對(duì)適用于液壓支架結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接的拼裝工藝分析

胡增光 馬 宇 崔 磊

（西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司，銅川 727000）

在液壓支架結(jié)構(gòu)件制作中，合理運(yùn)用機(jī)器人焊接技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的拼裝工藝，能夠提升焊接效率，保證焊接可達(dá)率和拼焊質(zhì)量。因此，本文開(kāi)展了對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接拼裝工藝的研究，探究傳統(tǒng)工藝中存在的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析的方式分析新工藝的優(yōu)勢(shì)與不足，并提出了針對(duì)性的解決措施，以進(jìn)一步提升液壓支架結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接拼裝工藝水平，促使機(jī)器人焊接拼裝工藝能夠在液壓支架結(jié)構(gòu)件制作中得到更好的應(yīng)用。

1 液壓支架構(gòu)件焊接技術(shù)要求

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，以機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工勞動(dòng)力成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域主要的發(fā)展方向。液壓支架作為現(xiàn)代化采煤的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)件的制作尤為重要。現(xiàn)階段，液壓支架制作過(guò)程中普遍選擇使用焊接技術(shù)，其中機(jī)器人焊接技術(shù)是最常見(jiàn)的焊接方式。在液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照規(guī)定焊接，以保證焊接質(zhì)量，進(jìn)而保證液壓支架的制作質(zhì)量。

一方面，要求焊接結(jié)構(gòu)外形不可存在尖角，否則易磨損焊接設(shè)備，給企業(yè)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，需要保證鉸接部位四孔同軸度直徑為0.5 ～1.0 mm，焊接長(zhǎng)度在4 m 以內(nèi)。焊接抗拉強(qiáng)度不得低于520 MPa。在焊接過(guò)程中，需要參照《煤礦用液壓支架 第1 部分：通用技術(shù)條件》（GB 25974.1—2010）中的規(guī)定進(jìn)行焊接，不允許存在裂紋、氣孔及夾渣等焊接缺陷。此外，焊接過(guò)程中要保證表面清潔，且所有焊接等級(jí)必須達(dá)到Ⅱ級(jí)。

2 機(jī)器人焊接存在的問(wèn)題及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 存在的問(wèn)題

首先，調(diào)查研究顯示，現(xiàn)階段大部分液壓支架均為箱體結(jié)構(gòu)，需要焊接的部位較多，且拼裝量較大。同時(shí)，為了保證液壓支架的使用性能，需要保證液壓支架具備一定的密封性，進(jìn)一步增加了液壓支架的焊接難度。

其次，液壓支架的結(jié)構(gòu)件鋼板厚度普遍較大，對(duì)焊接工藝提出了更為嚴(yán)格的要求，必須選擇合適的焊接工藝才能夠保證整體的焊接質(zhì)量。

再次，現(xiàn)階段大部分液壓支架的焊接技術(shù)普遍選擇的是多層多道焊接技術(shù)，這就要求在使用機(jī)器人焊接時(shí)需要編寫更復(fù)雜的焊接程序，增加了程序編寫的難度。

最后，由于在實(shí)際使用機(jī)器人焊接時(shí)，需要將機(jī)器人手臂移動(dòng)至焊接部位隨后進(jìn)行焊接，因此需要為焊接機(jī)器人配備變位裝置，但變位裝置價(jià)格較為昂貴，且占地面積較大。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

針對(duì)變位裝置較為昂貴且占地面積較大的問(wèn)題，可選擇使用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)能夠幫助焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)空間位移，且在位移后可使焊接機(jī)器人依舊保持規(guī)范的焊槍姿態(tài)。在實(shí)際使用運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中，需要根據(jù)液壓支架箱體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。箱體結(jié)構(gòu)焊接對(duì)液壓支架空間位移的需求量較大，且需要保證焊接機(jī)器人能夠沿著焊縫空間移動(dòng)，故需要在焊接前根據(jù)實(shí)際的焊接要求設(shè)計(jì)焊接參數(shù)，并以焊接參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)，保證焊接機(jī)器人的空間位移能夠滿足液壓支架的焊接要求[1]。

2.2.2 焊縫定位與跟蹤技術(shù)

焊接定位與跟蹤技術(shù)對(duì)于監(jiān)控焊接情況尤為重要。通過(guò)焊接定位與跟蹤技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊縫與坡口寬度的自動(dòng)識(shí)別，這對(duì)于保證整體的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。實(shí)際上，液壓支架的鋼板較厚，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位較為困難，因此需要選擇采用實(shí)時(shí)跟蹤的方式，根據(jù)焊縫軌道的變化精準(zhǔn)定位焊槍。隨著近年來(lái)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光焊接跟蹤技術(shù)得到了較大的發(fā)展。激光焊接跟蹤技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)坡口的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。未來(lái)在焊縫定位與跟蹤技術(shù)的研究中，需要以激光焊接跟蹤技術(shù)為主。

