“智能制造”環境下焊接“工匠”培養模式探討與實踐

王國安，趙 國，安 萍，林東崢，易澤武，潘麗桃

（1.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007；2.廣西機電技師學院，廣西 柳州545003；3.柳州市人力資源社會保障局，廣西 柳州545001；4.柳州市職業技能鑒定中心，廣西 柳州545000；5.上汽通用五菱汽車股分有限公司，廣西 柳州545007；6.共青團柳州市市委，廣西 柳州545000）

0 引言

隨著《中國制造2025》戰略的實施，國內焊接界的專家學者都在探討“智能制造”新環境下，焊接“工匠”式的人才的新型培養模式。出現了各種形式的焊接機器人“國賽”、“省賽”及“市賽”，各種培訓機構的各種賽前培訓蜂擁而至，本文結合多年的培訓實踐，組織設計了一套的焊接工匠式培養模式，并進行了實踐驗證，收到了較好的實訓效果[1]。

1 培訓總體方案設計

1.1 培訓的基本工作準備

（1）培訓目標制定

針對工程機械和汽車制造業積極普及“智能制造”，“柔性制造”裝備的投入，亟需智能制造人才的市場，為了縮短焊接自動化“工匠”式人才培訓周期，盡快造就出一批工作在生產一線的焊接自動化“工匠”，解決制造業的焊接自動化人才短缺的矛盾。

（2）培訓組織組合

探討及實踐一種“四位一體”的“政府搭臺，協會主導，企業參與，院校合作”的新型培訓組織合作模式：政府部門立項，充分發揮市級人力資源社會保障局的培訓政策和培訓資金的導向，爭取參訓企事業單位人力資源部門的支持；充分發揮團市委在青年人中組織能力和號召力，組織企業和院校培訓機構的基層團組織，動員工作在生產一線的技術和實操的優秀骨干青年，積極參與焊接自動化人才的培訓和競賽活動；按照市級競賽委員會的現行制度，把短期培訓的成績與考核同一線員工的職業技能晉級鑒定相結合，認可培訓和競賽的結果，避免培訓、競賽與晉級考評的重復進行；市級焊接協會擁有高層次的焊接高級人才，具有豐富理論知識和生產實踐經驗，其中有大學教授，企業的高級工程師和技能大師等人才資源，協同技工院校等教育機構承擔培訓任務；技工院校不但擁有專職教師，同時也能夠提供較好的培訓設備的硬件資源。

（3）培訓硬件資源選擇

根據本地區汽車工業和工程機械制造公司以及上游供應商所應用的焊接機器人、焊接電源的品牌及型號數據統計分析，選擇其在企業應用頻率比較高的設備作為培訓的硬件資源，可以實現培訓設備和生產設備相同統一，避免培訓設備和生產設備差異導致學員學習培訓后回到企業不能馬上應用的尷尬局面。

（4）培訓模式及師資要求

采取“雙師型教師+技能專家”的師資團隊，通過焊接機器人工藝設計和編程實操實踐經驗有機密切結合[2]，使技藝傳承模式標準化，實現工藝指導操作實踐、實踐經驗在工藝文件中總結提升，形成技藝傳承新模式，讓“老工匠”帶“新工匠”，少走彎路。為此，精心選擇來自學校和企業的一線、具有豐富焊接機器人工藝設計和編程實操實踐經驗的教師、工程師和技能專家擔任培訓教員，避免了以往的培訓焊接工藝與操作脫節，導致焊接工藝不能在操作過程中執行，而操作的實踐經驗又不能很好地總結到工藝改進提升中去的情況發生[3]。

