全位置焊接小車的研究與應用

蔣驍驪, 許立新, 張 亮

(1.上海交通大學， 上海 200032； 2.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

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全位置焊接小車的研究與應用

蔣驍驪1, 許立新2, 張 亮2

(1.上海交通大學， 上海 200032； 2.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

對高效船舶焊接技術進行研究，結合船舶制造企業的實際，在船舶制造過程中應用新的焊接技術。采用全位置CO2焊自動焊接小車部分替代CO2半自動手工焊，研究成果極大地提高了船舶焊接效率，具有重要的工程應用價值。

全位置焊接小車;船舶焊接;效率

0 引言

隨著我國造船產能與船舶需求量的增大，目前傳統的焊接工藝流程已無法滿足日益增長的生產需求。只有不斷探索新技術、新工藝，才能在激烈的市場競爭形勢下不斷縮短船舶產品建造周期，提高質量和性能，并降低制造成本。

目前，船舶行業面臨人員流動量大、勞動力相對不足的情況，尤其是CO2焊接中，I類焊工僅能焊接平對接、平角焊，II類焊工可焊接立、橫對接焊和角焊，僅III類焊工可進行全位置焊接。目前在造船企業中，現場I類焊工人數遠大于II類、III類焊工，故II類、III類焊工人數無法滿足現場燒焊需求。

全位置焊接小車是一種自動化焊接設備，是目前針對中國船廠提高自動化率最為有效的方法，但在船舶建造中尚未得到應用。因此，考慮引進全位置焊接小車，通過研究自動化小車在應用中的難點，并與CO2手工焊效率進行對比，將其應用于船舶焊接中，從而起到提高船舶焊接效率的作用。

1 全位置焊接小車的現狀及優勢

全位置焊接小車使用優勢：無需區分焊工類別，只要經過短期培訓即可上崗操作；實現自動化焊接可解決熟練焊工資源匱乏、招工難的問題；電弧燃燒穩定，連接處成分均勻，焊縫成形好，接頭少，填充金屬熔敷率高；保證焊接工藝參數的準確性；可以實現某些特殊要求。其可廣泛應用于船舶立角焊、平角焊及平對接焊等焊縫焊接中。相對于氣電垂直焊，該設備輕便、更易操作，但在船舶建造過程中尚未得到廣泛應用。

1.1 全位置焊接小車簡介

HCD500-6型全位置焊接小車多功能焊接機器(見圖1)，可廣泛應用于平面對接焊縫、角接焊縫、曲面對接焊縫、曲面角接焊縫。它采用蓄電池或者電源適配器供電。焊槍夾頭可沿著焊接方向偏轉一定角度，以滿足各種位置的焊接要求。其擺動器傳動無間隙，保證了焊槍的精確擺動。小車帶有磁吸附離合手柄，安裝調試方便，可配置軟軌道、硬軌道以滿足不同位置的焊接需求。

圖1 HCD500-6型全位置焊接小車

1.2 國外自動焊接小車

進口的自動焊接小車針對性較強，主要按照焊接位置進行分類，無法達到全位置焊接要求。其具有輕便、靈活的優勢，按焊接位置主要分為2種[1]：專用立角焊小車和軌道式立焊小車。

(1) 專用立角焊小車(見圖2)。焊槍夾頭為自動感應裝置，可通過焊槍起弧、收弧控制小車行走。擺動器傳動無間隙，保證焊槍擺動的精確性。小車帶有磁性吸附離合手柄，安裝調試方便，且高性能強磁性進一步增強了垂直焊接的可靠性。

圖2 專用立角焊小車

(2) 軌道式立焊小車(見圖3)。采用軟軌道導向，可實現曲面中角焊和對接焊。軟軌道可以彎曲，因此它可以按照鋼板的線性，密切貼合在鋼板上，引導焊接小車的方向。同時，軟軌道采用開關磁鐵，便于拆卸安裝。軌道式立焊小車配有高精度的減速齒輪，使得焊接小車行走穩定，可有效提高焊接質量并延長設備使用壽命。

圖3 軌道式立焊小車

1.3 國產焊接小車

國產焊接小車以硬質軌道為主(見圖4)，雖然可以達到多種位置復合焊接，但小車比較笨重。同時，它無法焊接帶有曲度的鋼板焊縫，很難做到全位置焊接。如果需要焊接較長的焊縫，通常需要將硬質軌道與硬質軌道進行連接。連接時，硬質軌道的銜接處很難做到平滑過渡，小車經過接頭處時容易停滯。

圖4 國產焊接小車

2 焊接工藝試驗及結果

2.1 采用設備及焊接材料

在全位置焊接小車正式投入應用前，采用該設備進行焊接工藝驗證，焊接材料采用Supercored 71。

2.2 焊接參數

采用24 mm試板進行工藝評定試驗，焊接參數如表1所示。

表1 焊接參數

2.3 試驗結果

采用24 mm試板進行沖擊試驗，試驗結果滿足要求，試驗數據如表2所示。

表2 焊接試驗結果

3 應用難點與對策

在此次應用全位置焊接小車前，曾先后試用門架式自動立焊小車和軌道式自動立焊小車，掌握自動小車應用過程中容易出現的問題，為此次應用、研究全位置焊接小車奠定了基礎。在應用全位置焊接小車的過程中，發現小車存在如下問題：全位置焊接小車電源采用220 V電壓，存在安全隱患；常用電機壽命有限，易出現故障；現有焊接工藝無法滿足自動焊要求。對于上述問題，逐一采取措施，解決問題。

