機器人自動化焊接在岸橋深窄大梁中的應用

■ 陳永剛，周 軍，黃建鵬，賈小磊

岸橋是公司生產(chǎn)的主要產(chǎn)品之一，年產(chǎn)量200多臺，體積較大，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分復雜。岸橋組成結(jié)構(gòu)主要包括前后大梁、立柱、聯(lián)系橫梁、上下橫梁等。前大梁構(gòu)件作為岸橋產(chǎn)品的關(guān)鍵組成部件之一，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，焊縫眾多和焊接位置多樣，大梁箱體空間狹小且比較深，制造難度大。由于岸橋大梁主要是承擔吊裝貨物，存在著結(jié)構(gòu)用力，所以產(chǎn)品內(nèi)部的焊縫質(zhì)量好壞直接決定著產(chǎn)品是否可以使用。因此，如何能夠既保證焊接質(zhì)量，又能降低制造難度和成本，已成為公司生產(chǎn)岸橋的首要目標。

本文通過對岸橋的深窄大梁內(nèi)部焊接的研究，確定了一套適用于大梁內(nèi)部進行機器人自動化焊接的一整套工藝方案，替代目前公司現(xiàn)有的人工焊接方法。這樣不僅可以提高整體生產(chǎn)效率，而且能夠?qū)F(xiàn)有的技術(shù)工人從惡劣的施工環(huán)境當中解脫出來。

圖1 大梁工件

1.大梁組成結(jié)構(gòu)

前大梁是上海振華重工股份有限公司生產(chǎn)岸橋的關(guān)鍵部件之一。大梁內(nèi)部包含隔板、腹板、翼板、T形鋼及加強筋等結(jié)構(gòu)件，這些結(jié)構(gòu)件進行裝配，最后通過焊接連接，形成類似于一個個箱體的格擋。大梁深度可以達到3m，內(nèi)部寬度最窄為0.75m，長度不等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。因此，要將大梁進行三面成形裝配，必須對結(jié)構(gòu)件的連接處進行焊接，每個格擋里面都有13條焊縫必須要焊接，大梁長度不一，格檔的數(shù)量不一，焊縫數(shù)量眾多，因此制造難度系數(shù)大。

2.機器人自動化焊接設(shè)備組成

機器人自動化焊接工作站是針對公司岸橋產(chǎn)品中的前大梁結(jié)構(gòu)特征研發(fā)出來的一套非標設(shè)備。本焊接工作站主要由機器人懸臂系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)等多個系統(tǒng)共同組成，如圖2所示。

機器人懸臂系統(tǒng)由移動底座行走機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置、立柱、懸臂、升降臂等機構(gòu)組成，懸臂系統(tǒng)可以覆蓋車間不同的兩個工位，并且可以使得機器人在大梁內(nèi)部所有的可焊接焊縫均可達。機器人采用日本生產(chǎn)的FANUC機器人，型號LR-Mate400iB，配置了弧焊傳感器和尋位功能，可以進行電弧跟蹤和焊縫起始點尋位，在工件裝配出現(xiàn)安裝誤差可以進行糾偏。軌道系統(tǒng)是依據(jù)公司產(chǎn)品的長度來設(shè)計，基本上可以覆蓋所有的大梁長度。焊接系統(tǒng)包括焊機、送絲機以及焊槍等設(shè)備，焊機采用德國生產(chǎn)的LORCH-S8，可以進行一元化焊接參數(shù)調(diào)節(jié)。機器人與焊機進行數(shù)據(jù)的傳遞采用了Devicenet現(xiàn)場總線，便于采集生產(chǎn)過程中的焊接電流和電壓實時狀態(tài)，為控制系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)提供依據(jù)。電器控制系統(tǒng)主要是控制功能，主要是對于周圍運行設(shè)備實時狀態(tài)進行跟蹤，并且對發(fā)生故障的情況發(fā)生報警。整個機器人焊接工作站實現(xiàn)一鍵式按鈕啟動，即實現(xiàn)一種無人化操作，也無須其他的人為干預。

圖2 機器人焊接工作站

3.大梁制造工藝以及焊接工藝

（1）大梁相關(guān)配套件的預制 機器人自動化焊接對工件的各個配套件組裝精度要求特別高，為了保證工件組裝精度，所有的工件均采用數(shù)控下料進行切割加工，其長度、寬度尺寸和直角誤差均控制在技術(shù)要求之內(nèi)，嚴格保證工件的拼裝精度。

