面向船舶企业的常用焊接机械化设备分析

苏 娟，王 健

（1.南京中电熊猫液晶显示科技有限公司，江苏南京 210033；2.中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，辽宁沈阳 110016）

0 引言

焊接生产与国民经济的发展密切相关，随着国民经济的快速发展，焊接过程的机械化、自动化是机械制造企业焊接生产技术改造的主要方向。实现焊接设备机械化有利于提高焊接生产效率与焊接质量，对我国制造装备技术的发展起到重要推进作用。本文主要从船舶企业角度出发，介绍焊接机器人、埋弧自动焊、搅拌摩擦焊等几种常用机械化焊接设备。

1 焊接机器人

焊接机器人是指从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。1962年，第1台机器人在美国通用汽车厂投入使用。1980年，工业机器人在日本普及。至今，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域［1］。焊接机器人包括机器人本体、机器人控制柜、焊机系统及送丝单元、变位机、装夹具等部件。典型的焊接机器人系统有3种形式：焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机（见图1）。焊接机器人工作站一般适用于中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂；焊接机器人生产线特别适合在产品品种多、每批数量又很少的情况下采用；焊接专机适用于批量大、改型慢的产品，对焊缝数量较少、焊缝较长、形状规则的工件也较为适用。

使用焊接机器人进行焊接作业，一方面可以提高焊接生产效率和焊接质量，另一方面又可以减轻工人劳动强度和焊接技能要求。目前汽车生产线中汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器已广泛使用点焊机器人焊接，船舶领域中弧焊机器人则广泛应用在纵、横构件间各种角焊缝的焊接、船体外板对接焊缝的焊接以及管——管和管——法兰的焊接。

图1 弧焊机器人设备

1.1 机械手自由度

焊接机器人的灵魂是机械手，机械手是指机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。机械手的运动自如对于适用于各种位置的焊接尤为重要。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。机械手本体由基座、肩部、大臂、小臂、手腕、末端执行器所组成（见图2）。机械手通常情况下分为五轴驱动和六轴驱动，在六轴驱动机械手中，6个自由度依次为：肩部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回转、手腕俯仰和手腕回转［2］。

1.2 机械手结构误差

机械手运动轨迹的准确无误对于焊接质量尤为重要。通常情况下，造成机械手的结构误差有3个方面：

图2 机械手关节简图

（1）装配误差。直角坐标系结构的装配误差主要由3个直线模块的垂直度和行走平行度决定。垂直度误差会随着各自由度上行程的变化而产生结构误差的线性累积，故大行程的直角坐标结构须严格保证自由度间的垂直度精度。行走平行度主要由辅助导轨的行走精度控制，故其引起的结构误差可通过选用相应精度的导轨来控制。

（2）机械传动误差。直线运动模块的传动误差受限于电机的转动精度、丝杠与螺母间的回程间隙和轴向刚度误差等，其引起的结构误差可通过消除丝杠螺母间的回程间隙和选用相应精度等级与轴径的丝杠等来控制。

（3）刚度误差。刚度误差与机械手的本体结构息息相关，是引起机械手结构误差的重要因素。出于轻型化考虑，机械手一般采用轻质结构，但当机械手负载较大时，整机刚度下降较为严重。

2 埋弧自动焊

埋弧自动焊是指电弧在焊剂层下燃烧，用机械自动引燃电弧并进行控制，自动完成焊丝的送进和电弧移动的一种电弧焊方法［3］，广泛用于船舶、压力容器、机械制造领域的大厚板对接焊缝及筒体构件的环焊缝。按照机械化程度，可以分为自动焊和半自动焊2种（见图3）。自动焊焊丝送进和电弧相对移动都是自动的，而半自动焊仅焊丝送进是自动的，电弧移动是手动的。自动埋弧焊机由机头、控制箱、导轨（或支架）以及焊接电源组成。目前绝大多数已使用自动埋弧焊设备。随着近年来的埋弧自动化的快速发展和大面积应用，在埋弧自动焊的基础上又形成了双丝埋弧焊接工艺、焊剂石棉衬垫单面焊FAB法工艺、热固化焊剂衬垫单面焊RF法工艺、铜衬垫单面焊FCB法工艺、窄间隙埋弧焊接工艺等新型高效焊接技术，使埋弧焊设备的机械化自动化程度进一步提高。

图3 常用的埋弧自动焊机形式

3 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊（FSW）是英国剑桥焊接研究所（TWI）于1991年10月发明的一项焊接新技术［4］，其基本原理与“钻木取火”相似，即利用摩擦产热的原理进行焊接。焊接过程中，搅拌头插入工件中高速旋转，使接缝处金属处于塑性软化区，旋转探头周围的塑性软化区金属收到摩擦、搅拌、挤压，并随着搅拌探头沿焊缝向后形成塑性金属流，随后在探头离开后的冷却过程中，在受挤压的条件下，形成固相焊接接头。我国学者于20世纪90年代末开始了对搅拌摩擦焊接技术的学习和研究。早期兰州理工大学利用铣床进行改造，研发出相应的搅拌摩擦焊机。2002年，TWI授权北京赛福斯特技术有限公司在中国进行搅拌摩擦焊接设备的销售和生产。截至目前，已在哈尔滨工业大学、江苏科技大学、兰州理工大学、中国科学院金属研究所、红阳机械厂等多家单位投入使用，并开发研制出C型、龙门式（见图4）和悬臂式3个系列的搅拌摩擦焊机（包括工装）。韩国大宇船厂等已采用此技术生产预成型结构件，使船舶制造由零件的制造转变为船舶甲板以壳体的预成型结构件的装配。我国目前搅拌摩擦焊还处于实验室研究状态，仅在红阳机械厂等少数单位得到部分应用，因此今后将搅拌摩擦焊用于船舶制造领域势在必行。

图4 龙门式搅拌摩擦焊焊接设备

4 结语

焊接设备的机械化和自动化反映了一个国家的科技实力和生产水平，采用机械化、自动化焊接设备可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机械化、自动化焊接装备一次性投资成本大，研发周期长，科技含量较高，对于工人的科学文化要求较高，但从长远利益角度来说，会使我国船舶企业的生产能力有巨大的提升，生产成本会进一步下降。

［1］王宗杰.熔焊方法及设备［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］李雷阵，胡小建，王求.焊接机械手的设计及动力学仿真［J］.现代焊接，2011（1）：20-21.

［3］应潮龙.实用高效焊接技术［M］.北京：国防工业出版社，1995.

［4］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册—焊接方法及设备［M］.3版.北京：机械工业出版社，2008.