U肋埋弧外焊機器人焊接系統及其應用

陳 錦，湯晨宇

(1.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125;2.南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

由于鋼材本身是一種抗壓、抗拉、抗剪的高強度均質材料，且自重相對混凝土來說比較小，因此鋼結構橋梁相對于傳統混凝土橋梁來說具有更大的跨度、更強的荷載能力、更高的韌性和延展性、易修復與更換，并且報廢后具有一定的回收價值等優點,為此鋼結構橋梁成為了我國公路橋梁發展的主要方向。U肋板單元是鋼結構橋梁的重要組成，是其重要的受力構件[1]，因此U肋板單元的焊接工藝和質量成為了橋梁品質和壽命重要的影響因素。本文介紹了一種新型的U肋外側角焊縫焊接設備——U肋埋弧外焊機器人焊接系統，對多種U肋規格的U肋外側角焊縫進行了焊接測試并對焊接結果進行了對比。

1 當前U肋外側角焊縫焊接方式及焊接設備

1.1 U肋外側角焊縫焊接方式

當前國內鋼結構橋梁行業中U肋外側角焊縫焊接方式多是以氣體保護焊和埋弧焊為主，多年前氣體保護焊在業內占據了極大的比重[2]，直到近幾年埋弧焊的焊接方式所占比重才有所增加。

埋弧焊相較于氣保焊來說具有高熔深、高熔敷率、無弧光和焊接煙塵、焊縫成型穩定等優點，隨著科技的發展，埋弧焊之前出現的問題也逐漸有了解決方法，尤其是焊劑自動下料與回收設備的出現等。因此，在鋼結構橋梁行業中埋弧焊所占的比重也逐漸增加。

1.2 U肋外角焊焊接設備

當前橋梁行業內的U肋外角焊自動化焊接設備多是以專機的形式存在，只存在少數的U肋焊接機器人，而U肋埋弧外焊機器人焊接系統更是屈指可數。

U肋外角焊專機一般有6根～10根焊接機頭，焊接方式為氣保焊或埋弧焊。U肋外角焊專機的焊接機頭數量較多，固然能夠提高焊接效率，但其本身自動化程度較低，已無法滿足現代智能制造的要求；焊接機頭角度調整繁瑣且較為粗放，無法精細調整角度，焊接機頭調整柔性低；焊接跟蹤方式多為機械跟蹤，其精度較低，且無法與焊接機頭形成閉環，無主動跟蹤及糾正能力。

雖然當前國內行業內擁有少數幾臺自動化、智能化程度較高的U肋外角焊接機器人，但其采用的焊接方式為氣保焊。一般情況下氣保焊的熔深有限，而且U肋外角焊縫存在一定的坡口角度，除了要考慮熔深外還需考慮其熔敷率和蓋面成型情況，而一般的氣保焊焊接方式很難滿足以上幾點，因此多數的氣保焊U肋外焊機器人在進行作業前還需要對U肋外角焊縫進行打底作業。為減少作業步驟，滿足U肋外角焊縫焊接的熔深度、熔敷率和蓋面成型等要求，U肋埋弧外焊機器人焊接系統應運而生。

2 U肋埋弧外焊機器人焊接系統

2.1 機械結構

U肋埋弧外焊機器人焊接系統的焊接主體采用了分體式設計，共有左、右兩側行走懸臂，每個行走懸臂都由行走臺車、立柱、橫梁、橫移滑板模組、升降滑座模組、拖鏈和軌道等組成。行走懸臂橫梁的兩側均安裝有橫移滑板模組，橫移滑板模組采用伺服電機驅動行星減速機，通過高精度齒輪齒條傳動帶動直線導軌運動的方式使橫移滑板模組在橫梁上橫向移動。升降滑座模組安裝在橫移滑板模組上，其驅動方式與橫移滑板模組相同，采用伺服電機驅動行星減速機，通過高精度齒輪齒條傳動帶動直線導軌的方式使其能夠在橫移滑板模組上垂直升降。埋弧焊機器人采用倒掛的方式安裝在升降滑座模組的底端。行走臺車的動力系統為伺服電機，并加裝了行星減速機，以保證行走時的平穩。

同時U肋埋弧外焊機器人焊接系統配有兩套反變形胎架，其裝載工件長度為2.5 m～18 m，寬度為2 m～4.5 m，最大重量為30 t，旋轉角度為±38°，能夠滿足業內的絕大多數U肋板單元的裝載條件。

2.2 主要電氣硬件

U肋埋弧外焊機器人焊接系統的機器人組件采用4套FANUC(發那科)生產的M-20iA六軸機械手及R-30iB(Plus)控制系統，同時行走懸臂的行走臺車、橫移滑板模組及升降滑座模組所采用的伺服電機均為FANUC伺服系統，并接入到R-30iB(Plus)控制系統內，自此，每臺機器人最大軸數達到了8軸。在每臺機器人上均加掛一臺英國Oxford Sensors公司生產的OSL-50型激光焊縫跟蹤系統，該系統能夠實時對焊縫進行尋位跟蹤，并與機器人建立通訊聯系，能實時反饋焊縫位置數據并指導機器人糾正位置，使焊槍精確對正焊縫進行焊接，其跟蹤精度高達±0.2 mm。

焊接系統采用4套林肯電氣的IDEALARC?DC-1000埋弧焊電源及NA-3S控制器，匹配了Φ1.6 mm和Φ3.2 mm焊絲，以應對多種焊接用途。同時，在每臺焊槍上還安裝有焊劑回收輸送系統，用來完成焊接時的焊劑輸送以及回收工作。