3.1 全位置焊接小車電源的改進

在全位置焊接小車應用過程中發現，國外焊接小車直接采用110～220 V電壓供電，在供電過程中，由于電壓過高，必須設置警戒線。即便如此，也無法100%確保焊接過程中施工人員的生命安全。如在220 V的基礎上增加變壓器，使電壓降到安全電壓24 V后，施工人員在提小車的施工過程中，還需拖拉電源線，極為不便。故該設備在電源方面，采用鋰電池作為供電裝置，簡化電源配置及電源接線等眾多繁雜工作，使焊接小車能更好地服務于不同作業場合(見圖5)。

圖5 電源改進

3.2 全位置焊接小車擺動器的改進

全位置焊接小車內置的擺動裝置電機為無刷電機[2]，其使用壽命為常規有刷電機的5～10倍。擺動無刷電機輸出的轉子位置反饋信號可直接作為焊接擺動裝置的擺動角度控制信號，不僅簡化了外設位置傳感器，更有效杜絕了因多余外接設備導致的故障及壽命問題。

3.3 現場工藝的改進

(1) 半自動焊工藝無法完全滿足自動焊需求的問題。半自動焊過程中采用焊條電弧焊定位，焊接過程僅需清除焊縫兩側50 mm內的缺陷。對接焊縫“Π”型馬板定位在焊接面上，易導致自動焊機使用不便，并且在使用過程中容易因馬腳而停滯不前，導致焊縫表面成形不良。在采用焊接小車施焊前，需要在鋼板上采用焊條進行鋼板定位，發現在焊條電弧焊定位過程中，定位焊無法與CO2焊融合，導致焊縫表面凸起，成形不良。因此，對現有工藝進行改進：① 對接焊縫,焊縫采用“Π”型馬板,并且要求馬板固定在非焊接面；② 焊道旁，在放置立焊焊機一側300 mm范圍內，裝配馬腳必須磨平；③ 定位焊使用CO2點焊定位槍進行定位。

(2) 裝配質量不佳，不易使用焊接小車施焊的問題。為保證現場坡口修割質量，規定長度大于2 m的板材必須采用全位置切割機切割坡口(見圖6)，避免手工切割。自動割刀切割后，無鋸齒形坡口，不影響自動立焊焊機的焊接質量。

圖6 確保焊接坡口質量

4 現場應用

圖7 外板立對接焊成形

圖8 外板橫對接焊成形

在船舶建造過程中，采用全位置焊接小車完成分段上立角焊、立對接焊，外板對接焊等重要位置的焊接。焊后成形美觀，對接焊縫UT探傷合格率高于90%。各種焊接位置的焊縫成形情況如圖7和圖8所示。 全位置焊接小車有如下優勢[3]：持久性強，可長時間連續工作；即便是在高溫環境下也可作業；自動安全性高，有效減少焊工的高空作業量；焊縫成形美觀，焊后修補較少；焊接效率高，可實現一人操作多臺設備；可實現多位置焊接，如立角焊、立對接、橫對接等；無需區分焊工類別，如Ⅰ類焊工可焊Ⅱ類焊縫；經濟性較好，有效降低因焊縫問題造成返工等不必要的材料、工時浪費；焊接過程中質量可控性佳，可顯著降低工人情緒、疲勞等不確定因素的影響。

5 經濟效益對比

全自動焊和CO2半自動焊的效率對比如表3所示。

由此可見，全位置焊接小車可大幅提高焊接生產效率。在相同的時間內，焊接效率提高約25%，改變了原來裝配等電焊的格局。同時，其也能降低工人的勞動強度。

表3 全自動焊和CO2半自動焊效果對比

6 總結

通過對全位置焊接小車進行研究，改進全位置焊接小車，使其可以應用于船舶建造的各個位置。研究證明，使用全位置焊接小車可以提高焊接過程自動化率，降低半自動焊接過程中可能產生的焊接缺陷，從而降低焊后返工、打磨工作量。全位置焊接小車的使用對于提高產品焊接質量、降低施工人員工作強度、提高焊接效率起到了效果。

[1] 張維官.焊接智能化促進高效焊接——訪安川首鋼機器人有限公司總工程師兼技術中心主任曾孔庚[J]. 金屬加工：熱加工，2015，12：20-21.

[2] 貢俊，陸國材. 無刷直流電機在工業中的應用和發展[J]. 微特電機，2000，5：15-19.

[3] 高興軍，鄧子龍. 機械設計制造及其自動化優勢專業建設的實踐與探索[J].價值工程，2012，9：208-209.

Research and Application on All-Position Welding Machine

JIANG Xiaoli1, XU Lixin2, ZHANG Liang2

(1.Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200032, China;2.Hudong Zhonghua Shipbuilding Group Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

High efficient welding technology is researched. According to the condition of the shipbuilding, a new technology of welding is applied on the ship welding. The new technology is that welding by all-position automatic FCAW welding machine instead of welding manually. The welding efficiency is greatly improved. The research is of the important engineering value for application.

all-position welding machine; ship welding; efficiency

蔣驍驪(1986-)，女，工程師，主要從事船舶建造生產管理與工藝研究

1000-3878(2017)02-0079-05

U671

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