2.2.3 多層多道焊技術(shù)

為保證液壓支架的穩(wěn)定運(yùn)行，需要確保液壓支架具有足夠的支撐力，而這就導(dǎo)致液壓支架尺寸大、板材厚，給液壓支架的焊接造成了困難。在實(shí)際進(jìn)行液壓支架焊接的過(guò)程中，由于熱輸入量較大，很容易導(dǎo)致液壓支架產(chǎn)生焊接形變。為了減少熱量的輸入，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員研發(fā)了多層多道焊工藝。同時(shí)，隨著近年來(lái)我國(guó)社會(huì)科技的發(fā)展，智能化、自動(dòng)化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了普及。在液壓支架焊接工藝中，自動(dòng)化多層多道焊是液壓支架機(jī)器人焊接的關(guān)鍵技術(shù)。多層多道焊通常是先完成所有焊縫的整體打底焊接，再進(jìn)行蓋面焊。為解決這一問(wèn)題，仁懷偉開(kāi)發(fā)了專用于液壓支架的分層多道焊焊接程序和數(shù)據(jù)庫(kù)，最多可以同時(shí)錄入10 條焊縫的打底焊信息，自動(dòng)生成蓋面焊接程序，并與所屬打底焊焊縫的焊接順序一一對(duì)應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了液壓支架構(gòu)件的自動(dòng)化分層多道焊焊接[2]。

3 工程案例

3.1 項(xiàng)目概述

為了更好地分析液壓支架結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接的拼裝工藝，選擇以某煤礦機(jī)械有限公司的液壓支架為例進(jìn)行闡述。該企業(yè)為液壓支架制造企業(yè)，液壓支架型號(hào)為ZY12000/20/40D。該企業(yè)在進(jìn)行液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)，主要使用的是機(jī)器人焊接技術(shù)。當(dāng)液壓支架結(jié)構(gòu)件拼裝完成后對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接，才能夠確保液壓支架正常使用。本試驗(yàn)開(kāi)展的主要目的是驗(yàn)證該企業(yè)液壓支架結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接拼裝工藝的合理性。

3.2 拼焊工藝技術(shù)要求

在拼接過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙規(guī)定的要求進(jìn)行拼裝，確保各零部件和組件拼裝位置正確，且在拼裝完成后檢查零部件和組件的位置。同時(shí)，需要保證零部件和組件表面的清潔度，不得有水、銹及油污。此外，要求手工劃線寬度不大于1.0 mm，并按照規(guī)定的要求進(jìn)行反變形尺寸和預(yù)留尺寸的確定。為防止主筋變形，需要根據(jù)主筋貼板的實(shí)際情況適當(dāng)校正焊縫，且各貼板之間的拼裝間隙需要小于0.5 mm，而其他部位的拼接間隙需要小于1.0 mm。

3.3 工藝方案優(yōu)化措施

掩護(hù)梁體是液壓支架的重要組成部分，其拼裝質(zhì)量直接決定了整個(gè)液壓支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。若液壓支架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，則會(huì)導(dǎo)致液壓支架的運(yùn)行穩(wěn)定性較低，容易發(fā)生安全事故。因此，本文選取液壓支架的掩護(hù)梁體作為主要研究對(duì)象。掩護(hù)梁體由頂板、主筋組件、平衡耳座、蓋板、內(nèi)部縱橫筋及其他附件組成，為密封箱體結(jié)構(gòu)。在掩護(hù)梁的生產(chǎn)過(guò)程中，由于掩護(hù)梁組件較多，通常需要經(jīng)過(guò)多次拼焊才能夠完成生產(chǎn)，而拼焊的質(zhì)量直接決定著掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的密封性與安全性。因此，對(duì)掩護(hù)梁拼焊的工藝要求較為嚴(yán)格，生產(chǎn)難度較大[3]。

掩護(hù)梁的鋼板厚度通常要求在20 ～60 mm，故本項(xiàng)目選擇使用多層多道焊技術(shù)。該技術(shù)累積需要進(jìn)行3 次拼接、3 次焊接、2 次預(yù)熱和2 次校正，焊接量較大且空間焊接較多，具體拼焊流程為“一拼（拼接掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)）—預(yù)熱—一焊—一校—二拼—預(yù)熱—二焊—三拼—三焊—二?！?。在焊接過(guò)程中，受關(guān)節(jié)臂和焊槍結(jié)構(gòu)的限制，采用機(jī)器人焊接拼裝工藝容易出現(xiàn)可焊率較低、人工補(bǔ)焊量大的問(wèn)題，故拼焊流程復(fù)雜且消耗時(shí)間較多，需要優(yōu)化拼焊工藝[4]。該企業(yè)選擇在原有焊接流程的基礎(chǔ)上增添了補(bǔ)焊環(huán)節(jié)，并深化一拼環(huán)節(jié)，將其調(diào)整為左箱體拼裝、中間箱體拼裝和右箱體拼裝，待拼裝完成后進(jìn)行左箱體預(yù)埋、中間箱體預(yù)埋和右箱體預(yù)埋，并在完成上述工藝后將箱體合體。具體工藝流程為“一拼—預(yù)熱—一焊—補(bǔ)焊—一校—二拼—預(yù)熱—二焊—補(bǔ)焊—三拼—預(yù)熱—三焊—補(bǔ)焊—二?！?。

