五軸數(shù)控機(jī)床加工高壓管件的精度建模
鍛制管件構(gòu)架作為鍛制管件轉(zhuǎn)向架設(shè)備安裝的鋼結(jié)構(gòu)骨架，其主要承受鍛制管件上部重量、傳遞鍛制管件運(yùn)行中的鍛制管件牽引力及各種振動(dòng)，構(gòu)架質(zhì)量直接決定鍛制管件運(yùn)行是否安全、可靠。機(jī)械手焊接方法具有獲得高且穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量、美觀的焊縫成形，高效等優(yōu)點(diǎn)，其正在鍛制管件產(chǎn)品焊接中取代傳統(tǒng)的手工焊接方法。本文主要介紹焊接機(jī)械手在鍛制管件構(gòu)架框架生產(chǎn)中的焊接工藝研究及實(shí)際運(yùn)用情況，為推廣到其他鍛制管件構(gòu)架焊接生產(chǎn)提供借鑒。
1.概述
焊接機(jī)器人在焊接自動(dòng)化生產(chǎn)中占有重要的位置，該方法在西方先進(jìn)國(guó)家焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨成熟。根據(jù)我國(guó)工業(yè)“2025”目標(biāo)，鍛制管件車(chē)輛行業(yè)中正由手工半自動(dòng)焊接向焊接智能制造轉(zhuǎn)化，焊接機(jī)器人是鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品焊接智能制造的主要執(zhí)行設(shè)備之一。焊接機(jī)械手作為焊接機(jī)器人的主要設(shè)備，其在產(chǎn)品焊接質(zhì)量穩(wěn)定性、效率、焊縫外觀等方面大大優(yōu)于人工焊接，同時(shí)采用機(jī)械手焊接其生產(chǎn)周期相對(duì)固定和勞動(dòng)強(qiáng)度小，可以24h不停歇工作，是制造行業(yè)人工智能發(fā)展方向的必備設(shè)備。在鍛制管件車(chē)輛制造行業(yè)中，鍛制管件底架及構(gòu)架框架的單梁部件雖引入機(jī)械手焊接已二十余年，考慮鍛制管件轉(zhuǎn)向架構(gòu)架框架（本文簡(jiǎn)稱(chēng)構(gòu)架，下同）結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、工藝性及重要性，只有少數(shù)制造單位正在研究構(gòu)架的機(jī)械手焊接工藝。機(jī)械手焊接工藝在我公司的鍛制管件底架及構(gòu)架的單梁部件中也已成功應(yīng)用多年，公司具有成熟的機(jī)械手焊接經(jīng)驗(yàn)。本文重點(diǎn)介紹我公司在一種鍛制管件構(gòu)架焊接生產(chǎn)中進(jìn)行的焊接機(jī)械手方面的工藝研究及應(yīng)用情況，以期為后續(xù)焊接機(jī)器人在鍛制管件構(gòu)架中的工藝推廣提供具有價(jià)值的借鑒。
2.鍛制管件構(gòu)架的結(jié)構(gòu)及焊接工藝性分析
（1）鍛制管件構(gòu)架（見(jiàn)圖1）按EN15085體系設(shè)計(jì)，由左右側(cè)梁、橫梁和前、后端梁等箱型梁組成“日”字形框架。構(gòu)架焊縫分別以“X”、”Y”軸對(duì)稱(chēng)分布,位于各梁之間的連接處：主要是V形坡口對(duì)接、對(duì)接加角接構(gòu)成的復(fù)合T型接頭；焊縫數(shù)量多且長(zhǎng)度在200~500mm范圍；位置在空間位置；按EN15085體系規(guī)定，焊縫質(zhì)量等級(jí)均為CPB,焊接質(zhì)量要求高，要求焊后通過(guò)UT超聲波探傷+MT磁粉探傷+VT外觀檢查。
（2）構(gòu)架材質(zhì)為我國(guó)鍛制管件行業(yè)廣泛采用的的16MnDR低合金高強(qiáng)度鋼，該鋼碳當(dāng)量Ceq低于0.4%，焊接性好。鋼板厚度范圍在8~20mm，其焊接工藝需采用多層多道進(jìn)行焊接。
（3）構(gòu)架焊接工序內(nèi)容 首先，構(gòu)架側(cè)梁上下蓋板與中間橫梁上下蓋板、前、后端梁下蓋板的對(duì)接焊縫。其次，構(gòu)架側(cè)梁與前后端梁的單邊Y形+角焊縫。最后，構(gòu)架側(cè)梁與各橫梁立板間的單邊Y形+角焊縫。
