机器人焊接技术在液压支架结构件制造中的应用

杨兆伟

（济南煤炭科技研究院，山东邹城 273500）

0 引言

随着液压支架需求量的不断增加，当今液压支架生产制造企业大多数还是以手工焊接作为主导的支架结构件制造方式。而高端支架制造大部分部件都是采用高强板焊接，高强板焊接要求将焊件加热至200 ℃，施焊温度在80 ℃以上，焊工的焊接工作需要在不间断的高温条件下进行，工人的劳动强度非常大。并且，手工焊接受到人为因素的制约非常大，难以确保焊接效果，从而不利于支架性能的发挥。因为高端支架构件板材较厚、尺寸大，具备复杂的焊接工艺，从而人工焊接难以提升焊接效率。鉴于此，完善机器人焊接技术在液压支架结构件制造中的应用显得非常迫切。

1 液压支架结构件焊接技术的具体标准

结合焊接指标，焊接结构件外形需要防范尖角。铰接位置四孔同轴度是D1-2 mm。焊接直线不大于4 m 的情况下，焊接平面没有标注的直线度公差是2‰；焊接直线在4 m 以上的情况下，此公差在3‰之内；没有标注的平面度公差无论在哪个方向，都需要确保误差小于2 mm/m。并且，焊缝抗拉强度需要在520 MPa 以上。此外，全部焊缝务必符合Ⅱ级焊缝标准，禁止焊接缺陷（没有熔合、气孔、裂孔、夹渣等）形成，同时还要最大限度减少焊接变形。

2 液压支架焊接机器人的发展情况

随着智能制造的不断发展和进步，汽车制造和工程机械等方面广泛采用机器人焊接方式，大大提升了焊接质量和制造效率。大部分的液压支架应用立体交叉焊缝、中厚板经短距离焊接而成，焊接可达性不高。另外，工件拼装和定位需要非常高的精度，这大大提高了全自动焊接液压支架机器人的应用难度。近年来，很多企业进行了焊接试验工作，逐步在液压支架连杆焊接生产中应用机器人焊接系统，从而实现了连杆焊接质量与自动化水平的提升。也有一部分企业在焊接复杂箱体构件（支架底座、掩护梁、顶梁等）中应用了先进焊接机器人技术，实现了大规模化的自动化生产模式。

当前液压支架焊接中应用焊接机器人面临以下问题：①液压支架的构造基本为箱型，其特点是拼装数和焊接工位多、构造多变，多变复杂的空间焊缝是其主要焊缝；②基本由中厚板拼焊而成的支架结构件，下料和拼接存在较大误差，焊接质量难以保障；③多层多道焊是液压支架焊接的主要形式，其要求较高的焊接机器人程序保障；④变位设备成本大，以及配套系统过于复杂，难以实现批量化生产；⑤焊接机器人与变位设备互相对应，在高温焊接状况下焊接速度比工件降温速度慢，重复加热之后焊接效率下降。

3 液压支架结构件制造中改进和完善的机器人焊接技术的应用

3.1 机器人焊接定位控制

自动化焊接液压支架的实现，需要焊接机器人能够进行空间位移以及保持标准的焊枪姿态。实时跟踪定位功能的设置可以对坡口和焊缝宽度进行自动识别，主要有以下3 种技术。

（1）运动控制技术。多变复杂的空间焊缝是液压支架构件焊缝的主导，其需要焊接机器人对运行过程进行精准控制，确保顺着工件焊缝的空间移动，以及对相关工艺参数进行协调。

（2）焊缝跟踪和定位技术。液压支架的组成是拼接的中厚板材，拼接时难以控制误差，以及难以准确定位焊缝，想要使自动焊接实现，需要焊接机器人对改变的焊缝轨迹进行实时跟踪，可以结合改变的焊缝坡口自主调节工艺参数。在用机器人焊接液压支架构件中，现在有些企业应用激光焊缝跟踪技术。

（3）多层多道焊接技术。因为液压支架板材厚、尺寸大，为了降低工件热变形量和减少热输入，多层多道焊接的应用较多。机器人焊接的重要技术是自动化多层多道焊接技术，该技术一般首先进行全部焊缝的打底焊接，然后实施盖面焊接。

3.2 焊接区间电弧异常报警

（1）制作气动除渣枪。为了有效清理机器人焊接之后形成的药皮和焊渣，需要根据场地作业流程将焊渣清理干净，结合工作现场的风源制作气动除渣枪，其主要组成部分是快速接头、保护套、除锈钢针、进气开关压板等，有效兼顾作业时会伤害人体的情况，需要增加保护套，以有效防护作业人员，确保焊渣被清理过程中的安全性。