1.2 培訓課程設計

（1）工藝培訓教師授課課程設計

1）焊接機器人安全生產及文明生產；

2）原材料可焊性分析；

3）下料工藝設計；

4）焊接件裝配工藝設計；

5）焊接件焊接工藝設計；

6）焊接件工藝定額編制；

7）典型工件工藝設計案例實踐。

（2）編程實操教師授課課程設計

1）焊接機器人及焊接電源性能。

2）焊接機器人離線編程。

3）TCP校驗原理及操作。

4）清槍和剪絲程序的應用。

5）焊縫編程及數據庫建立。

6）始點尋位編程及電弧跟蹤原理。

7）典型工件編程實踐訓練。工藝設計人員與編程實操人員密切配合，編程實操人員嚴格按工藝設計人員所編制的工藝進行編程操作，主要工藝包括：①工件裝配（組對）順序工藝設計；②點固點布局工藝設計；③焊縫焊接順序工藝設計；④焊縫焊接方向工藝設計；⑤焊接參數工藝設計。

（3）實操編程學員上機操作主要完成的培訓

1）人體經驗焊槍姿態轉變成機器人焊槍姿態。

2）焊接參數數據庫建立。

3）不同位置、不同尺寸的焊縫的工藝參數驗證。

4）編程實操技巧訓練。

1.3 學員培訓能力考核評定

參加專業技能短訓班的學員，需經過具有職業技能鑒定資格的評審員進行考核評定，其考核評定項目包括：

（1）焊接基本知識和焊接自動化知識理論考試

考題范圍出自《國家職業技能鑒定電焊工理論知識題庫》高級工部分選擇200題，分成A、B試卷，由學員代表現場抽題，決定考A卷，還是B卷，考試成績100分制，折合成20%后計入學習培訓檔案成績；

（2）焊接自動化工藝設計答辯成績評定

工藝設計方案來自于培訓工件，強調“理論聯系實踐”，主要考核評定要點：工藝設計安全性，工藝設計完整性，工藝設計統一性，工藝設計可執行性，工藝設計效率及成本，語言表達的邏輯性；由參訓學員做成PPT現場講述10分鐘，評委答辯5分鐘，5名以上的專業評委獨立評分，采用100分制進行評定，折合80%后計入學習培訓檔案。

（3）焊接自動化編程實操考核成績評定

編程實操訓練及考核工件來自于企業生產實踐相結合，模擬企業制造的壓力容器類工件模型，包含低壓滲漏檢查，焊接位置設計主要分為：對接焊單面焊雙面成型，水平角焊、立焊、橫焊，全位置焊，直線焊縫轉圓弧焊縫，圓弧焊縫轉直線焊縫，不同尺寸角焊縫過渡轉換技巧等，考核內容包括：安全生產及文明生產、零件裝配（組對）過程、編程能力、焊縫外觀尺寸，焊縫缺陷等；采用500分制評分，最后折算成80分，計入學員學習檔案。

1.4 培訓證書發放管理與后期管理

（1）培訓證書發放管理

培訓證書發放分成兩類：對綜合考核成績達到60分以上的工藝人員發放“弧焊機器人工藝設計”培訓合格證；對綜合考核成績達到60分以上的編程實操學員發放“弧焊機器人編程操作”合格證書。

（2）培訓學員學習后期管理

學員經過培訓結業后3個月內，提倡撰寫“機器人焊接工藝設計”技術論文、“機器人焊接編程實操”技師論文，經培訓師指導評價后，向“工程系列職稱評定”和“職業技能鑒定”等專職機構推薦。

2 培訓組織模式實踐

2.1 “政-會-企-校”協同組織模式

2019年8月17日～8月22日，利用學校暑期、企業高溫假期間，市人力資源社會保障局、共青團柳州市市委、市焊接協會、廣西機電技師學院聯合舉辦了“2019年焊接機器人工藝設計及編程實操培訓班”，組織了來自汽車制造業及其上游供應商12個單位、工程機械制造業及其上游供應商7個單位，來自職業技能培訓學校2個單位等21個單位，工藝設計師21人，編程實操21人，共42名學員，參加了6天的脫產培訓。

