敞車下側(cè)門折頁自動焊工藝研究及應(yīng)用

曹東旭，王彥元，譚家梁

（中車株洲車輛有限公司，湖南 株洲 412003）

0 引言

鐵路貨車敞車主要用于裝運(yùn)煤炭、礦石、建材、機(jī)械設(shè)備、鋼材及木材等貨物。主要由底架、側(cè)墻、端墻、車門、車鉤緩沖裝置、制動裝置及轉(zhuǎn)向架等組成[1]。車體兩側(cè)的側(cè)墻上各設(shè)一對側(cè)開式側(cè)開門及6扇上翻式下側(cè)門，下側(cè)門由下側(cè)門板、折頁組焊而成，折頁上組焊下側(cè)門掛環(huán)。

敞車下側(cè)門折頁與下側(cè)門板之間可進(jìn)行自動焊的焊縫如圖1所示。下側(cè)門折頁材料為Q235-A鋼，下側(cè)門板材料為Q450NQR1，焊縫共有12條，其中4條為長焊縫，約686 mm，8 條為短焊縫，約50 mm。

圖1 下側(cè)門折頁自動焊焊縫示意圖

1 既有下側(cè)門折頁焊接生產(chǎn)線簡介

公司既有下側(cè)門折頁焊接生產(chǎn)線于2005 年10月投產(chǎn)使用，該生產(chǎn)線是為大量生產(chǎn)敞車下側(cè)門組成而專門設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線，生產(chǎn)線如圖2所示，下側(cè)門折頁采用專機(jī)自動焊，需要人工進(jìn)行焊接尋位、焊接起弧、焊接收弧和焊接過程的監(jiān)視調(diào)整。

圖2 既有下側(cè)門折頁焊接生產(chǎn)線

2 既有產(chǎn)線常見問題分析

2.1 下側(cè)門折頁自動焊焊縫不能全部實(shí)現(xiàn)自動焊

由于既有產(chǎn)線進(jìn)行下側(cè)門折頁焊接時(shí)需要人工進(jìn)行焊接起弧和收弧，并且下側(cè)門折頁自動焊焊縫中有8條較短，長度只有50 mm左右（圖1所示的M1、M2、M4），自動焊焊接質(zhì)量欠佳，只能實(shí)現(xiàn)圖1所示的4條長焊縫（M3）的自動化焊接，并且起弧和收弧時(shí)間難以控制，容易出現(xiàn)焊接不到位的情況，需要進(jìn)行人工找補(bǔ)，增加了員工勞動強(qiáng)度，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，焊縫成型質(zhì)量難以保證，焊后需要人工對焊接接頭進(jìn)行打磨處理，進(jìn)一步增加了員工勞動強(qiáng)度。

2.2 焊接氣孔

如果焊件上有油、水、銹或其他有機(jī)物未清理或清除不徹底，則可能產(chǎn)生氫氣孔[2]。下側(cè)門板來料有預(yù)涂底漆，以防止配件銹蝕，如果不對下側(cè)門板待焊接位置進(jìn)行打磨拋光處理，容易出現(xiàn)氣孔，需要在后工序進(jìn)行返工處理，影響焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍。通常在下側(cè)門折頁組裝前對下側(cè)門板需要組裝折頁的位置采用人工進(jìn)行打磨拋光處理，一方面增加了用工需求和員工勞動強(qiáng)度，另一方面打磨產(chǎn)生的粉塵也影響員工作業(yè)環(huán)境和身心健康。

2.3 焊縫收弧縮孔

收弧時(shí)滯后時(shí)間短，鐵液沒有將弧坑填滿，冷卻速度快導(dǎo)致坑處出現(xiàn)微小裂紋和氣孔或者縮孔[3]。因既有下側(cè)門折頁焊接生產(chǎn)線因焊接過程采用人工控制，收弧時(shí)不方便控制，下側(cè)門折頁與下側(cè)門板之間的焊縫在自動焊完成后容易出現(xiàn)收弧縮孔（如圖3），一旦出現(xiàn)收弧縮孔，需要后工序進(jìn)行返工處理，影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍，并且進(jìn)一步增大了員工勞動強(qiáng)度。

