不銹鋼萃取槽拼板自動(dòng)焊接裝備及工藝研究

摘要： 基于地軌C型架、六軸工業(yè)機(jī)器人、柔性控制系統(tǒng)和自適應(yīng)焊接系統(tǒng)研制不銹鋼萃取槽拼板自動(dòng)焊接裝備；同時(shí)結(jié)合萃取槽各位置受力、變形控制分析以及焊縫外觀(guān)檢測(cè)的要求，開(kāi)發(fā)06Cr19Ni10基板和Q235框架的斷續(xù)焊、連續(xù)焊焊接工藝；基于2D線(xiàn)激光對(duì)焊縫信息的自動(dòng)讀取開(kāi)發(fā)自適應(yīng)焊接技術(shù)，解決非標(biāo)工件板材不均和組對(duì)間隙不均等問(wèn)題，全套焊接裝備的研制和配套焊接工藝的開(kāi)發(fā)，大幅度提高萃取槽拼板的焊接效率和質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)自動(dòng)化水平的提升具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼萃取槽；焊接裝備；拼焊；自適應(yīng)焊接；斷續(xù)焊

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 432

Research on automatic welding equipment and technology of stainless steel extraction tank plate

LIU Wei1，HE Wen1，CHEN Tianxi2，LI Kaiping2

（1.China Energy Railway Equipment Co.，Ltd.，Inner Mongolia branch，Ordos，017000 Inner Mongolia， China;

2.ZHUZHOU CRRC TIMES ELECTRIC CO.， LTD.，Hunan，412000 Zhuzhou，China）

Abstract： The automatic welding equipment of stainless steel extraction groove is developed based on the ground rail C-frame， six-axis industrial robot， flexible control system and adaptive welding system. At the same time， according to the requirements of stress， deformation control analysis and weld appearance inspection， the intermittent welding and continuous welding processes of 06Cr19Ni10 substrate and Q235 frame were developed. Based on the automatic reading of weld information by 2D line laser， the development of adaptive welding technology can solve the problem of uneven plate and uneven gap between non-standard workpieces. The development of a full set of welding equipment and the development of supporting welding process can greatly improve the welding efficiency and quality of extraction tank plates， which is of great significance to promote the improvement of the automation level of traditional manufacturing industry.

Key words： stainless steel extraction tank; welding equipment; weld; adaptive welding; intermittent welding

0 前言

鈷酸鋰是最早應(yīng)用于商業(yè)化鋰離子電池的正極材料，是目前最成熟可靠的正極材料體系，基膜是鋰電池中用于隔離正負(fù)極材料的隔膜［1］，是鋰離子電池的關(guān)鍵組件，通過(guò)對(duì)基膜的萃取保證其具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，因此萃取工藝和容器的穩(wěn)定也是保證基膜理化性能的關(guān)鍵措施之一。萃取鋰電池基膜的萃取液為二氯甲苯溶液，該萃取液帶有極強(qiáng)的腐蝕性，萃取槽容器的內(nèi)部基板選擇06Cr19Ni10不銹鋼，為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外部采用Q235低碳鋼方管作為支撐框架，二者拼焊而成。萃取槽分為側(cè)板、端板和底板，焊縫類(lèi)型繁多，焊接量極大，傳統(tǒng)的不銹鋼萃取槽拼焊均是由人工進(jìn)行組對(duì)和焊接，焊接效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定。莫林斯公司于1967年首次提出柔性化裝備制造概念，以工業(yè)機(jī)器人為代表的柔性生產(chǎn)制造單元成為裝備制造領(lǐng)域的核心技術(shù)［2］。為了適應(yīng)智能化焊接裝備發(fā)展趨勢(shì)，提高萃取槽焊接質(zhì)量和效率，降低人力成本，結(jié)合工廠(chǎng)生產(chǎn)節(jié)拍研制萃取槽機(jī)器人自動(dòng)焊接裝備具有重要意義，并針對(duì)性開(kāi)發(fā)基于2D激光數(shù)據(jù)讀取的自適應(yīng)焊接技術(shù)［3-4］，用以保證方管R角尺寸誤差以及組對(duì)間隙變化，穩(wěn)定焊縫成形，提升承載性能。

1 焊接裝備研制

不銹鋼萃取槽實(shí)物如圖1所示。不銹鋼萃取槽拼板自動(dòng)焊接裝備基于六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)為核心，配合2D線(xiàn)激光測(cè)量系統(tǒng)、防碰撞傳感器、熔池監(jiān)測(cè)攝像頭、自適應(yīng)焊接系統(tǒng)和地軌式C型架等構(gòu)建成套焊接裝備。