2.2 責任與分工

（1）市人力資源社會保障局。對培訓給予立項和培訓經費的支持，下屬二級單位市職業技能鑒定中心負責對培訓過程的監管和認可，評估是否能夠達到職業技能鑒定的標準要求。

（2）共青團柳州市市委。負責組織轄區內的企事業單位的基層團組織參訓隊伍的組建；

（3）市焊接協會。負責培訓方案的設計，選派來自企業和專業培訓機構的工藝培訓師以及技能大師擔任實操編程培訓師；

（4）廣西機電技師學院。學校擁有原材料下料和加工資源，焊接機器人和焊接電源，可以提供容納50人左右的電教室，供學員學習離線編程的教學資源，同時有多名多年教學經驗，并獲得國際、國內焊接大賽獎勵的選手、教練等教師資源。

3 培訓方案設計

3.1 培訓工件設計

培訓工件設計思路：以低壓容器類型工件作為工件設計，培訓工件設計圖，如圖1所示。

圖1 培訓工件設計圖

其上半部分以4 mm板件組成箱型結構，模擬汽車薄板容器結構，適應于汽車行業的現實生產；下半部分選擇14 mm的中厚板箱型結構，適用于工程機械行業的現實生產。培訓工件材質及數量清單見表1。培訓工件焊縫信息見表2。

