷出現(xiàn)的幾率相當(dāng)高。

2 解決方案

2.1 焊接電纜纏繞問題

2.1.1 調(diào)整起弧位置

將機(jī)械手內(nèi)部1～6軸合理擺放至最佳位置，然后垂直下降外部的RS軸，使焊槍可以順利完成焊接。通過觀察機(jī)械手6軸在旋轉(zhuǎn)360°前后焊接電纜未過緊纏繞機(jī)械手的位置，確定此道焊縫的起弧位置。起弧和收弧位置示意如圖4所示，通過大量的模擬試焊，將此道焊縫的起弧位置定在空簧座板相對(duì)于構(gòu)架2點(diǎn)鐘的位置最為合適。

2.1.2 合理選取6軸的變化區(qū)間

機(jī)械手的6軸旋轉(zhuǎn)空間理論為-360°～360°。但由于焊接電纜為外置式，隨機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度特別大時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接電纜纏繞在機(jī)械手手臂上，造成出絲不暢，影響電弧的穩(wěn)定性。為了保證焊接過程中電弧的穩(wěn)定，焊接電纜必須時(shí)刻保證正常的伸展[3]。完成此道焊縫的焊接，機(jī)械手6軸需要變化約365°。通過大量的模擬試焊，決定將機(jī)械手6軸的變化區(qū)間確定在-180°～185°，確保焊接電纜的實(shí)時(shí)舒展，進(jìn)而保證焊接的穩(wěn)定性。

2.2 工作步點(diǎn)的加入方式

空簧座板直徑較大（320 mm），在編程中至少需要9個(gè)工作步點(diǎn)。以往的編程方法是將工作步點(diǎn)1～9逐一添加到程序中，如圖5所示，但視覺誤差和觀察位置的局限性會(huì)導(dǎo)致工作步點(diǎn)分布不均勻，從而產(chǎn)生焊接缺陷。通過反復(fù)研究采用新的選點(diǎn)方法，如圖6所示。改進(jìn)后工作步點(diǎn)是先選取4個(gè)特征點(diǎn)，4點(diǎn)即可確定一個(gè)圓，剩下的工作步點(diǎn)通過機(jī)械手模擬運(yùn)行來確定，利用機(jī)械手的插入命令將幾個(gè)工作步點(diǎn)添加到程序中，成功解決了工作步點(diǎn)分布不均勻的問題。

圖4 起弧和收弧位置示意

圖5 以往工作步點(diǎn)添加順序

圖6 改進(jìn)后工作步點(diǎn)添加順序

2.3 焊接工藝參數(shù)的匹配

空氣彈簧座板焊接設(shè)備采用CLOOS ROMAT 350焊接機(jī)械手，配合CLOOS電焊機(jī)。焊接工藝參數(shù)主要包括焊接速度、電流、電壓等[4]，焊接線能量一定的情況下，電流主要影響焊縫熔深，電流越大，熔深越大，越有利于焊縫的熔透，但是過大的電流會(huì)導(dǎo)致焊穿。電壓主要影響焊縫寬度及成形，電壓越高，焊縫寬度越大[5]。通過不斷嘗試新的焊接參數(shù)，得到參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

2.4 接頭位置的處理

2.4.1 調(diào)整接頭位置的過焊距離

過焊距離過小會(huì)產(chǎn)生焊縫接不上缺肉等缺陷，需要進(jìn)行補(bǔ)焊再打磨處理。過焊距離過大會(huì)出現(xiàn)過焊位置鐵水下墜，產(chǎn)生接頭位置焊縫厚度過大的缺陷。根據(jù)焊腳尺寸為a4，結(jié)合起弧位置的成型，最終確定此道焊縫的接頭位置過焊距離為8 mm。

2.4.2 改變過焊位置焊接參數(shù)

過焊位置的焊接參數(shù)過小會(huì)出現(xiàn)層間未熔合缺陷，需要返修處理；過大則同樣會(huì)出現(xiàn)鐵水下墜，造成焊縫厚度過大。結(jié)合過焊距離以及觀察焊后成形，指定收弧接頭過焊位置的焊接參數(shù)如表2所示。

表2 收弧接頭過焊位置的焊接參數(shù)

3 結(jié)論

（1）通過調(diào)整起弧位置和合理選取6軸的變化區(qū)間，解決焊接電纜焊接過程中由于旋轉(zhuǎn)角度大纏繞在機(jī)械手手臂上，造成出絲不暢，影響電弧的穩(wěn)定性的問題。

（2）采用新的工作步點(diǎn)編輯方式，并運(yùn)用機(jī)械手的插入功能，解決以往工作步點(diǎn)編輯方式容易出現(xiàn)視覺誤差和觀察位置的局限性導(dǎo)致出現(xiàn)工作步點(diǎn)分布不均勻的問題。

（3）選取合理的焊接參數(shù)為焊接出高質(zhì)量的焊縫提供保證。

（4）通過調(diào)整過焊距離和改變過焊位置焊接參數(shù)，減少焊縫接頭位置的焊接缺陷，保證焊接質(zhì)量。

[1]艾則孜托卡.二氧化碳大直徑管的焊接[J].城市建設(shè)理論研究，2015（12）：277-278.

[2]盧峰華，劉志平，劉春寧，等.高速列車鋁合金車體焊接檢測(cè)計(jì)劃的制定與實(shí)施[J].焊接技術(shù)，2009，38（3）：53-55.

[3]王慧.自動(dòng)控制和數(shù)控技術(shù)在焊接設(shè)備中的應(yīng)用[J].河南科技，2014（17）：128-129.

[4]王開龍.關(guān)于對(duì)化工設(shè)備焊接工藝規(guī)程的分析[J].民營科技，2013（12）：110.

[5]李晉梅，雷毅.用數(shù)值模擬方法研究焊接工藝參數(shù)對(duì)熔池幾何形狀的影響[J].電焊機(jī)，2008，38（5）：50-52.

Development of automatic welding technology for air spring bed plate on bogie

FAN Yabin1，BI Yuekuan2，F(xiàn)U Yao2，HU Wenhao2
（1.Bogie factory，CRRC Tangshan Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.Bogie Technical Center，CRRC Tangshan Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China）

Based on automatic welding of air spring bed plate with a diameter of 320 mm and a4 fillet welds that are circumferential on the side beam upper cover plate in the production of the bogie，starting with the difficulties in the welding process of air spring bed plate with manipulator，there are four difficulties in the automatic welding of air spring bed plate and similar circular welds are summarized and solved.These difficulties are:1.angle change of six-axis welding gun is too large to easily wind around the welding cables，which leads to instable arc in the welding process.2.It is hard for work step points to distribute uniformly，and it can not achieve ideal effect with the addition method of work step points in the order.3.Narrow select range of the welding parameters.4.Welding defects are easily generated in the position of weld joints.Through choosing reasonable position of arc strike and arc extinction，improving the addition method of work step points，adjusting the over weld distance of joint positions and selecting reasonable welding parameters，the automatic welding quality is improved and an reference is provided for automatic welding of other circular welds.

automatic welding；circular weld；air spring bed plate

TG409

A

1001-2303（2017）09-0098-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.21

本文參考文獻(xiàn)引用格式：樊亞斌，畢越寬，付瑤，等.轉(zhuǎn)向架空簧座板自動(dòng)化焊接工藝開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（09）：98-100.

2017-03-16；

2017-05-10

樊亞斌（1984—），男，高級(jí)技師，本科，主要從事轉(zhuǎn)向架機(jī)器人焊接編程的研究工作。E-mail：chouya 521@163.com。