自动化焊接技术和装备提升钢桥制造水平

自动化焊接技术和装备提升钢桥制造水平

罗鑫

四川省钢构智造有限公司 眉山市 620032

摘要：进入21世纪以来，随着“中国制造2025”战略的提出，我国的工业技术体系正在逐步向智能化、自动化变革。作为国民经济支柱之一的钢铁产业是传统的高能耗、高污染重工业，提高钢铁企业技术效率是钢铁工业绿色转型的根本，本文主要对自动化焊接技术和装备提升钢桥制造水平进行论述。

关键词：自动化；焊接技术；钢桥

引言

近年来，随着钢结构焊接技术的进步，钢箱梁的整体焊接质量不断提高。桥梁建设速度的迅猛发展和自动化焊接技术的日益成熟，促进了钢箱梁制作方法的改进，焊接作为钢箱梁桥的主要连接方法，在拼装过程中如何对焊接变形进行控制及补偿，是保证钢箱梁整体几何尺寸精度的关键。

1自动化焊接技术概述

传统的钢箱梁总拼是劳动密集型产业，焊接作业主要以人工为主，生产效率低，受人工因素的影响，焊接质量稳定性较差。在深中通道项目钢箱梁总拼过程中，为提高自动化焊接水平，大量使用小型机器人、焊接跟踪器及埋弧焊等自动化设备施焊示。自动化设备的采用，提高了焊接质量的稳定性，降低了焊缝返修工作量，减小了钢箱梁的焊接变形。

2自动化焊接技术和装备提升钢桥制造水平

2.1可移动智能焊接机器人在箱型梁结构制造中的应用

大型复杂焊接结构件是重型装备中的关键核心构件，其高效可靠焊接成形是行业全球性的难题。受国外进口限制，我国对大型、复杂金属结构先进焊接技术与产品需求均十分强劲。箱型梁结构是一类极具代表性的复杂钢结构形式，广泛应用于物流运输、物料搬运、重型机械、海洋工程等领域大型装备的承力部件。中厚板焊接是其制造的关键技术，因其通常具有多品种、小批量等特点，迫切需要机器人自动化解决方案，以实现“提质”“降本”“增效”和“机器替人”。然而，一方面，由于箱型梁结构在制造过程中工序间周转多、组焊定位精度不易保证，加上工件焊接过程变形复杂时变，因此给产品质量一致性控制造成困难，传统的“示教-再现”型或“离线编程”型机器人难以实现其高效柔性化焊接制造；另一方面，尽管国内外诸多研究人员在新一代智能化焊接机器人关键技术研究方面做了大量有益尝试，但由于实际焊接生产中工况复杂恶劣（弧光、烟尘、飞溅等）且多工位协作的作业环境，因此增加了机器人外部感知与稳定作业的难度，尚缺乏可靠适用的机器人智能化解决方案。当前，诸多行业中此类构件的焊接生产仍严重依赖全手工操作或半自动化设备辅助方式进行高标准和高风险的劳动密集制造，生产效率已趋于极限，同时存在焊接质量稳定性差、废品率与返修率高、产品缺乏市场竞争力、能耗大等问题。而随着焊接结构大型化、复杂化发展，产品制造精度、质量性能要求的提升将对非智能化的焊接生产方式带来更严峻的挑战。可移动智能焊接机器人包括可移动机器人本体、主控系统、电弧跟踪传感子系统、激光视觉寻位导引子系统和焊接过程可视化监测子系统。整个制造过程的实施由主控系统全局控制，通过激光视觉寻位导引子系统在线获取箱型梁结构件待焊焊缝轨迹，实现空间焊缝轨迹在线识别、焊接初始点寻位、间断焊跳焊导引，结合电弧跟踪传感子系统与焊接机器人本体实现焊接过程中的实时纠偏，同时通过焊接过程可视化监测子系统进行熔池区域可视化监测与工艺参数实时同步采集存储。

