鐵路客車制造中焊接機械手的應用研究

孫大森

摘 要：焊接機械手在鐵路客車制造中廣泛應用，不僅保證了焊接質量，而且提高了焊接效率，具有較高的經濟效益。文章介紹了無外圍裝置的焊接機械手和添加變位機和傳感器的焊接機械手在客車制造上的應用，分析了相關的應用技術，并從應用對象、工件結構設計、設備配置、工序質量、人員素質等方面研究了焊接機械手應用中應該注意的問題。

關鍵詞：鐵路客車制造；焊接機械手；應用

中圖分類號：TG409 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0055-02

作為一種自動焊接技術，焊接機械手在歐美工業發達國家中的應用十分廣泛，與手工焊和其他焊機相比可以獲得更為穩定的焊接質量和更快的工作效率。我國鐵路客車制造中引入焊接機械手是在九五期間，提升了客車制造的質量和效率，獲得了較大的經濟效益。焊接機械手的應用是一個復雜的系統性工業工程，與其他相關工業的技術水平的關系比較密切，因此焊接機械手的應用也經歷了一個較長時期的發展過程。本文就鐵路客車制造中焊接機械手的應用情況、存在的問題和對策進行探討。

1 鐵路客車制造中焊接機械手的應用

鐵路客車制造中常用的焊接機械手有下面兩種類型，一是無外圍裝置的焊接機械手，二是添加變位機和傳感器設備的焊接機械手，下面進行具體探討。

1.1 無外圍裝置的焊接機械手的應用

無外圍裝置的焊接機械手就是標準的焊接機械手本體，其不包含任何變位機和傳感器系統，通常有6軸機械手，該系統適合焊接長度在1.2 m以下的需要較大焊接量的機車部件，鐵路客車轉向架的橫梁具有方形的幾何結構，有4道焊縫，板材厚度在16 mm，每個焊縫的長度大約1.1 m，具有V字形狀的坡口，需要焊接3層，因此所需要的焊接量非常大，在其焊接中配合使用焊接變位機，可以實現與機械手的協同工作，這樣可以以最小的投資實現對構架衡量的自動焊接工作。

1.2 添加變位機和傳感器設備的焊接機械手的應用

1.2.1 龍門配頭尾架變位器的焊接機械手的應用

該機械手的結構為龍門架上懸掛標準的焊接機械手，龍門支持機械手可以在其上移動6 m左右，龍門下面是一個可以調節行程的頭尾架變位器，同時配置有電弧傳感器、接觸傳感器、自動清理焊槍的外圍配置等，該機械手多用于客車構架直側梁的焊接，直側梁厚度為16 mm，長度約4 m左右，每道焊縫的長度為4 m，焊接層為3層，這種較大的焊接量為機械手的使用提供了空間，也顯示了機械手使用的優越性。

1.2.2 龍門配框架式雙軸變位機的焊接機械手的應用

客車準高速構架側梁焊縫是曲線與直線的組合，而要保證機械手焊接的質量，所有的焊縫應該在水平位置進行焊接，如果使用單軸變位器進行焊接，就必須在曲線位置實施立焊，否則不能保證焊接的質量。因此對于這樣的客車準高速構架側梁，應該采取框架式變位機和龍門機構相配合，使焊接機械手和焊接工件實現協同移動，從而保證焊縫在水平位置進行焊接，為了確保焊接作業以一定的速度效率進行，使用效率比單絲焊高一倍的雙絲焊進行焊接。

1.2.3 配置L型雙軸變位器的懸臂式焊接機械手的應用

動車側梁、客車構架的搖枕等工件的焊縫是一個閉環式的焊縫，如果使用頭尾架或框架式的焊接變位機，就會在卡具夾持部分形成一個焊接盲區，這種情況下使用L型雙軸變位器，以工件中心空位進行夾緊固定，就可以實現水平焊接，由于焊接工件的長度在3米左右，因此使用L型雙軸變位器的懸臂式焊接機械手對工件進行焊接時，必須將工件兩端鎖死。