表1 培訓工件零件一覽表

表2 培訓工件焊縫信息表

3.2 培訓工件焊縫設計特點

結合來自工程實踐，培訓學員的工藝設計和編程實操能力，如圖1所示的培訓工件設計圖，每條焊縫都有對生產實踐應用的訓練特點，歸納如下：

（1）焊縫a：訓練學員的薄板件環形角焊縫的編程能力；

（2）焊縫b：訓練學員的薄板件橫向角焊縫的編程及薄板件拐點編程技巧；

（3）焊縫c：訓練學員的薄板件立向角焊縫的編程能力；

（4）焊縫d：訓練學員的薄板件，水平位置角焊縫的編程能力；

（5）焊縫b：訓練學員的厚板件橫向角焊縫（多層）的編程及厚板件拐點編程技巧；

（6）焊縫c：訓練學員的厚板件立向角焊縫的編程能力；

（7）焊縫d：訓練學員的厚板件，水平位置角焊縫的編程能力。

3.3 工藝難點分析設題特點

3.3.1 滲漏難點分析

工件需進行水壓密封性試驗，存在著滲漏風險，如圖2所示，將滲漏風險等級分：

1）I級：拐點 A，4 處；

2）II級：拐點 B，4 處；

3）III級：拐點 C，4 處；

4）IV 級：拐點 D，4處。

3.3.2 焊縫難易分析設題

培訓用焊接機器人只有6軸，無外部輔助軸：焊接該工件時設立平焊，立焊和橫焊。并且設計成棱邊對棱邊的角焊縫。對焊縫進行難度排序（由難至易）：

1）焊縫c：4條3 mm的立焊縫；

2）焊縫f：4條12 mm的立焊縫；

3）焊縫b：4條3 mm的頂蓋板環形焊縫；

4）焊縫e：4條12 mm的中蓋板環形焊縫；

5）焊縫a，3 mm圓弧環焊縫；焊縫d，3 mm直線四周環焊縫；焊縫g，12 mm直線四周環焊縫。

圖2 培訓工件工藝難點圖

3.4 培訓設施配置

（1）焊接機器人

選擇工程機械及汽車行業普遍應用的機器人：

1）ABB 型號：IBR1410，軸數：6 軸；

2）FANUC 型號：R-0iB。

（2）焊接電源

1）唐山松下：YD350GR；

2）山東奧太：MIG-500RP。

（3）焊絲：AWS ER70-6，φ1.2 mm。

（4）保護氣體：80%Ar+20%CO2。

4 焊接工匠培訓實踐

4.1 工藝設計安全性

（1）勞保用品安全防護（見圖3）。

（2）作業環境危險源識別

1）識別作業現場是否有易燃易爆物品；

2）檢查焊接電源及焊接機器人外殼是否接地良好；

3）檢查作業現場有高空墜落危險源；

4）查看混合氣體氣瓶、氣壓表、減壓閥是否在檢定周期內。

圖3 安全防護示意圖

4.2 工件裝配（組對）工藝

組對工藝要求：

（1）設計組對順序，見圖4；

（2）采用先點焊再定位焊原則，保證組對間隙及牢固；

（3）工件倒置組對原則，保證點焊焊盡量均布置在部件內部；

（4）板料組對焊縫距離端部20 mm，點固焊縫長度20 mm；每條焊縫點固焊不少于2處；

（5）管組對要求在內部均布3處長20 mm的點固焊；

（6）組對底板前，在4塊側板1與底板組對焊縫在距離端部20 mm處打磨C3X20倒角。

圖4 工件組對順序示意圖

4.3 機器人焊接工藝

4.3.1 編程實操前準備

1）設備檢查：編程前對焊接電源、機器人設備的電路、氣路、送絲機構和工裝夾具等進行檢查。

2）工件擺放：前后方向，底板邊緣距機器人兩軸距離設定；左右方向，工件處在工作臺的中心，便于達到工件的可焊達性。

3）工件夾緊：保證焊槍不干涉工件的前提下，讓夾具盡量靠近焊縫，采用對角線兩點夾緊方式。

4）校準TCP：編程前校準TCP。

4.3.2 設計焊接順序及焊接方向工藝編制原則

從減小焊接變形及殘余應力的角度，選擇焊接順序的基本原則如下：

1）先焊剛性小的、后焊剛性大的焊縫；

2）先焊對接焊縫，后焊角焊縫；

3）先焊立焊縫，后焊平焊縫；

4）先焊短焊縫，后焊長焊縫；

5）平行焊縫采用同方向焊接；

6）薄板件：立焊縫采用自上而下的焊接方向；

7）厚板件：立焊縫采用自下而上的焊接方向，采用多層焊縫，打底焊縫焊槍不擺動，蓋面焊縫擺動焊法。

4.3.3 焊接工藝參數設定

設定的焊接工藝參數如表3所示。

表3 焊接工藝參數表

4.3.4 焊接工藝參數驗證

焊縫外觀尺寸驗證見圖5，采用焊縫尺寸測量器，檢查不同位置及不同尺寸的焊縫符合圖紙設計的要求，證明選用的工藝參數達到實際焊接尺寸和成型的要求。

圖5 工件焊接參數外觀尺

采用專用水壓試驗設備進行滲漏檢驗，試驗壓力為0.5 MPa，保壓5 min，證明符合工藝設計要求。

4.4 作業效率測定

增值作業效率測定定額見表4，考慮到工件焊接時有16處焊縫拐點焊接，實操編程時有18處焊槍空行程，需要每處增加輔助時間2 s，需要增加輔助時間1.5 min，實際工時定額為27.5 min.

表4 增值作業效率定額表

4.5 輔助材料消耗定額

制訂有輔助材料消耗定額，詳見表5。

表5 輔料消耗定額表

5 結束語

通過“智能制造”環境下焊接“工匠”培養模式探討與實踐，共培訓完成了42名學員的短訓學習，其中21名“弧焊機器人工藝設計師”，21名“弧焊機器人操作員”，達到了多方滿意的學習效果，青年人的學習氣氛很好，求知若渴；通過“政-協-企-校”協同組織合作模式，達到較深的社會影響力，使培訓方式更加規范化，培訓效果可衡量，政府支持效果明顯獲得社會收益。

培訓方案設計緊密結合企業的實際需求，通過“工藝設計”與“編程實操”一體化的學習方式，為企業的“智能制造”儲備了短缺的人才，同時為造就更多焊接自動化“工匠”人才，夯實了理論基礎知識和實踐操作能力，同時通過焊接“工匠”培養模式探討與實踐，為今后培訓模式的改革提供了參考。