2.29%Ni钢焊接技术

9%Ni钢焊接仍以传统的电弧焊接为主，手工电弧焊（SMAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）、钨极氩弧焊（GTAW）和埋弧焊（SAW）等工业中常用的焊接方法都能够用于该类型钢焊接。现阶段9%Ni钢储运容器现场的焊接方法主要是手工电弧焊和埋弧焊；随着对生产效率提升需求的不断增大，熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等易于实现自动化的焊接方法也正在逐步扩大应用。埋弧焊接多采用直径1.6mm以上的焊丝，焊接电流大于300A，熔覆效率最高；熔化极气体保护焊接多采用直径1.2mm的焊丝，焊接电流可达200A以上，也具有较高的熔覆效率；手工电弧焊和钨极氩弧焊的熔覆效率较低。根据实际产品无损探伤统计记录，埋弧焊接的合格率最高；手工电弧焊对焊工技能水平要求最高，这是因为高镍焊条的熔深较浅，金属流动性也相对较差，熔合线处容易形成铁素体焊缝金属，需要对焊工进行专项技能培训；熔化极气体保护焊接包括短路过渡和脉冲过渡两种形式，脉冲射流过渡工艺具有极好的适应性，兼具短路过渡工艺全位置焊接和射流过渡工艺高热输入、低焊接缺陷敏感性等优点，大大降低了焊接操作难度。

2.3板单元自动化组装和焊接技术

U肋板单元自动组装定位焊机床利用U肋上宽下窄的特点,将U肋板单元倒置,在机床上按照所需间距安装与U肋形状相匹配的定型卡具,用液压装置将U肋与面板压紧后进行定位焊。机床具有自动行走、自动定位、自动压紧的功能,采用具有电弧跟踪技术的焊接机器人进行定位焊,大幅提高了U肋板单元组装质量、定位焊质量和生产效率。机床还集成了组焊区自动打磨和粉尘收集的功能,将打磨产生的粉尘吸收储存,减小了粉尘对车间环境的污染,在我国对环保要求越来越高的今天其重要性愈加凸显。U肋板单元机器人焊接系统配置有行走悬臂,每个悬臂安装2个六轴机器人,悬臂下方配有反变形翻转胎架,焊接时将板单元固定在胎架上翻转成船位,可以用4个机械手同时对U肋角焊缝进行焊接。系统采用电弧跟踪技术,利用了气体保护焊电源的工作原理,在摆动过程中实时检测电流和电压的变化,判断焊接位置的偏移量,据此作出相应的调整,具有跟踪精度高,实时准确的优点。U肋板单元焊接机器人系统的应用显著提高了U肋角焊缝的焊接质量,焊缝外观与人工焊接的相比有了质的提高,焊缝熔透深度非常稳定,超声相控阵检测和产品试板检测合格率达到98%以上。疲劳试验结果显示,采用自动化设备焊接的U肋板单元抗疲劳性能比以往采用小车带着焊枪焊接的提高25%以上。

2.4全位置ＴＩＧ焊机

全位置ＴＩＧ焊机由焊接机头、ＰＬＣ控制系统及焊接电源、保护气系统、冷却水系统组成。对焊接机头的功能要求就是完成不同管材的定位夹紧、保证腔体的密封性及钨极的位置控制。焊接机头包括夹具体系统、齿轮传动系统。夹具体系统采用针对不同尺寸管材所设计的合金夹头及锁紧搭扣将管材对接固定，并由紧定螺钉调节松紧，同时使其成为一个密封腔体。封闭腔体以及管道内部充气可以很好的保护焊缝防止氧化，避免受到外界环境因素的影响。伺服电机、减速器、编码器组成伺服控制系统，固定在焊接机头尾部，通过齿轮传动系统将电机输出动力传动到齿圈，使固定在齿圈上的钨极随着齿圈的转动以工件为中心行走。

结语

总之，未来机器人焊接代替传统人工焊接成为大势所趋，焊接机器人的创新和应用大力推动了各领域焊接工业的发展，有效提高了焊接效率。相信在不久的将来，焊接机器人将朝着多元化、智能化方向发展，这对未来焊接工业的发展将起到重要推动作用，同时也将对其他领域智能机器人的发展产生深远的影响。

参考文献

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