焊接工藝模塊箱的設備配置與應用

［摘 要］文章介紹了焊接作業自動化生產技術，闡述了該技術系統的構成和應用流程。與傳統焊接作業相比，該技術效率高、污染少，質量有保證，適用于現場流動式工廠化焊接，能夠獲得良好的社會及經濟效益。

［關鍵詞］焊接工藝模塊；自動化；流動式

［中圖分類號］TG44 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0036–03

目前，建筑機電工程焊接作業具有工作量大、作業環境復雜、焊接質量要求越來越高的特點，傳統焊接作業由于效率低、污染大，已不能滿足現代機電安裝工程的需求。而傳感器和數控系統等先進技術取代了手動監控和操作，實現了焊接自動化，無需手動控制電桿，其網絡化、高標準、組合化的特點已成為焊接作業的發展趨勢。采用焊接工藝模塊箱來實現流動式工廠化焊接，既能夠提高現場焊接質量及效率，又緊貼施工現場。在已應用的項目實踐中，取得了良好的效益。受廣州市機電安裝有限公司“移動式建筑機電數字化預制加工場項目建設與應用示范”課題資助，對該焊接工藝模塊箱的設置與應用進行實踐及分析。

1 焊接工藝模塊箱的設備配置

焊接工藝模塊箱集物料輸送系統、云平臺數據處理系統及自動焊接系統于一體。其中，自動焊接系統是該模塊箱最主要的核心技術實現端，通過物料輸送及數據處理，對焊接位置、焊接電壓、送絲速度等焊接參數的確定，進行工件+ 工件、支管+ 工件、支吊架等對接焊縫的自動打底、填充蓋面工作。

焊接工藝模塊箱主要包括弧焊機器人1 套、焊接電源1 套、智能雙軸變位機1 套、機器人底座1 套、系統集成控制柜1 套、物流輸送車1 臺、組對機1 臺及云平臺數據處理端等。

1.1 物料輸送系統

通過物流輸送小車將已進行切割、坡口加工等前置工序的管道運至模塊箱輸送帶，并通過組對機進行校準對正。焊接工藝模塊箱平面布置如圖1 所示。

1.2 云平臺數據處理系統

焊接機械臂中央控制器有儲存功能，可記錄日常焊接工作數據，建立焊接工藝數據庫。焊接工藝工作數據包括但不限于：機械臂行程路線記錄、施焊電壓大小記錄、施焊電流強度記錄、施焊速度記錄、焊頭線能量記錄。中央控制器可根據焊接行程特征快速識別施焊構件，從數據庫中調用對應的焊接參數進行施焊，實現快速精準施焊，保持穩定的焊接質量。同時焊接機械臂中央控制器設有網絡接口，可即時上傳工作數據。技術人員可以此建立焊接工藝指導書云端庫，或者以生產記錄數據作為核算備料、工程核算等工作的參考。

同時每個工件都貼有獨立二維碼，可供數據讀取及錄入。通過掃描二維碼可詳細了解每個工件加工尺寸及精度、坡口處理要求及焊接工藝要求，同時也有對工件處于某一工藝階段狀態的展示。

1.3 自動焊接系統

使用1 套焊接機器人工作站，工作站包含弧焊機器人、焊接電源、智能雙軸變位機、機器人底座及系統集成控制柜。采用變位機增加焊接旋轉自由度，弧形機器人為該技術的關鍵設備，由數字化軟件控制，送絲機馬達為編碼測速反饋。

2 焊接工藝模塊箱的應用

2.1 工件基礎資料及工件工藝要求

2.1.1 對被焊工件的要求

（1）工件誤差：精度誤差、位置誤差、焊縫間隙誤差。

（2）工件焊縫10 mm 半徑內不能有油污、水汽及氧化皮，剔除影響焊接質量的環境因素。

（3）工件上不得有漆面流掛和毛刺等缺陷，否則定位不準。

（4）工件的尺寸偏差不能超過1 mm。

（5）不同工件在夾具定位后焊縫位置度重復定位偏差不超過1 mm。

2.1.2 工作環境要求

焊接工藝模塊箱四周搭設可靠封閉的防風沙圍欄，以確保焊接工作環境干凈整潔，對空氣溫濕度也有相應要求，溫度要求5～45℃，濕度要求90%以下。

2.1.3 焊接工藝內容

（1）焊接方式：人工定焊組對、人工示教，機器人滿焊。

（2）焊接方法：熔化極惰性氣體保護焊（MIG 焊）/ 熔化極活性氣體保護焊（MAG 焊）。

（3）保護氣體：80%Ar+20%CO2。

（4）焊絲直徑：1.0/1.2 mm。

（5）焊絲形式：盤/ 桶裝。

（6）焊接的可達率：機器人焊槍可達范圍，不可達區域由人工補焊。

（7）工件裝卸方式：人工裝配。

（8）物流方式：人工、物流傳輸帶。

2.2 工藝應用

2.2.1 自動焊接系統組成

自動焊接系統由機器人控制柜、焊接機械手臂、焊接電源及智能雙軸變位器組成。控制柜為系統控制器，主要用于系統各部件的聯動控制、焊接程序的控制及焊接主要參數的設定、調整和顯示。在必須時刻，可拓展故障診斷和人為介入等控制功能。自動焊接系統組成如圖2 所示 。