（2）大梁相關(guān)配套件拼板安裝 各個配套件成形裝配流程如下：首先是底板吊裝，在將底板吊入胎架上定位，應進行充分校平工作，并在底板上標明所有的基準線、檢測線及裝配線。然后，裝配橫隔板，以橫隔板中心線定位，不允許以一側(cè)裝配線定位，裝配線僅做參照，裝配時調(diào)整隔板垂直度，定位焊固定，保證隔板開襠誤差 d≤0.2%D（D為圖樣要求的隔板開襠）；此外，為確保垂直度及施工安全，對于隔板厚度＞10mm或高度＞2200mm 或帶加強圈的任意板厚的隔板，裝配時調(diào)整隔板垂直度后需在兩邊搭制工藝斜撐，并定位焊固定（見圖3）。

圖3 大梁底板和隔板拼裝

圖4 大梁腹板拼裝

吊裝腹板：腹板應以腹板裝配線定位, 并且垂直于底板，不允許迎合橫隔板尺寸偏差而緊貼橫隔板，從而導致腹板平直度的裝配偏差，垂線控制在H/500，最大垂直偏差＜3mm，腹板與底板根部直線度≤2mm/2m，為保持形狀，可以在橫隔板中用卡馬定位（見圖4）。

三面成形裝配結(jié)束后，檢查整個大梁的垂直度、隔板的垂直度、底板與胎架的貼合度，檢測合格后，用工藝卡板將底板與胎架固定，防止焊接時大梁扭曲變形。

（3）大梁機器人自動焊接工藝 為了減少岸橋大梁整體的焊接變形量，采用了兩臺機器人同時焊接，并且由中間向兩頭進行焊接，進而可以達到降低整體焊接變形量。單臺機器人進行單個格擋焊接，由于隔板的每條焊縫的焊接都會產(chǎn)生熱影響，進而會影響整個大梁的變形，因此研究單個格擋的焊接順序也是重要的研究內(nèi)容。為了確保大梁單個格擋焊接變形最小化，采用的焊接順序遵循對稱焊接，焊縫順序如圖5所示。通過以上焊縫順序，在一定程度上降低了整個格擋的整體變形量。

圖5 大梁格擋焊縫焊接順序

4.大梁模擬段測試驗證

通過以上分析，對岸橋大梁進行了模擬段自動化焊接測試驗證，并對模擬段焊接進行了工藝評定，包括焊縫的金相試驗、硬度試驗和RT測試，如圖6所示。

（1）大梁焊縫外觀 通過觀察大梁內(nèi)部各個焊縫位置的焊縫外觀，立焊縫的外觀成形良好，無任何缺陷，外觀呈現(xiàn)魚鱗狀，焊腳大小合適，符合標準要求。仰立焊和平焊縫的外觀成形和立焊縫的一樣，都是良好，無任何缺陷。垂直于焊接方向截取試樣，首先，將試樣使用砂紙打磨，將焊縫橫平面磨平，成光亮狀態(tài)，然后進行拋光。其次，使用10%硝酸酒精溶液進行腐蝕，并采用RT對焊縫組織進行了磁粉檢測。

（2）焊縫組織硬度試驗結(jié)果 本次使用的設(shè)備為HV-10A維氏硬度計，在10kg負載下測定，總共測試了32個點，測試位置在熔合線10mm處，如圖7所示，硬度值如附表所示。通過硬度測試，熱影響區(qū)硬度值最高，達到277HV10，焊縫區(qū)硬度值達到260.5 HV10，母材區(qū)的硬度值為215 HV10。通過測量焊縫組織整個區(qū)域的硬度值，結(jié)果符合技術(shù)規(guī)范要求。

圖6 模擬段焊接

焊縫硬度值

5.結(jié)語

本文通過對岸橋大梁采用弧焊機器人焊接，從自動化裝備、焊接工裝以及焊接工藝分析和研究，確定了一套完整的機器人自動化焊接工作站的方案。通過建立機器人焊接工作站，進行大梁模擬段驗證，并且對焊后的工件進行RT測試，以及截取了部分區(qū)域做硬度力學測試。大梁焊縫外觀成形良好，無任何咬邊等缺陷，并且通過了RT測試，均合格。首先試件焊縫橫截面區(qū)域硬度值呈現(xiàn)熱影響區(qū)最大，其次是焊縫區(qū)，最后是母材區(qū)，硬度值符合技術(shù)規(guī)范要求。目前，弧焊機器人焊接工作站已經(jīng)在公司大梁生產(chǎn)中投入運行，大大地促進了公司自動化裝備的升級，進而提高了公司整體的生產(chǎn)效率。

圖7 硬度測試位置