基于萃取槽焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)萃取槽所有焊縫位置，增加焊接機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此采用地軌方式，并在地軌上安裝有2套C型架結(jié)構(gòu)，機(jī)器人倒裝在C型架懸臂的前端［5］，機(jī)器人可以沿懸臂進(jìn)行橫向（Y向）運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人懸臂及立柱組成的C型架可以沿縱向地軌（X向）移動(dòng)。外部軸與機(jī)器人本體進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，滿(mǎn)足槽體板的焊接要求。2套焊接機(jī)器人使用同一縱向地軌，能夠有效的放大機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行程，同時(shí)每臺(tái)機(jī)器人都能在XY二個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)均采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，可以在0.5～10 m/min之間無(wú)級(jí)調(diào)速。并保證有效行程能滿(mǎn)足在兩個(gè)組焊平臺(tái)的焊接。機(jī)器人控制柜及與之相配套的焊接電源、冷卻水箱等均安放在行走滑臺(tái)上?；诤附幼冃慰刂?，設(shè)計(jì)壓緊龍門(mén)和組焊平臺(tái)夾具進(jìn)行工件焊接變形干預(yù)，壓緊龍門(mén)采用U字型布局，設(shè)立單獨(dú)運(yùn)行軌道，壓緊氣缸安裝在龍門(mén)懸梁上，壓緊氣缸的位置可調(diào)，便于不同型號(hào)槽體的側(cè)板、端板和底板點(diǎn)裝時(shí)的壓緊。組焊平臺(tái)上設(shè)有拼板時(shí)所用的定位塊，定位塊位置可根據(jù)不同型號(hào)板材進(jìn)行調(diào)整，平臺(tái)上裝有T型槽，用于壓板等夾具的人工安裝和調(diào)整，不銹鋼萃取槽拼板自動(dòng)焊接裝備如圖2所示。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

不銹鋼萃取槽自動(dòng)化焊接裝備封承載的主要技術(shù)指標(biāo)為工件最大尺寸：8 000 mm×4 000 mm×500 mm；承載工件最大重量為5 t；激光跟蹤精度為±0.15 mm；機(jī)器人柔性控制響應(yīng)速度為50 ms；自適應(yīng)焊接識(shí)別判斷準(zhǔn)確率為≥92％；關(guān)鍵焊接參數(shù)檢測(cè)精度為≤3％。

1.3 焊接工藝流程

利用吊裝設(shè)備在組裝平臺(tái)上進(jìn)行拼板上料——通過(guò)組裝平臺(tái)上的定位擋塊進(jìn)行定位——人工裝夾——壓緊龍門(mén)將拼板壓緊，人工點(diǎn)固——機(jī)器人利用橫移滑軌移動(dòng)進(jìn)行拼板焊接，利用高度跟蹤傳感器對(duì)焊縫高度進(jìn)行調(diào)節(jié)——焊后機(jī)器人移走天車(chē)將工件吊到地面（整形、打磨和激光劃線(xiàn)）——吊車(chē)將整形后的拼板放到組裝平臺(tái)，利用組裝平臺(tái)上的推靠氣缸將拼板定位，吊車(chē)將外部筋板、框架、頂絲塊等零件吊到拼板上進(jìn)行人工組對(duì)，壓緊龍門(mén)進(jìn)行零部件的壓緊，隨后人工點(diǎn)固——機(jī)器人進(jìn)行2D線(xiàn)激光尋位確定焊縫位置，進(jìn)行雙機(jī)器人同時(shí)同向斷續(xù)焊接——隔離防弧光屏升起——人工在另一個(gè)組焊平臺(tái)上進(jìn)行組對(duì)——機(jī)器人地軌平移到另一側(cè)進(jìn)行焊接——天車(chē)將工件翻面進(jìn)行反面法蘭盤(pán)等附件的焊接。

2 焊接工藝開(kāi)發(fā)

2.1 焊縫統(tǒng)計(jì)分析

以2209-1型萃取槽槽體焊縫為例，側(cè)板尺寸為6 592×2 984 mm；端板尺寸為3 290 mm×2 984 mm；底板尺寸長(zhǎng)×寬為6 202 mm×3 236 mm；其中包含圓角焊縫、直角焊縫以及槽口的不銹鋼滿(mǎn)焊等。側(cè)板豎直方向小拉筋55根，其中5根帶有φ245的圓孔，側(cè)板小拉筋總計(jì)焊縫長(zhǎng)度達(dá)231 000 mm；橫向拉筋4根對(duì)稱(chēng)焊，側(cè)板橫向拉筋焊接長(zhǎng)度達(dá)49 300 mm。端板豎直方向小拉筋24根，總焊接量為25 040 mm，橫向拉筋總焊接量為38 040 mm；底板豎直拉筋58 248 mm，橫向拉筋49 616 mm?？傮w焊接量巨大，為了最大程度減小焊接變形，綜合考慮受力情況，將框架結(jié)構(gòu)不銹鋼和碳鋼焊接接頭設(shè)計(jì)為斷續(xù)焊縫，但是同時(shí)為了保證槽口和法蘭口位置承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，將其設(shè)計(jì)成滿(mǎn)焊焊縫。

