縱縫焊接設備的開發與研制

常 晟，張民才，于子良，管秀艷

（北京二七軌道交通裝備有限責任公司，北京 100072）

0 引言

單面焊雙面成形技術，要求在焊件的一面進行焊接，焊后焊件正反面都能成形，通常在坡口的正面進行焊接，該技術一般用與鍋爐、壓力容器的焊接，對焊工的要求較高。

公司各類機車風缸屬于壓力容器，為機車制動系統提供壓縮空氣，為制動系統核心部件之一，對行車安全具有重大意義。目前采用人工焊接，回修率較高、效率低。2012年公司技改辦牽頭成立了機器人項目組，進行風缸焊接機器人系統研發，目的在于提高風缸焊接質量和效率。

項目組通過前期市場調研，結合同類產品的焊接設備狀況，提出了風缸焊接機器人系統，通過選用可靠的機器人、焊接電源，配置外部輔助設備，實現風缸筒體縱焊縫和缸蓋環焊縫的焊接功能。縱焊縫焊接設備用于風缸筒體縱向對接焊縫的焊接，設備的投入，可以降低對焊工的技術水平要求、提高焊接質量、降低產品故障率。減少由于焊接質量引發的返工、回修，從而提高生產效率。

1 工藝分析

1.1 風缸焊接現狀

公司主要產品為鐵路機車及工程機械，由于種類多，依據不同車型及用途，風缸規格也不相同，直徑范圍300～800 mm，筒體長度范圍1100～2300 mm。焊縫不允許有裂紋、未熔合、未焊透、焊瘤、接頭不良等缺陷。

風缸采用6 mm板料經過預彎、滾圓后焊接。筒體對接施焊處采用機加工方式開坡口，鈍邊1 mm，坡口角度30°，對接間隙3±1 mm，坡口朝向筒體內部。焊接時，將筒體置于滾輪架上，旋轉筒體使焊縫處于頂部，焊接時采用手工電弧焊由筒體內部焊接，根層焊接后采用碳弧氣刨由筒體外側進行清根，去除根層焊接缺陷。之后采用MIG焊由筒體外側進行2層填充。

1.2 問題分析及改進

1.2.1 問題分析。存在問題：筒體焊接工作環境惡劣，特別是筒體直徑較小，長度較長時，只能從筒體兩側分別進行焊接，有時需將筒體切成兩截后再對接。不僅耗費工時且質量不易保證。單面焊雙面成型需要較高的焊接技術。為保證焊接質量，采用現有工藝可以實現，但代價較高。

1.2.2 工藝改進。筒體坡口形式改變：將筒體對接坡口朝向改為工件外側，便于焊接。對筒體焊接輔助設備進行改進，采用芯軸支撐筒體，芯軸朝向筒體內側鋪設銅襯墊，與芯軸良好接觸。芯軸兩側設置水冷管道，由外部冷卻系統進行冷卻，既可以起到保護襯墊的作用，又可以吸收焊接過程中產生的熱量，減小筒體變形。芯軸中心開槽并均布通氣孔，內部通入保護氣體，試焊時進行焊縫背氣保護。對焊接工藝參數改進，施焊時采用MIG脈沖焊并提高了焊接速度。

1.2.3 優勢分析。采用輔助設備使縱縫底部質量得到可靠保證，從而使焊接坡口朝向改為外側，改善了工作條件也便于焊接時監控。采用MIG脈沖焊并提高了焊接速度，可以有效地減小焊接時的熱輸出，并提高焊接效率。

2 設備構成及各系統介紹

根據工藝分析，結合市場調研，提出設備總體結構：機架、芯軸、琴鍵壓緊裝置、芯軸鎖緊裝置、上下料工位器、工件對中裝置及冷卻系統。此外，為適應焊接機器人自動化焊接的需要，增加必須的信號輸入輸出接口。圖1是縱縫焊接設備示意圖。

圖1 縱縫焊接設備

2.1 機架

機架為整套設備的基礎框架，是各部件的承載體。整體為焊接結構，焊后進行去應力處理，為便于工件上下料，采用水平懸臂結構。機架的高度考慮工件焊接時的位置。在焊接機器人系統總體方案中確定，需要使工件焊接區域處于機器人焊接工作半徑的核心部位。操作者適于操作高度，便與過程監控。便于工件的上下料操作。

機架頂部橫梁安裝有琴鍵壓緊裝置，為便于調整琴鍵裝置相對間距，在機架側面設置了調整機構，通過調節螺釘擰入深度來實現。機架頂部橫梁外側為芯軸鎖緊裝置，工件就位后通過該裝置將芯軸頭部與機架固定起來。機架床身中部為芯軸懸臂結構安裝部位。床身內部安裝有琴鍵壓緊裝置壓縮空氣控制閥、保護氣控制閥、冷卻管路等。機架底部為整套設備安裝面，采用預埋螺栓將設備與地面基礎連接起來。每組安裝部位包含一個通孔和螺紋孔，預埋螺栓由通孔穿出，起到拉緊設備作用，螺紋孔內配置螺栓，螺栓底部為墊鐵，起到調平作用。機架床身后部設檢修門，用于部件安裝及檢修。