（2）焊接五步检查排除。在具体焊接时，机器人报警——焊接区间电弧异常的现象会多次形成，为了消除该报警现象，根据场地焊接的具体要求制作一种实用和简单的气动清渣枪。这是一种专门的清除焊接药皮工具，在进行焊接时应执行五步检查排除法，其具体环节如下：①将原点坐标设计于断弧点，把焊枪动作至方便观察、清理、安全的部位；②实时对导电嘴和喷嘴的现状，需要的情况下迅速对导电嘴和喷嘴进行更换；③在焊丝送丝操作时，场地作业者注重观察，当存在焊丝黏连的情况下实时手动清剪黏连的焊丝；④维持为22 mm 的清剪之后的焊丝干伸长度，确保焊丝部位在喷嘴中心点，以及垂直于喷嘴截面；⑤场地作业者应站在安全的地方，以自制工具对焊道表面的药皮进行清理，防范伤害操作人员。

3.3 喷嘴接触工件报警

对于具体焊接时工业机器人形成的报警现象——喷嘴接触工件，需要制定有效的排除方法，重点基于下面6 项进行排除：①组对工件的过程中确保筋板跟底板和主筋之间垂直，工件盖板的组对确保盖板下卧主筋板的大小适宜；②为了对焊接前后的变形情况进行有效控制，应增加间隙值和支撑，需要认真根据工艺标准加垫；③装夹的组对应确保异物不出现在组对平台上，结合定位质子摆放工件，对称紧固螺母和装夹锥筒，保障均匀地进行紧固；④焊接时应及时调整焊接参数，微微调节焊枪的偏移情况，在使前后进角跟左右倾角未发生改变的条件下实现批量生产的要求，防范根部扎进焊枪，避免烧毁导电嘴；⑤需要场地作业者预处理工件、预检验拼装、常观察焊接；⑥进行焊接时，应注重管理所有的控制节点，体现机器人的执行力与人的积极主动性。

4 机器人焊接技术的应用成效

通过试验机器人焊接技术在液压支架构件制造中的应用，以及结合重复摸索编程、找点、工艺、加紧等，使机器人焊接技术实现理想的应用效果。

4.1 优化焊接工艺

结合固有焊接机器人程序以及条件的运行特点，在多次试验之后设置了一套有别于手工焊接次序的、与机器人焊接相适应的焊接工艺。与手工焊接方式相比，该技术降低了焊接变形量和顶筋数量，完成了大采高柱窝、单双连杆、掩护梁、推移杆、顶梁等程序的编程和优化。目前，机器人焊接液压支架构件的编程技术仍在不断进步。

4.2 提升焊接质量

（1）焊接前后连杆、掩护梁、支架顶梁的试验结论证实，角焊缝焊接成型且美观，显著优于手工焊接方式，并且因为机器人根据相应的程序开展操作，相比于手工焊接方式，其大大降低了变形量。

（2）显著提升角焊缝质量。因为受到人员操作技能的差异或者工作态度的影响，人工焊接很难保障焊缝质量，而机器人焊接技术只要调整好参数，就能确保焊缝达到相应的级别。通过试验机器人对样件的焊接情况，证实与焊接指标相符合。

4.3 提升焊接效率和安全性

人工焊接的过程中，为了对工件一系列部位的焊缝进行焊接，要求来回翻转五六次工件，每一次的翻转都要求两名焊工与一名天车工的配合，耗费时间15 min 以上。应用机器人进行焊接，减少了焊接时翻转工件的时间，当前工件在变位装置上进行一次翻转的时间在0.5 min 之内。并且以往重点依赖变位机固定设备定位工件，难以精确地重复定位工件，可是机器人默认的坐标系与首件相同，从而造成批量焊接时存在撞枪和偏焊情况。机器人焊接技术的应用，不但减少了工人的劳动强度、减小了用工规模，之前焊接一件工件要求两人，当前仅仅要求一人对机器人看守即可，并且可以同时焊接两个工件，从而节省人工成本。机器人焊接技术的应用还优化了工人工作环境，焊工勿需紧贴工件开展作业，减少焊接高温和烟尘对人身的危害。

5 结论

综上所述，液压支架构件制造中应用机器人焊接技术实现了理想的成效，不但优化了焊接工艺，而且提升了焊接质量和效率以及安全性，确保了焊接时的质量可靠性与稳定性，得到一线工作者的广泛肯定。当然，由于受拉筋以及工件空间部位的制约，机器人难以焊接所有部位的焊缝，对难以进行焊接的位置和焊缝仍要求人工进行补焊。另外，对于坡口焊缝，因为下料机器人切割的坡口存在误差、焊接机器人难以准确跟踪，难以确保坡口焊缝的焊接质量，因此未来还要不断优化和完善相关工作。