2.2 自適應(yīng)焊接方法

為了能夠適應(yīng)非標(biāo)Q235碳鋼方管R角誤差和組裝精度差，如圖3所示，滿(mǎn)足斷續(xù)焊接快速編程，斷續(xù)焊縫長(zhǎng)度均勻，填充飽滿(mǎn)的工藝要求，開(kāi)發(fā)一種基于線(xiàn)激光識(shí)別的自適應(yīng)焊接方法，解決非標(biāo)工件板材不均和組對(duì)間隙大等問(wèn)題，大幅度提高焊接質(zhì)量，其技術(shù)原理如圖4所示。

基于工件特點(diǎn)與所有可能出現(xiàn)的形式，建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。首先分析基于工件特點(diǎn)分析常見(jiàn)的可能出現(xiàn)的問(wèn)題，如組對(duì)間隙不均勻、R角尺寸隨機(jī)變化等問(wèn)題，針對(duì)工況、材質(zhì)、受力和R角尺寸隨機(jī)變化情況進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)，形成wps文件并上載至控制系統(tǒng)。

焊接開(kāi)始時(shí)，首先使用線(xiàn)激光傳感器搜索焊縫起始位置，并獲取其坡口角度及坡口根部間隙，并將起始點(diǎn)終點(diǎn)位置數(shù)據(jù)、坡口角度數(shù)據(jù)及根部間隙等數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。實(shí)時(shí)判斷焊接間隙變化、R角尺寸變化、焊接變形量變化實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中各項(xiàng)參數(shù)。到達(dá)自適應(yīng)焊接的效果。

2.3 萃取槽焊接工藝

不銹鋼鋼板液態(tài)熔池流動(dòng)性比較差，因此需要用氧化性氣氛，常見(jiàn)的為98%Ar+2％O2或純CO2，試驗(yàn)種焊材選用的為ER308不銹鋼藥芯焊絲，因此配套為純CO2為焊接保護(hù)氣能夠最大程度保證焊接質(zhì)量、控制成本。為了控制焊接變形，焊接工藝為斷續(xù)焊工藝，由于焊縫為非接觸面，因此要求焊角尺寸越小越好。

焊接工藝實(shí)際為06Cr19Ni10不銹鋼和Q235低碳鋼進(jìn)行異種鋼焊接，低碳鋼和奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)、線(xiàn)脹系數(shù)和化學(xué)成分有較大的差異，所以焊接接頭的成分和性能的變化很復(fù)雜［6］，由于焊縫稀釋的作用下，焊縫中的奧氏體形成元素降低從而出現(xiàn)馬氏體組織，導(dǎo)致焊縫脆性加劇容易出現(xiàn)裂紋，熔合區(qū)容易產(chǎn)生脆性層，雖然用小電流、高電壓、快速焊的方法能夠緩解上述問(wèn)題，但是萃取槽碳鋼框架提前噴好油漆，導(dǎo)致小電流下不容易起弧，并且油漆導(dǎo)致氣孔傾向嚴(yán)重，因此需要適當(dāng)增加電流，減小焊速，適當(dāng)延長(zhǎng)液態(tài)熔池停留時(shí)間，減小氣孔。此外在生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，焊槍角度對(duì)氣孔趨勢(shì)影響明顯，需要適當(dāng)優(yōu)化焊槍角度，避免大角度拖焊的情況。開(kāi)發(fā)的焊接工藝如表1所示，底板直角焊縫焊縫成形見(jiàn)圖5，法蘭盤(pán)滿(mǎn)焊縫成形見(jiàn)圖6。

2.4 不可焊焊縫分布示意圖

由于產(chǎn)品的既定結(jié)構(gòu)和機(jī)器人焊槍尺寸導(dǎo)致工件部分位置焊槍位置不可達(dá)，需要人工進(jìn)行補(bǔ)焊，如圖7所示對(duì)應(yīng)的槽體型號(hào)為例，標(biāo)記出因焊槍位置不可達(dá)導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法完成自動(dòng)焊接的具體位置。無(wú)法用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊的最根本原因有兩個(gè)：一是組對(duì)精度差，導(dǎo)致焊縫間隙過(guò)大；二是空間狹小，焊槍位置不可達(dá)。因此在設(shè)定機(jī)器人自動(dòng)焊接工藝時(shí)將其排除，預(yù)留手工補(bǔ)焊。

3 結(jié)論

不銹鋼萃取槽拼板自動(dòng)焊接裝備主要用于批量進(jìn)行萃取槽側(cè)板、端板以及底板組件的組裝焊接作業(yè)，涵蓋拼板焊接作業(yè)功能，并開(kāi)發(fā)不同位置和不同焊縫類(lèi)型的焊接工藝。通過(guò)構(gòu)建雙工位協(xié)同作業(yè)焊接模式，基于六軸工業(yè)機(jī)器人為核心，配套機(jī)器人柔性控制技術(shù)、自適應(yīng)焊接數(shù)據(jù)庫(kù)、激光跟蹤等自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多型號(hào)萃取槽不銹鋼端板、底板、側(cè)板以及出口液封槽自動(dòng)化焊接作業(yè)，極大程度上解決了萃取槽人工焊接作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量差的問(wèn)題。

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收稿日期： 2024-05-29

劉偉簡(jiǎn)介： 主要從事貨車(chē)高效檢修與焊接裝備研制工作。