（4）接頭統(tǒng)計(jì) 根據(jù)構(gòu)架產(chǎn)品焊縫結(jié)構(gòu)形式及接頭統(tǒng)計(jì)，構(gòu)架需進(jìn)行6項(xiàng)焊接工作試件
3.焊接工藝
（1）設(shè)備選型
考慮：①構(gòu)架焊縫對(duì)稱(chēng)分布。②構(gòu)架大部分焊縫施焊空間受限，焊槍的可達(dá)性要求高。③焊縫截面均為帶坡口的V型對(duì)接焊縫和單Y型角焊縫，機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)中焊絲尖端電弧電流/電壓波動(dòng)明顯。④存在構(gòu)架組裝的尺寸及位置偏差和雙絲焊槍兩絲的不同步問(wèn)題。我們決定采用：帶電弧跟蹤方式（而不能采用常見(jiàn)的激光或其他附加的跟蹤系統(tǒng)）+單絲加長(zhǎng)焊槍的公司正在使用的IGM雙槍滑軌式焊接機(jī)械手RT1330S能滿足要求。該焊接機(jī)械手設(shè)備需通過(guò)模擬工作試件焊接后方能實(shí)施焊接工作。
（2）構(gòu)架機(jī)械手焊接前的工藝質(zhì)量要求 ①?lài)?yán)格控制構(gòu)架框架單梁尺寸及形位公差滿足圖紙要求。②組裝后要求對(duì)接焊縫間隙控制在3±1 mm、T型角焊縫間隙控制在0-2mm。③組裝后各焊縫位置坐標(biāo)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的偏差在2mm以?xún)?nèi)。④為消除組裝誤差給機(jī)械手打底焊接時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題，確保根部焊接質(zhì)量，對(duì)所有焊縫進(jìn)行采用人工MAG（135）方式打底焊，打底層厚度不超過(guò)3mm。
（3）焊工資質(zhì)要求 焊工均需在取得相應(yīng)的ISO9606-1及EN1418資質(zhì)鑒定，同時(shí)通過(guò)焊接模擬工作試件后上崗。
（4）焊接工藝評(píng)定及試驗(yàn) 為保證機(jī)械手焊接質(zhì)量，我們通過(guò)工作試件進(jìn)行工藝評(píng)定以確定機(jī)械手焊接參數(shù)。
第一，工作流程：按ISO 15614-1要求，需對(duì)機(jī)械手焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，主要工藝流程為：焊接接頭統(tǒng)計(jì)→確定工藝評(píng)定項(xiàng)目→下達(dá)工藝評(píng)定試板→編制預(yù)焊接規(guī)程（PWPS）→機(jī)械手焊接并記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)→試件外觀檢查（100%VT）→無(wú)損檢測(cè)探傷（100%MT+100%UT（對(duì)接焊縫））→進(jìn)行破壞性試驗(yàn)（金相+拉伸+正反彎曲試驗(yàn)）→正式的焊接工藝規(guī)程（WPS）
第二，焊接工藝規(guī)范（WPS) 經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定，我們確定以下焊接工藝規(guī)范（WPS)。首先，對(duì)接焊縫：焊接位置PA，焊道布置為3層5道。
最后，角焊縫：焊接位置PC，焊道布置為2層4道,焊接參數(shù)如表4所示。
表4 角焊縫，PC焊接位置的工藝參數(shù)
第三，為進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品實(shí)物焊接質(zhì)量和機(jī)械手焊槍操作的可達(dá)性，我們進(jìn)行了實(shí)物模擬試驗(yàn)。由于構(gòu)架整體焊縫布置為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，實(shí)物模采用半邊構(gòu)架進(jìn)行，對(duì)構(gòu)架上的局部可能影響機(jī)械手可達(dá)性的產(chǎn)品附件采用鋼板代替模擬。