1.2.4 配置懸臂式行走機構焊接機械手的應用

鐵路客車的車頂需要2條25 m長縱橫焊縫和28條3 m長的環焊縫，因此需要的焊接量很大，使用手工方式對車頂腰橫縫進行焊接時，其質量很難保證，為此需要使用在一個懸臂式行走機構上懸掛2個焊接機械手，懸臂可以在地面上前后移動30 m的距離，懸臂上的2個焊接機械手就可以自動地完成車頂所有的縱橫焊縫的焊接，使用激光傳感器對焊縫進行跟蹤，這樣可以很好的保證焊接質量。

1.2.5 鋁合金客車部件焊接機械手的應用

鋁合金客車的牽引梁、枕梁等工件中引入了焊接機械手進行焊接，設備的基本組成為一個懸臂式焊接機械手固定在長度為10米的軌道上并且可以移動行走，在軌道和焊接機械手的下方搭建焊接平臺，鋁合金工件使用氣動卡具固定在平臺上，配備激光傳感器的機械手負責對鋁合金工件進行焊接，這樣可以獲得穩定的焊接質量和可觀的焊接速度。

2 鐵路客車制造中焊接機械手應用中應注意的問題

作為一個復雜的綜合系統工程，焊接機械手的順利應用要求在應用對象、工件結構設計、設備配置、工序質量、人員素質等方面做好必要的配置和配備，這樣才能保證工件焊接的質量、速度和效益。下面進行具體分析。

2.1 應用對象

焊接機械手適合焊接工作量大、輔助時間較短的工件的焊接，或者使用手工焊接或其他焊接方法無法保證焊接質量的工件的焊接，這樣才能突顯使用焊接機械手的優勢。如果焊接對象所需的焊接量較小、輔助時間較長，特別是一些具有復雜幾何構型、傳感器使用困難的工件，這時使用焊接機械手進行焊接可能會比手工進行焊接更慢，這時就不應該選擇使用焊接機械手，因此焊接機械手的應用對象選擇上一定要注意工件的焊接量大小和輔助時間長短，同時應該確保使用焊接機械手可以完成對工件的全部焊接工作。要提高焊接機械手的工作適應性和柔性，機械手上的卡具安裝更換應該保持一定的靈活性，以便可以為不同結構形式的工件進行焊接。

2.2 工件結構設計

要使用焊接機械手進行焊接，應該在工件結構設計時給機械手的焊接作業留出充足的空間，這是因為在實際的焊接作業中，更換焊槍或更改機械手焊槍設計要比優化工件結構的設計困難。使用機械手焊接時，電弧跟蹤傳感器對角接焊縫和V型坡口比較有效，而對打底焊縫和J型坡口封面焊縫的跟蹤要差一些，所以在工件結構設計上應該盡量采用V型坡口角接焊縫。

2.3 設備配置

使用焊接機械手焊劑比較厚的板材時，一般使用電弧傳感器和接觸傳感器，接觸傳感器多用于焊接初始點的尋找，電弧傳感器多用于焊接過程中焊縫的跟蹤，接觸傳感器使用過程中容易收到工件表面油污、底漆等的影響而導致焊接初始點尋找困難或不準確，所以在焊接機械手使用過程中，焊接初始點的位置應該事先予以準確定位，或者在產品設計之初就預留出弧點距離，使用電弧傳感器進行跟蹤。

2.4 工序質量

焊接機械手使用中要處理好工件的組對質量，根據實際情況靈活使用，要重點保證起弧處的組對質量和定位，對于特別的焊接位置進行特殊處理，適當的調整焊接程序，人工參與介入改變機械手自動化運行的模式，這在整體工業化水平不配套的情況下是十分有用的使用方法。

2.5 人員素質

焊接機械手在大部件的焊接中很難完全采用國外的模式，不可避免地要求焊接操作者靈活地使用焊接程序，因此焊接作業者的技能和素質要求也就相應的提高了，因此不但需要精通焊接工藝，還要學會機械手編程，并對焊接機械手的操作進行全程現場跟蹤。

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