大型重工結構件焊接自動化生產

吳定勇 楊輝 李博 申俊琦 王志江 胡繩蓀

【摘 要】文中闡述了大型重工結構件焊接自動化生產的難點，并依據盾構機環體的焊接自動化改造，給出了該類產品自動化解決方案示例，并指出充分發揮機器人技術的優勢，不斷創新提高技術水平，大型重工結構件自動化生產水平必然逐步提高。

【關鍵詞】機器人;焊接自動化;非標件;重工

中圖分類號： TG409;TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0109-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.046

【Abstract】The difficulty in automatic welding manufacturing of large welded structure in heavy industry was discussed at the present work. Taking the automatic manufacturing upgrade for B ring of shield tunneling machine as an example， a proposal of automatic solution for the similar products were given. It is believed that the level of automation for large welded structure manufacturing in heavy industry will be promoted if robot technology could be taken full advantage and the corresponding technologies could be developed and improved.

【Key words】Robot; Welding automation; Non-standard product; Heavy industry

1 重型結構件的生產現狀

自德國、美國、日本等國家提出“再工業化”戰略以來，世界興起了第三次工業革命浪潮。面對全球制造業格局的深刻變革，中國提出“中國制造2025”，力求通過發展科技創新技術，優化產業結構，完成從制造業大國向制造業強國的升級改造。焊接技術作為重型構件生產制造過程中重要的連接技術，在其中發揮著重要的作用。然而，目前國內的許多制造廠家仍主要采用手工焊接，不僅勞動強度大，工作環境差，對焊工的身心造成嚴重考驗，而且焊接質量不高，效率低等問題比較突出，焊接穩定性和一致性難以得到保證。與傳統人工焊接相比，使用機器人實現重型結構件的焊接自動化可以大大提高焊接效率，優化焊縫質量，并改善勞動條件，機器人自動化焊接技術因其高效、穩定、柔性化等特點也將成為未來的一個主要發展方向。

2 重型結構件焊接自動化的難點

在實現重型結構件自動化焊接的過程當中，主要存在著以下幾個難點：

（1）由于重型構件的結構一般較大，且較為沉重，因此移動起來較為不便。

（2）實際焊接過程中尋縫較為困難。

（3）焊接機器人位置一旦固定，其工作空間就是確定的，不如人工靈活，可達性較差。

（4）由于重型構件的板厚較厚，需要進行多層多道焊來完成坡口填充，較大的填充量會帶來較大的熱輸入，容易產生焊接變形的問題。

（5）焊接過程中工件一旦發生變形，焊槍就會偏離理想的焊接軌跡，進而影響焊接效果，需要對焊槍位置進行糾正。手工焊接時焊工可通過實時觀察隨時調整焊槍位置，而機器人焊接時很難對焊接軌跡實時修正，焊縫跟蹤較為困難。

3 重型結構件焊接自動化問題的解決方法

為了更好的實現重型結構件的焊接自動化，下面將以盾構機環體的自動焊接為例對上述問題進行解決。

盾構機環體的位置一旦固定就很難移動，相對來說，焊接機器人的位置就比較容易發生改變，可將焊接機器人安裝到導軌式分體C型行走架上，通過移動焊接機器人來改變機器人和盾構機之間的相對位置（圖1），進而實現盾構機的焊接。

實際焊接時工件很難保證在同一位置，不可能每次工件位置發生變動都去重新示教機器人程序，因此，可采用機器人的接觸式尋縫功能來解決這一問題。以機器人接觸式傳感的方式，讓機器人自動尋找焊縫位置，找到焊縫位置后，通過PR位置寄存器的運算來設定機器人的程序。設定機器人在進行焊縫程序時，焊機給出一個直流電壓信號到焊絲端部，當焊絲與工件接觸時，瞬間產生電流反饋至焊機，此刻機器人自動存取當前機器人TCP點的位置。利用這個接觸式傳感的特性，可以方便的進行運算，從而精確地找出焊縫的起點位置。

與人工焊接相比，機器人的自動化焊接可達性較差，對此可采用更換焊槍的解決辦法，可分為以下兩種情況。一種是改變焊槍的角度，在某些條件下焊槍受結構限制會偏離坡口平分線的位置，此時可以更換角度較大的焊槍，在其他情況不變的情況下，焊槍角度較大時能夠使焊槍更加接近坡口角平分線位置。另一種是改變焊槍的長度，在焊接一些內部焊縫時，焊槍較短難以進入適合焊接的位置，加上焊槍后半部分體積較大，也會限制焊槍在工件內部的姿態，通過更換槍頸長度較長的焊槍可以減少焊槍造成的姿態限制。因此，可根據實際焊接時工件中焊縫所處的位置來選擇具有合適角度和長度的焊槍，從而在一定程度上解決可達性的問題。另外，在局部極限條件下，可輔以人工焊接。

與單道焊接相比，多層多道焊更容易出現焊接變形的問題。為此，進行焊接時應選用能量密度高、熱輸入較低的焊接方法，如熔化極氣體保護焊;另外，坡口角度和坡口間隙可適當減小，從而減少熔敷金屬的填充量;此外，針對盾構機環體的環縫焊接，可采用對稱焊接的方式，即兩臺機器人在環縫的兩端同時開始施焊，并同時結束，相當于每臺機器人行走了一個半圓的軌跡，并最終實現整個環縫的焊接，這種方式與一臺機器人的環縫焊接相比，可有效降低焊接變形;進行多層多道焊時，在滿足焊縫質量要求的條件下，可采用焊接電流較小、焊接速度較快的焊接參數，從而降低熱輸入。總的來說，以上幾種措施均可緩解焊接變形的問題。

在焊接變形得到一定緩解的基礎上，通過開發人機交互焊縫跟蹤系統實現焊槍位置的可調，從而保證焊接質量。為了實現開始焊接后機器人行走軌跡的調節，可以向機器人控制器的傳入模擬信號，模擬偏差信息，從而使機器人按照設定的偏差進行焊縫橫向和焊槍高度方向的調節，實現在焊接過程中改變焊接路徑的目的，最終實現多層多道焊的實時跟蹤糾偏控制。

4 結論

焊接自動化技術在重型結構件生產中的應用會越來越普遍，并且會不斷發展和進步。盡管在大型重工結構件的自動化生產方面存在大量的困難，但充分發揮機器人技術的優勢，不斷創新技術水平，其自動化水平必然逐步提高。通過實現自動化技術與機械生產制造的同步發展與更新，可推動工程機械生產制造領域的產業升級，促進生產質量與產品標準的優化。

【參考文獻】

[1]陳華斌，黃紅雨，林濤，等.機器人焊接智能化技術與研究現狀[J].電焊機，2013，43（4）：8-15.

[2]幸權，柴宗明.智能制造關系中國制造業發展[J].企業技術開發月刊，2011，30（14）：116.

[3]傅彩虹.基于自動化技術的機械制造革新途徑分析[J].南方農機，2017，48（18）：98.