大型重工结构件焊接自动化生产

吴定勇 杨辉 李博 申俊琦 王志江 胡绳荪

【摘 要】文中阐述了大型重工结构件焊接自动化生产的难点，并依据盾构机环体的焊接自动化改造，给出了该类产品自动化解决方案示例，并指出充分发挥机器人技术的优势，不断创新提高技术水平，大型重工结构件自动化生产水平必然逐步提高。

【关键词】机器人;焊接自动化;非标件;重工

中图分类号： TG409;TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）08-0109-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.046

【Abstract】The difficulty in automatic welding manufacturing of large welded structure in heavy industry was discussed at the present work. Taking the automatic manufacturing upgrade for B ring of shield tunneling machine as an example， a proposal of automatic solution for the similar products were given. It is believed that the level of automation for large welded structure manufacturing in heavy industry will be promoted if robot technology could be taken full advantage and the corresponding technologies could be developed and improved.

【Key words】Robot; Welding automation; Non-standard product; Heavy industry

1 重型结构件的生产现状

自德国、美国、日本等国家提出“再工业化”战略以来，世界兴起了第三次工业革命浪潮。面对全球制造业格局的深刻变革，中国提出“中国制造2025”，力求通过发展科技创新技术，优化产业结构，完成从制造业大国向制造业强国的升级改造。焊接技术作为重型构件生产制造过程中重要的连接技术，在其中发挥着重要的作用。然而，目前国内的许多制造厂家仍主要采用手工焊接，不仅劳动强度大，工作环境差，对焊工的身心造成严重考验，而且焊接质量不高，效率低等问题比较突出，焊接稳定性和一致性难以得到保证。与传统人工焊接相比，使用机器人实现重型结构件的焊接自动化可以大大提高焊接效率，优化焊缝质量，并改善劳动条件，机器人自动化焊接技术因其高效、稳定、柔性化等特点也将成为未来的一个主要发展方向。

2 重型结构件焊接自动化的难点

在实现重型结构件自动化焊接的过程当中，主要存在着以下几个难点：

（1）由于重型构件的结构一般较大，且较为沉重，因此移动起来较为不便。

（2）实际焊接过程中寻缝较为困难。

（3）焊接机器人位置一旦固定，其工作空间就是确定的，不如人工灵活，可达性较差。

（4）由于重型构件的板厚较厚，需要进行多层多道焊来完成坡口填充，较大的填充量会带来较大的热输入，容易产生焊接变形的问题。

（5）焊接过程中工件一旦发生变形，焊枪就会偏离理想的焊接轨迹，进而影响焊接效果，需要对焊枪位置进行纠正。手工焊接时焊工可通过实时观察随时调整焊枪位置，而机器人焊接时很难对焊接軌迹实时修正，焊缝跟踪较为困难。

3 重型结构件焊接自动化问题的解决方法

为了更好的实现重型结构件的焊接自动化，下面将以盾构机环体的自动焊接为例对上述问题进行解决。

盾构机环体的位置一旦固定就很难移动，相对来说，焊接机器人的位置就比较容易发生改变，可将焊接机器人安装到导轨式分体C型行走架上，通过移动焊接机器人来改变机器人和盾构机之间的相对位置（图1），进而实现盾构机的焊接。

实际焊接时工件很难保证在同一位置，不可能每次工件位置发生变动都去重新示教机器人程序，因此，可采用机器人的接触式寻缝功能来解决这一问题。以机器人接触式传感的方式，让机器人自动寻找焊缝位置，找到焊缝位置后，通过PR位置寄存器的运算来设定机器人的程序。设定机器人在进行焊缝程序时，焊机给出一个直流电压信号到焊丝端部，当焊丝与工件接触时，瞬间产生电流反馈至焊机，此刻机器人自动存取当前机器人TCP点的位置。利用这个接触式传感的特性，可以方便的进行运算，从而精确地找出焊缝的起点位置。

与人工焊接相比，机器人的自动化焊接可达性较差，对此可采用更换焊枪的解决办法，可分为以下两种情况。一种是改变焊枪的角度，在某些条件下焊枪受结构限制会偏离坡口平分线的位置，此时可以更换角度较大的焊枪，在其他情况不变的情况下，焊枪角度较大时能够使焊枪更加接近坡口角平分线位置。另一种是改变焊枪的长度，在焊接一些内部焊缝时，焊枪较短难以进入适合焊接的位置，加上焊枪后半部分体积较大，也会限制焊枪在工件内部的姿态，通过更换枪颈长度较长的焊枪可以减少焊枪造成的姿态限制。因此，可根据实际焊接时工件中焊缝所处的位置来选择具有合适角度和长度的焊枪，从而在一定程度上解决可达性的问题。另外，在局部极限条件下，可辅以人工焊接。

与单道焊接相比，多层多道焊更容易出现焊接变形的问题。为此，进行焊接时应选用能量密度高、热输入较低的焊接方法，如熔化极气体保护焊;另外，坡口角度和坡口间隙可适当减小，从而减少熔敷金属的填充量;此外，针对盾构机环体的环缝焊接，可采用对称焊接的方式，即两台机器人在环缝的两端同时开始施焊，并同时结束，相当于每台机器人行走了一个半圆的轨迹，并最终实现整个环缝的焊接，这种方式与一台机器人的环缝焊接相比，可有效降低焊接变形;进行多层多道焊时，在满足焊缝质量要求的条件下，可采用焊接电流较小、焊接速度较快的焊接参数，从而降低热输入。总的来说，以上几种措施均可缓解焊接变形的问题。

在焊接变形得到一定缓解的基础上，通过开发人机交互焊缝跟踪系统实现焊枪位置的可调，从而保证焊接质量。为了实现开始焊接后机器人行走轨迹的调节，可以向机器人控制器的传入模拟信号，模拟偏差信息，从而使机器人按照设定的偏差进行焊缝横向和焊枪高度方向的调节，实现在焊接过程中改变焊接路径的目的，最终实现多层多道焊的实时跟踪纠偏控制。

4 结论

焊接自动化技术在重型结构件生产中的应用会越来越普遍，并且会不断发展和进步。尽管在大型重工结构件的自动化生产方面存在大量的困难，但充分发挥机器人技术的优势，不断创新技术水平，其自动化水平必然逐步提高。通过实现自动化技术与机械生产制造的同步发展与更新，可推动工程机械生产制造领域的产业升级，促进生产质量与产品标准的优化。

【参考文献】

[1]陈华斌，黄红雨，林涛，等.机器人焊接智能化技术与研究现状[J].电焊机，2013，43（4）：8-15.

[2]幸权，柴宗明.智能制造关系中国制造业发展[J].企业技术开发月刊，2011，30（14）：116.

[3]傅彩虹.基于自动化技术的机械制造革新途径分析[J].南方农机，2017，48（18）：98.