2.2 芯軸、襯墊及琴鍵壓緊裝置

芯軸為工件支撐件，也是焊接襯墊的載體。為減輕自身重量，采用鋼管作為主體，外徑按照最小筒體和剛度確定。一端通過安裝面與機架連接，另一端焊接突臺用于芯軸鎖緊。鋼管頂部開槽用于襯墊安裝。考慮到后期可能出現的芯軸垂直位置調整及制作誤差，將安裝孔改為長圓孔且直徑略大于安裝螺栓（圖2）。

圖2 芯軸

襯墊采用鉻鋯銅材料，長度方向兩側開圓弧槽用于冷卻水管放置，頂部為成形槽，圓弧狀。背面為矩形槽，用于焊接過程中背氣保護，底部有一鋼帶與襯墊尺寸相符，一方面用于背氣槽封閉，一方面提高襯墊剛度。襯墊材料具有良好的導電性，導熱性，硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及軟化溫度高，符合襯墊使用工況（圖3）。

圖3 襯墊

沿焊縫長度方向在焊縫兩側布置琴鍵式壓緊裝置，琴鍵末端配有銅質壓指，琴鍵通過氣囊加壓膨脹在工件全長范圍內，對工件進行壓緊，一方面保證對接縫在整個焊接長度范圍內均勻壓緊，以便于焊縫成形均勻；另一方面還可以起到一定的冷卻效果。每個琴鍵相互獨立，壓指采用中心對稱設計，當一面工作面磨損或損壞時可以繞中心旋轉后繼續使用另一工作面。琴鍵壓緊動作由腳踏開關觸發電磁閥來實現（圖4）。

圖4 琴鍵壓緊裝置

2.3 芯軸鎖緊裝置

芯軸鎖緊采用螺旋式壓緊機構，一端與機架鉸接，另一端為螺旋壓緊。工件裝卸時將芯軸鎖緊裝置抬起，工件全部穿入芯軸后落下并擰緊，從而將芯軸和機架聯結在一起（圖5）。

2.4 上下料工位器

為便于工件上下料和方便工件位置調整，配置該工位器。采用剪刀鉸支結構，由手動泵帶動液壓缸實現工件舉升，手動釋壓實現工件降落。工位器頂部為工件支撐部位，采用可移動式滾輪支撐工件，以便于工件位置調整。滾輪位置可以調整，以適應不同直徑工件。工位器底部配置行走腳輪，軌道為兩根45角鋼，直角邊朝上放置。直角邊與腳輪圓周面上的直角槽配合，以減小工位器移動時的阻力。

圖5 芯軸鎖緊裝置示意圖

2.5 工件對中裝置與冷卻裝置

為便于工件縱焊縫與芯軸襯墊成形槽中心對正，保證焊接質量，配置該裝置。采用線激光筆提示工件擺放的理想位置。激光筆安裝座可以調整，在調試結束后做好位置標記，便與日后維修。為延長銅襯墊使用壽命，在襯墊兩側布置冷卻水管，通過外接循環冷卻水箱進行冷卻，同時可以吸收部分焊接時產生的熱量，減小工件焊后變形量。

2.6 設備與機器人的聯系及外圍配套設備

設備配合機器人進行工作，與機器人之間的聯系主要有2處，一是焊接時背氣保護的通斷。在工件焊接程序中，根據焊接步驟設置對應地址的輸出語句，機器人輸出信號到中間繼電器，之后控制保護氣電磁閥來實現動作。二是縱縫焊接設備就緒信號。在芯軸安裝座尾部、芯軸鎖緊裝置處設置接近開關。工件到位、芯軸鎖緊后分別發出信號，在程序中編制檢測相應輸入點語句，從而避免誤操作造成人員、設備的損害。 設備配置水冷機1臺，用于焊接過程中襯墊冷卻。配置空氣過濾減壓閥1套，接使用場所提供的壓縮空氣，向琴鍵壓緊系統提供壓縮空氣。正常工作時還需接入電源及背氣保護氣源。

3 設備工作流程及安裝調試

設備工作流程：輔助系統準備就緒→冷卻系統開啟→將筒體放置于上下料小車上→操作液壓泵手柄使工件抬高，使工件頂部圓弧位于機架和芯軸之間→推動小車沿地面軌道靠近機架。使桶狀的工件由設備頭部一側穿入芯軸→到位后將芯軸與機架鎖緊→根據工件對中裝置調整好筒體位置→緩慢打開液壓缸釋壓閥，使工件緩緩降落，直到工件頂部內壁與芯軸頂部接觸→啟動壓緊裝置將工件可靠夾緊→由機器人系統進行工件焊接。焊接工序結束后按照相反的順序將工件退出。

設備配合風缸機器人焊接系統于2013年安裝完成，經過實際檢驗，各項功能可以很好的實現，達到了預期要求。現場照片見圖6。

圖6 現場照片

4 結束語

在焊接機器人系統要求和工藝分析的基礎上，進行了縱焊縫焊接設備的方案設計。給出設備主要結構及預期各項功能的實現方法，增加了設備與機器人系統間的通信，一方面可以使該設備更好的配合系統工作、另一方面增加了設備安全性。設備投入生產后，可以有效地減少風缸焊接缺陷，提高焊接質量和生產效率。