圖3 收弧縮孔

2.4 用工需求高，勞動強(qiáng)度大

通過前面幾項(xiàng)問題的描述，可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行下側(cè)門折頁焊接前需要人工對下側(cè)門板待焊接位置進(jìn)行打磨拋光處理，自動焊時(shí)需要采用人工進(jìn)行起弧、收弧的操作和焊接過程的跟蹤控制，每次焊接均需要2個(gè)電焊工進(jìn)行焊槍位置調(diào)整、起始點(diǎn)確認(rèn)、焊接過程跟蹤、結(jié)束確認(rèn)，自動焊焊接完成后需要進(jìn)行焊接盲區(qū)的找補(bǔ)、下側(cè)門折頁與下側(cè)門板短焊縫的焊接、焊接氣孔的返工處理、焊接接頭的打磨處理、焊縫收弧縮孔的返工處理等一系列的人工作業(yè)，用工需求高，勞動強(qiáng)度大。

3 主要改進(jìn)措施及實(shí)施成效

3.1 生產(chǎn)線節(jié)拍的確定

節(jié)拍是由客戶需求決定的。對于企業(yè)來說，客戶有兩個(gè)層面，一是外部客戶，二是內(nèi)部用戶（即下道工序）[4]。根據(jù)公司定位和戰(zhàn)略規(guī)劃需求，未來一段時(shí)間內(nèi)的下側(cè)門組成生產(chǎn)需求量為30 輛/日，按照流水線內(nèi)所有工位同時(shí)啟動工作、同時(shí)結(jié)束的原則設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍，節(jié)拍時(shí)間=每日工作時(shí)間÷每日客戶需求的量。

每日工作時(shí)間（包含異常、等待、輔助等時(shí)間）按每班7.5 h計(jì)算，合計(jì)450 min。根據(jù)公司敞車生產(chǎn)情況，下側(cè)門折頁焊接生產(chǎn)線按雙班進(jìn)行生產(chǎn)組織。

綜上所述，節(jié)拍=450÷（15×12）=2.5 min（30 min/輛，每輛車有12件下側(cè)門組成）。

3.2 焊接設(shè)備優(yōu)化

下側(cè)門折頁與下側(cè)門板之間焊縫為長直焊縫，并且焊縫焊接方向一致，結(jié)合下側(cè)門折頁與下側(cè)門板之間焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮投入與產(chǎn)出之間的對比，決定采用焊接專機(jī)配置合適的焊接跟蹤裝置完成此處焊縫的自動化焊接。

結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍2.5 min/件要求和焊接速度綜合考慮，下側(cè)門折頁與下側(cè)門板之間焊縫自動焊的作業(yè)時(shí)間需小于1.5 min，因此需要配置兩組焊接專機(jī)。焊接專機(jī)采用伺服電動機(jī)控制其行走動作，確?？赏ㄟ^程序控制焊槍在特定位置的焊接速度，焊槍行走平穩(wěn)精確，焊接速度無級可調(diào)，最大速度值不小于900 mm/min，并能在工件焊接結(jié)束后快速返回起始點(diǎn)。每組焊接專機(jī)配置兩把焊槍，對稱同步焊接，可同時(shí)完成4條焊縫的自動化焊接。并且能對焊槍位置和角度進(jìn)行調(diào)整，確保焊絲能對準(zhǔn)焊縫位置，確保焊接質(zhì)量符合要求。焊接電源采用麥格米特Artsen PM500F型焊機(jī)及水箱，配備4套賓采爾501D水冷焊槍，焊接參數(shù)如表1所示。送絲機(jī)構(gòu)送絲速度調(diào)節(jié)范圍大于0～20 m/min，送絲穩(wěn)定，送絲輪反壓力可調(diào)節(jié)，送絲機(jī)構(gòu)采用四輪送絲，同時(shí)滿足盤裝、桶裝焊絲的使用。

表1 下側(cè)門折頁自動焊焊接參數(shù)

3.3 焊接跟蹤方式優(yōu)化

下側(cè)門折頁與下側(cè)門板之間焊縫與下側(cè)門折頁邊緣保持一致，并且下側(cè)門折頁為鍛造件，邊緣一致性和直線度控制較好，并且折頁厚度為16 mm，綜合考慮投入與產(chǎn)出之間的對比，決定采用機(jī)械式導(dǎo)向輪跟蹤，通過夾緊氣缸控制，確保導(dǎo)向輪在焊接時(shí)始終與下側(cè)門折頁邊緣位置貼嚴(yán)。根據(jù)下側(cè)門折頁的外形帶動滑座使焊槍快速、精確地隨動，跟蹤精度可控制在1 mm（如圖4），滿足自動焊需求。