3.4 生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.4.1 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

選取掩護(hù)梁作為試驗(yàn)的主要部位，選取焊接可達(dá)率、焊接效率、鉸鏈孔焊接后同軸度及鉸鏈孔處檔距為主要參考依據(jù)，判斷液壓支架機(jī)器人焊接技術(shù)的應(yīng)用效果和拼裝工藝的合理性。本試驗(yàn)選取6 臺(tái)液壓支架，將其分為A 組和B 組，每組3 個(gè)掩護(hù)梁。A 組液壓支架編號(hào)為1#、2#、3#，B 組液壓支架編號(hào)為4#、5#、6#。A 組采用優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行拼焊，B 組使用傳統(tǒng)的工藝方案進(jìn)行拼焊，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，A 組一次焊接的焊絲量為120.0 kg，第二次焊接的焊絲量為20.5 kg，第三次焊接的焊絲量為46.0 kg，一次焊接比重占比64.5%。通過(guò)對(duì)比本試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析機(jī)器人焊接的焊絲量和人工補(bǔ)焊的焊絲量可知，機(jī)器人焊接對(duì)可達(dá)率和焊接效率的影響甚微。表1 為掩護(hù)梁焊接機(jī)器人和人工補(bǔ)焊的焊絲量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖1 為掩護(hù)梁焊接機(jī)器人焊接可達(dá)率分析。

通過(guò)分析可知，新工藝與舊工藝的第二次焊接與第三次焊接的焊絲量差別并不大，但與第一次焊接的焊絲量差別較大。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，新工藝拼裝方式使得焊接效率提升了約13%，說(shuō)明焊接效率能夠得到顯著提升。

表1 掩護(hù)梁焊接機(jī)器人和人工補(bǔ)焊的焊絲量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表單位：kg

在進(jìn)行鉸鏈孔焊接后同軸度的分析時(shí)，采用剛性軸四孔順利通過(guò)法進(jìn)行測(cè)量[5]。本試驗(yàn)選取的3 組孔的預(yù)鏜孔徑均為148 mm。通過(guò)測(cè)量可知，所有孔徑均可通過(guò)測(cè)試，但1#、3#和5#液壓支架掩護(hù)梁存在較緊的問(wèn)題。這是由于新拼裝工藝在合體時(shí)采用了左箱體、右箱體以及中間箱體分別拼裝的方式，在拼裝完成后將掩護(hù)梁合體，但在合體后并未對(duì)鉸鏈孔進(jìn)行二次定位，故需要對(duì)拼裝工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，增添對(duì)鉸鏈孔進(jìn)行二次定位的步驟。

在進(jìn)行鉸鏈孔處檔距測(cè)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量連桿鉸鏈處檔距尺寸和頂掩鉸鏈處檔距尺寸。通過(guò)測(cè)量可知：1#、2#及3#連桿鉸鏈處檔距尺寸變化較為均勻，基本穩(wěn)定在370 ～371 mm，頂掩鉸鏈處檔距尺寸變化也較為均勻，基本穩(wěn)定在430 ～432 mm；4#、5#和6#連桿鉸鏈處檔距尺寸變化較為均勻，基本穩(wěn)定在370 ～371 mm，但頂掩鉸鏈處檔距尺寸變化在430 ～433 mm。這說(shuō)明新工藝的鉸鏈孔處檔距變化更穩(wěn)定，對(duì)于減緩液壓支架的變形情況十分有利。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人焊接技術(shù)現(xiàn)已成為液壓支架主要使用的焊接技術(shù)，在使用過(guò)程中通常需要先將液壓支架結(jié)構(gòu)件拼裝完成后進(jìn)行機(jī)器人焊接。在分析某企業(yè)液壓支架掩護(hù)梁機(jī)器人焊接拼裝工藝后對(duì)原有的拼焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后工藝的焊接可達(dá)率、焊接效率、鉸鏈孔處檔距明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，但鉸鏈孔焊接后同軸度存在問(wèn)題。這是由于在拼裝完成后并未對(duì)鉸鏈孔進(jìn)行二次定位導(dǎo)致的，故而在箱體合體后對(duì)鉸鏈孔進(jìn)行二次定位，以進(jìn)一步優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接的拼裝工藝。