船舶管系焊接機器人應用

郭世祥

摘 要：介紹船舶管系焊接機器人系統及其應用，提高管系焊接效率和質量，減輕工人勞動強度，在保證船舶管系加工進度的同時，達到節能減排目的。

關鍵詞：高效焊接；機器人；船舶管系；節能減排；

中圖分類號：U671.8 文獻標識碼：A

1 概述

在造船殼、舾、涂管理日趨完善的前提下，提高船舶管系加工生產效率，縮短管系的焊接周期和確保焊接質量，是船舶企業急需解決的一個重要課題。

船舶管系被喻為船舶的“血管”，承擔著水、氣、動力燃料的供給，是確保船舶動力裝置、甲板設備、壓載系統、生活設施等設備正常運轉和安全航行的關鍵系統之一。如果聯接高溫、高壓設備的管系，焊縫出現裂紋等質量問題，將會造成船舶的災難性事故。

國內船企在管系加工中，一般是以CO2氣體保護手工焊為主，其生產效率和焊接質量均有待提高，而應用焊接機器人，可以起到縮短生產周期和提高焊接質量的作用。

2 管系焊接機器人應用現狀

焊接技術是造船的關鍵工藝技術之一，各船舶企業都在推廣應用焊接新技術、新工藝、新設備，其中焊接機器人得到特別的青睞。船舶管系焊接機器人，是指在直管-法蘭（套管）生產中使用的焊接機器人。

應用船舶管系焊接機器人時，必須考慮以下幾方面因素：

（1）管子的管徑、壁厚、管長等規格繁多；

（2）管子表面公差：橢圓度、壁厚、長度；管子與法蘭裝配間隙和定位偏差；

（3）作為管系生產流水線的組成部分，必須要有接收上道工序數據的通信功能；

（4）設備的穩定性、操作簡易性等。

3 管系焊接機器人系統的管徑范圍

船舶管系焊接機器人，可以用于不同管徑的直管-法蘭（套管）焊接。但受到夾緊系統的卡盤張合范圍的制約，最好分成小徑管、中徑管、大徑管等規格。其中，適用性最好的是中徑管焊接機器人。

文船的中徑管船舶管系焊接機器人，其焊接系統程序預設了5種管徑：Φ114、Φ140、Φ168、Φ219、Φ273 mm，管壁厚為：4.5～13 mm，共19種組合；管子長度在0.8～6 m的直管法蘭焊接和直管套管焊接。船企也可根據自己的管系生產實際情況，提出預設適合自己的具體規格組成需求。

4 管系焊接機器人系統的組成

焊接機器人系統采用兩端雙機器人結構、自動上下料、自動定位和夾緊、管子兩端同步焊接的全自動化生產方式。系統結構由焊接機器人系統、傳感系統、控制與通信系統、工件夾緊與定長系統構成。

焊接機器人系統主要包括：機器人、焊接電源、輔助裝置等。

機器人的選擇著重考慮穩定性、功能性、性價比等，還要考慮售后服務有保證、操作方便、中文示教界面等；

焊接電源是系統中的關鍵設備，由于采用管子兩端同步焊接，對電源的引弧成功率要求很高，要避免斷弧引起焊接質量問題，并配置相應的機器人專用焊槍；

輔助裝置包括：焊槍自動清理、噴油、剪絲系統。

機器人焊接對被焊工件的尺寸和裝配精度要求較高：（1）被焊工件的尺寸和裝配偏差造成的定位偏差應≤0.5 mm；（2）管子與法蘭（套管）的裝配間隙：壁厚5～8 mm，裝配間隙≤1 mm；壁厚8～13 mm，裝配間隙≤1.5 mm；（3）長度偏差：下料長度偏差≈±1 mm，裝配長度偏差≈±1 mm；（4）自動上料位置偏差≈±5 mm。

因此，焊接機器人系統必須要有焊縫起弧點的自動尋找和焊縫跟蹤傳感系統。可采用接觸式焊縫起始位置尋找傳感系統，通過焊絲與工件接觸方式讓機器人獲取焊縫偏差數據后，自行調整焊縫起弧點位置。焊縫跟蹤采用擺動式電弧跟蹤系統，通過采集焊縫電流電壓，機器人計算焊槍高度和對中的偏差，自行調整焊槍位置。

至于管子橢圓度、管徑偏差、管子與法蘭（套管）的裝配間隙和同心度等問題，只能通過加強上工序的質量控制，或采用法蘭較裝機裝配管子，來滿足機器人對管子裝配精度的要求。

焊接機器人系統的工況是：多種管徑、不同壁厚、不同管長的混流生產方式，控制系統既要滿足焊接過程的管理、控制、監視，又要滿足混流生產的協調、識別、通信等要求，對總控制系統的要求非常高，因此采用的是多級控制系統。第一級，用工控機作為主控計算機，接收上工序：管徑、壁厚、管長、法蘭（套管）規格、轉角等信息數據，經計算處理后，產生相關控制信息，傳給下一級；第二級，由邏輯控制模塊接收上級傳入的控制信息，完成定位、上下料和焊接過程控制，將控制信息轉換成相應控制代碼，控制伺服驅動系統完成小車定位和夾緊機構，同時將控制代碼傳送給機器人控制系統；第三級，機器人控制系統，自動選擇相應的運行程序，通過傳感系統自行完成焊縫檢測和跟蹤，由邏輯控制模塊發出引弧指令，同時控制伺服驅動系統旋轉管子，并控制焊接速度，協調控制完成焊接過程。

整個生產過程中，邏輯控制模塊負責故障監控、保護、協調和管理工作。多級控制系統的優點是充分發揮每級控制器的優勢，保證總控制系統的穩定和可靠。多級控制系統，如圖1所示。

為克服管子的橢圓、撓曲、裝配間隙等問題，采用自動卡盤和伺服電氣傳動方式。針對管長范圍0.8～ 6 m特點，采用基于控制信息的小車伺服定長系統，自動適應不同管長。

船舶管系焊接機器人已經在文船生產應用，見圖2根據焊接工藝的要求，對不同壁厚的管子，內角焊采用1-2層焊接，外角焊采用1-3層焊接，并按不同的焊角要求，采用不同的焊接工藝參數。

管件焊接所需數據、指令，從操作臺上的彩色觸摸液晶屏上可直接輸入。

船舶管系焊接機器人加工效率：該系統配備2名管銅工和1名焊工，年產管子20000根。按每人每月生產100根管子計算，相當于16名管銅工、焊工的工作量，并節省了大量的打磨工時。

節能減排效果和經濟效益分析：應用管系焊接機器人系統，管子焊縫成形好，不用打磨；減少了管子吊運次數，即節省了起重機吊運次數；同時節約了打磨機的能耗。

船舶管系焊接機器人系統，按年產管子20000根、人工成本7萬元/年計算，3個人做了16個人的活，可節省人工成本91萬元；同時節約起重機、打磨機的能耗，每年折算為3萬度電，可節省電費3萬元。

6 結語

船舶管系焊接機器人系統，實現了管子-法蘭（套管）自動化焊接生產，質量保證，焊縫美觀，生產效率高，節約大量的焊接工時和打磨等后續處理工時，產生較大的經濟效益。同時，減少了焊接中對焊工生產技能的依賴，只要有基本技能，憑借設備輔助，就能夠達到管系焊接的工藝、質量要求。另外，船舶管系焊接機器人系統，能夠為船企的節能減排作出貢獻。

參考文獻

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