圖4 焊接跟蹤方式

3.4 下側(cè)門板預(yù)涂底漆打磨工藝優(yōu)化

為了減少預(yù)涂底漆對焊接質(zhì)量造成的影響，使焊縫成形良好美觀，并減少返工工作量，對下側(cè)門板與下側(cè)門折頁待焊接區(qū)域進(jìn)行打磨處理，為降低用工需求，決定采用自動打磨裝置代替人工打磨，為改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，對打磨工位加裝防護(hù)罩并在打磨頭位置配置吸塵器，減少打磨灰塵對附近作業(yè)人員的影響，防護(hù)罩加裝隔音設(shè)施，減少打磨噪聲對附近作業(yè)人員的影響，打磨裝置及打磨效果如圖5所示。

圖5 預(yù)涂底漆打磨方式及效果

3.5 焊接程序優(yōu)化

焊槍通過焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)與專機(jī)行走機(jī)構(gòu)連接，采用PLC程序控制，設(shè)置有機(jī)械原點(diǎn)，用于每次焊接時(shí)焊槍位置的自動校準(zhǔn)。配置焊接支撐定位裝置，用于下側(cè)門板的固定和定位，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上確保焊接工位機(jī)械原點(diǎn)與下側(cè)門板空間位置重復(fù)定位的一致性。通過伺服電動機(jī)控制專機(jī)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動，速度平穩(wěn)，通過對行走速度的控制和機(jī)械原點(diǎn)定位，確定每條焊縫的焊接起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，并在結(jié)束點(diǎn)位置原地停留一段時(shí)間，通過停留時(shí)間和焊機(jī)收弧設(shè)置，避免收弧縮孔的出現(xiàn)。專機(jī)工作步驟如下：下側(cè)門組成自動傳輸至自動焊工位，傳輸定位機(jī)構(gòu)伸出，下側(cè)門組成停止運(yùn)動；焊接支撐定位裝置上的升降機(jī)構(gòu)將下側(cè)門組成頂起至夾緊定位位置，自動固定后，焊縫跟蹤機(jī)構(gòu)的夾緊氣缸動作，使兩導(dǎo)向輪將下側(cè)門折頁從兩側(cè)夾緊，通過仿形運(yùn)動確保焊絲始終對準(zhǔn)焊縫位置；各動作都到位后，焊槍開始行走，行走到程序規(guī)定的位置開始焊接，伺服電動機(jī)減速機(jī)驅(qū)動專機(jī)行走機(jī)構(gòu)沿滑軌縱向行走或停留，并按程序設(shè)定起弧或收弧，直至焊縫結(jié)束；然后夾緊氣缸松開，導(dǎo)向輪離開折頁，專機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動返回機(jī)械原點(diǎn)，同時(shí)下側(cè)門組成下降至傳輸線上，行走定位氣缸下降，傳輸線自動將下側(cè)門組成傳輸至下一工位。如此，下側(cè)門折頁與下側(cè)門板的12條焊縫全部實(shí)現(xiàn)自動化焊接，焊接效果如圖6所示。

圖6 自動焊效果

3.6 焊接煙塵處理

焊接煙塵的產(chǎn)生是一個(gè)物理過程，在高溫電弧的作用下，金屬以及非金屬物質(zhì)被熔化產(chǎn)生高溫高壓蒸氣，蒸氣向周圍環(huán)境擴(kuò)散發(fā)生冷卻氧化，是一種氣體和固體的混合物，就是所謂的焊接煙塵。由于焊接煙塵的理化形狀不同，對人體所造成的危害也是多種多樣的。隨著國家關(guān)于環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)不斷普及，要求企業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也要減少對環(huán)境的污染和破壞，保證工人安全、健康地工作，全面向著人性化方向發(fā)展，企業(yè)承擔(dān)環(huán)境和社會責(zé)任[5]。為了改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，減輕焊接煙塵給操作工的健康危害，生產(chǎn)線配置了焊接煙塵處理裝置。通過統(tǒng)計(jì)分析，90%以上焊接集中在下側(cè)門折頁與下側(cè)門板自動焊位置，因此在焊接專機(jī)上方安裝頂吸式煙塵收集和處理裝置。焊接煙塵通過管道收集到處理系統(tǒng)，利用循環(huán)風(fēng)進(jìn)行處理（如圖7）。焊煙處理效果較理想，達(dá)到了預(yù)期目的。

圖7 焊接煙塵處理裝置

4 結(jié)語

通過上述改進(jìn)措施，下側(cè)門折頁與下側(cè)門板的12條焊縫全部實(shí)現(xiàn)自動化焊接，焊接氣孔出現(xiàn)頻率大幅度降低，焊縫收弧縮孔問題得到了解決，下側(cè)門組成產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效控制和提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了下側(cè)門組成的節(jié)拍化流水生產(chǎn)，生產(chǎn)效率得到了有效提高，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境得到了改善，生產(chǎn)線用工需求降低了22%。