自動化控制元件采用歐姆龍的CJ2M以及NS8系列觸摸屏，主要負責協調各電氣設備之間的運轉和信息傳遞、處理以及人機交互等工作，同時還負責設備報警和緊急狀態下的處置等。

行走懸臂各自獨立，自成一體，互不干擾，同時4套焊接系統也是相互獨立的。當某套行走懸臂或某套焊接系統出現故障后，均不會影響其余的啟動和運轉。

2.3 U肋埋弧外焊機器人焊接系統操作流程

U肋埋弧外焊機器人焊接系統的一般操作流程如下：兩側行走臺車復位到中間原點位置和狀態→U肋板單元吊到反變形胎架上→壓爪對中夾緊并壓緊工件→遙控胎架順時針旋轉到-38°→行走臺車快速移動至焊接起始位置→啟動機器人焊接系統，通過機器人示教器調整機器人狀態使焊槍到達焊接位置，調出焊接程序→根據需求對一至四條焊逢進行自動焊接→焊到尾部時弧焊機器人自動停止焊接并回退到安全位置→遙控胎架逆時針旋轉到+38°→重復上述過程，對U肋另一側焊縫進行焊接→吊離工件→兩側行走臺車移動至另一側胎架，重復以上步驟循環生產作業→兩側行走臺車復位到中間原點位置和狀態。焊接系統局部及焊縫成型圖如圖1所示。

圖1 焊接系統局部及焊縫成型圖

3 U肋埋弧外焊機器人焊接系統的應用與分析

U肋埋弧外焊機器人焊接系統最初的設計要求是滿足長度為2.5 m～18 m、寬度為2 m～4.5 m、最大重量為30 t、U肋厚度為8 m～12 mm、U肋數量為1根～6根的U肋板單元的全熔透焊接以及6 mmU肋厚度的板單元80%熔透的焊接，后期由于生產上的要求，對U肋厚度為16 mm的U肋板單元進行了焊接試驗，發現其基本能夠滿足U肋厚度為16 mm的板單元全熔透要求。

相較于U肋埋弧外焊專機，由于U肋埋弧外焊機器人焊接系統有機器人的加入，使得設備整體的智能性和自動化程度有了較大幅度的提升，對于焊槍的調整更加方便快捷，同時，設備整體的柔性上升了一個臺階，為后期部分新型焊接工藝的理論驗證及測試提供了一個可能和平臺。另一方面，由于激光焊縫跟蹤系統的介入，可為機器人實時提供焊縫位置及位置調整數據，使得其焊接精度高達±0.2 mm，即使U肋有些許的變形，激光焊縫跟蹤系統均能準確識別出焊縫位置并提供給機器人進行糾正，使得U肋埋弧外焊機器人焊接系統的適用性更上一層樓。總體來說，U肋埋弧外焊機器人焊接系統比專機焊接精度更高，產品適用性更好，更加有利于智能化車間的建設，方便數據的采集等。

相較于氣保焊方式的U肋機器人，由于U肋埋弧外焊機器人焊接系統有了埋弧焊的加入，使得其能夠有更深的熔度，更高的熔敷率，更可觀的蓋面成型，因此U肋埋弧外焊機器人焊接系統能夠對U肋厚度為12 mm以下的U肋板單元坡口進行一次焊接全熔透全覆蓋作業，無需進行焊接打底，且埋弧焊一次性成型的焊縫比氣保焊的焊縫更加美觀。

在U肋埋弧外焊機器人焊接系統前期的試驗及試生產期間分別對8 mm、10 mm、12 m以及16 mm厚的U肋板單元進行了焊接試驗。U肋埋弧外焊機器人焊接系統所加工的U肋板單元坡口參數均為52°，坡口保留2 mm鈍邊，并在經過U肋板單元組裝、U肋內側角焊縫氣保焊焊接等工序后來到U肋埋弧外焊機器人焊接系統上進行外側角焊縫埋弧焊接。外側角焊縫埋弧焊焊接情況見表1( 試驗數據剔除了U肋板單元本身及內焊等外界因素所導致的不良數據)。

表1 外側埋弧角焊縫焊接數據

表1焊接數據表明U肋埋弧外焊機器人焊接系統達到了制造前制定的全熔透總長綜合占比95%的要求。同時為進一步直觀地了解U肋埋弧外焊機器人焊接系統的焊接狀況，對部分焊接的板單元進行了宏觀腐蝕試驗，8 mm厚U肋板單元左側角焊縫與右側角焊縫局部的宏觀腐蝕試驗結果如圖2所示。圖2表明,外側埋弧焊接熔深達到全熔透要求，無氣泡、雜質等不良點，且與內焊交熔良好。

圖2 8 mm厚U肋板單元宏觀腐蝕試驗

但是，由于U肋埋弧外焊機器人焊接系統是新型設備，存在一些不足。該設備受機械結構的影響，只安裝了4套焊接系統，相較于焊接專機最少6套焊接系統，其焊接效率略低。但在技術和工藝成熟的條件下，對其焊接工序和生產步驟進行深度優化，能夠更進一步提高其生產效率。由于是初代產品，其設計時對機器人的應用還屬于淺層應用，其后代產品需對機器人與其他電氣產品與元件進行深度融合與開發，使設備各電氣元件與智能元件得到更深層次的應用，使其更加智能化，操作更簡便。

4 結語

綜上所述，由于埋弧焊的性質和優點，至少在U肋板單元焊接中將會逐漸占據主要地位，同時由于國家對制造業智能制造的要求，機器人焊接系統將會越來越受到各大公司的青睞。由此可見，U肋埋弧外焊機器人焊機系統在不久的將來會在U肋板單元焊接市場中甚至是鋼橋生產行業中打下一片江山。