2.2.2 焊接工藝模塊箱操作流程

由物流小車把工件輸送到組對機進行校準對正固定，然后吊裝放置在頭尾架變位機上，通過變位機上的工裝快速定位，壓緊→啟動機器人→弧焊機器人按示校器進行尋位焊接路徑→起弧焊接→依次焊接各條焊縫→工件焊接完畢→人工吊裝卸下工件，進行下一循環，以此類推。

2.2.3 關鍵設備智能雙軸變位機的主要參數及配置

為了便于焊縫達到最佳的焊接位置，本模塊箱配備了用庫卡外部軸伺服電機加庫卡精密減速機驅動的變位機。變位機機架用優質板材組焊，工件裝夾臺面及變位機架配合面經過精加工。其中所有焊接結構件由鋼板和型材組焊而成，所有焊縫按等強度焊縫要求進行焊接，焊后均進行去應力處理，去除焊接內應力和有效防止加工的變形，從而增加了變位機的使用壽命和使用過程中的穩定性。

技術參數：翻轉速度為0～3 r/min，重復定位精度≤ 2 arcmin（弧分）。

2.2.4 焊接機器人的主要功能

焊接工藝模塊箱配置BA006 型焊接機器人，焊接機器人是一副六軸焊接機械臂，可編程控制，操作簡單易用。操作人員只需要預先輸入機械臂的行動軌跡與速度，調整好焊接參數，就能實現機械臂的快速自動焊接，適用于構造簡單的復數構件焊接工作，能極大提高工作效率與質量。

機器人本體采用鋁合金鑄造結構，通過計算機輔助設計和有限元結構分析，得到整體良好的剛度結構，取得較好的固定載荷能力。所有軸均由無需維護的交流伺服電機驅動，使用光滑的傳動組件和絕對編碼器。所有機器人軸都裝有剎車裝置和溫度監測安全裝置。小型化的驅動能力、高精度的位置監控系統、高功率伺服系統保證了機器人的高動態性能和較好的精度。第二個軸采用前端設計，在保證機器人靈活性的同時，能最大限度地擴大機器人的有效工作范圍，使用剛性和密封驅動裝置、密封管道和傳動部件，確保了實用性和可靠性。

2.2.5 各類非標異形構件加工

主要針對各種口徑的管道、各類橋架、支吊架的數字化焊接加工，通過對焊接電流、通電時間、電極加壓力的嚴格把控，保持電弧穩定性，設置好焊接參數，保證焊接的均勻性和強度，并通過監測系統實時調整焊機過程，保證成品質量。配合焊接工作臺和特殊設計的夾具，焊接機器人可以進行不同尺寸、形狀復雜的支架構件焊接工作。特殊設計的夾具如圖3所示。

2.3 電氣控制系統

（1）在示校器上，可以直觀監控焊接狀態和參數，并隨時檢索焊接記錄。焊接工藝和參數（焊接工藝）便于為每個工件設置，焊接過程記錄可以隨時保存和調用。工件的自動焊接在操作過程中根據操作人員選擇的焊接工藝完成。在焊接過程中可以人為介入，干預焊接，焊接過程由于某種原因停止后，待智能系統處理完畢繼續焊接。

（2）對開始工作的時間、待機時間及停機時間進行記錄，同時可以記錄用戶操作記錄及示警記錄。

（3）故障診斷停止功能：①當控制系統部件、機器人、焊接電源等設備異常時，進行自動診斷，提供故障信息，確保系統安全。②對異常焊接條件和用戶操作中的中斷進行診斷并采取保護措施。

（4）系統具有操作權限，分為普通操作員、高級操作員、維保人員等。不同的權限只能控制相應的按鈕或更改相應的數據，提高了系統的安全性。系統還具有手動和自動選擇功能。在手動模式下，機器人可以手動參與；在自動模式下，機器人可以自動執行焊接操作。此外，系統還具有電源開/ 關按鈕和指示燈，緊急停止按鈕可在發生事故時停止運行。

（5）全系統可進行數字化處理，可通過通訊的方式與外界設備鏈接，所有數據都可以遠程存儲和顯示。通過使用網絡鏈接，該系統具有更大的可擴展性，這有助于將來增加遠端操控。

（6）本系統具有自動存儲和停電記憶程序，更改系統參數時，所有系統參數都會立即自動保存，即使在突然斷電的情況下也不需要重新設置。

（7）控制電柜內的電線電纜耐油，具有規格標示的套管，接地位置標識等，以偏于維保。電柜設置有降溫排風設備。電箱柜與機器人、變位機、焊接電源和物流運轉系統之間采用符合國標的線槽盒進行連接，排布分列規范整潔。

（8）設備多處設有緊急制動按鈕，在異常情況下可以立即停止模塊箱內設備的所有工作。

（9）模塊箱設置有紅、黃、綠3 種運行狀態情況指示，分別對應設備異常或故障狀態、設備候機狀態、設備開機運行狀態，并安裝在模塊箱入口位置。

（10）模塊箱內各設備都設有安全接地系統，保證系統的用電安全。

3 結束語

焊接工藝模塊箱作為一種新型的建筑業技術，具有滿足行業工業化的趨勢，亦滿足建筑業流動性生產特點。在公司工程項目應用，進一步提升管件、支吊架等構件的加工效率，降低人工消耗成本，同時還保證構件質量。實現施工安全、節能減排及綠色施工的目的，取得了增益降耗的效果，獲得優秀的社會及經濟效益，有利于推動建筑行業工業化發展。

參考文獻

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