根據(jù)以上工藝參數(shù)編制焊接工藝文件焊接，焊后對(duì)模擬試件焊縫按圖紙要求進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（NDT)并進(jìn)行解剖取樣（同種類(lèi)型焊縫每種兩段），并進(jìn)行金相和HV10硬度試驗(yàn)，結(jié)果滿足要求。第四，模擬試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)各橫梁立板與側(cè)梁翼板、立板之間三聯(lián)焊縫拐角處，由于轉(zhuǎn)角太小，機(jī)械手無(wú)法進(jìn)行連續(xù)焊接，我們?cè)撎幒缚p采用胎下人工進(jìn)行焊接處理。
4.構(gòu)架機(jī)械手焊接的編程
構(gòu)架機(jī)械手焊接的編程采用示教模式進(jìn)行。
（1）合理利用尋蹤定位系統(tǒng)，對(duì)焊縫的起弧位置進(jìn)行有效確認(rèn)，如圖3所示，通過(guò)對(duì)三個(gè)方向進(jìn)行重復(fù)定位，重新定位焊接起弧點(diǎn)
（2）合理利用機(jī)械手外部軸與內(nèi)部軸之間的聯(lián)合協(xié)動(dòng)，焊做到雙槍對(duì)稱(chēng)施焊，如圖4所示，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下兼顧生產(chǎn)效率，首次填充層焊接單層后進(jìn)行翻面對(duì)稱(chēng)接，其他填充層按每次焊接2層進(jìn)行。
（3）由于構(gòu)架上對(duì)接焊縫設(shè)計(jì)采用了引熄弧板，對(duì)接焊縫按正常焊接步進(jìn)行焊接，其余連接焊縫均需采用回焊處理，降低焊接接頭缺陷。
5.應(yīng)用情況
我們?cè)谕瓿慑懼乒芗䴓?gòu)架的機(jī)械手焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)及實(shí)物模擬試驗(yàn)后，編制了該車(chē)型的焊接參數(shù)及規(guī)范，在通過(guò)首臺(tái)構(gòu)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證后進(jìn)行了該型鍛制管件構(gòu)架的小批量生產(chǎn)，該批構(gòu)架已投入鍛制管件運(yùn)行，用戶(hù)無(wú)質(zhì)量問(wèn)題反饋，說(shuō)明機(jī)械手焊接工藝應(yīng)用于構(gòu)架的焊接生產(chǎn)是可行的。截止目前為止，我公司在類(lèi)似的國(guó)內(nèi)內(nèi)燃、電力鍛制管件的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)品中，共實(shí)現(xiàn)了11種不同車(chē)型構(gòu)架的機(jī)械手焊接生產(chǎn)。
6.結(jié)語(yǔ)
我們選擇具有典型代表的一種鍛制管件構(gòu)架進(jìn)行機(jī)械手焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)及實(shí)物模擬試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲得了合理的焊接參數(shù)及規(guī)范。其后進(jìn)行首臺(tái)驗(yàn)證及小批量生產(chǎn)，表明焊接機(jī)械手能滿足鍛制管件構(gòu)架的焊接生產(chǎn)，工藝可靠，為后期類(lèi)似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械手焊接工藝的編制及實(shí)施提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為后期鍛制管件構(gòu)架實(shí)現(xiàn)智能制造進(jìn)行一定的探索。
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