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                      焊接機械手在鍛制管件構架生產中的工藝研究
                              五軸數控機床加工高壓管件的精度建模
                              鍛制管件構架作為鍛制管件轉向架設備安裝的鋼結構骨架,其主要承受鍛制管件上部重量、傳遞鍛制管件運行中的鍛制管件牽引力及各種振動,構架質量直接決定鍛制管件運行是否安全、可靠。機械手焊接方法具有獲得高且穩定的產品質量、美觀的焊縫成形,高效等優點,其正在鍛制管件產品焊接中取代傳統的手工焊接方法。本文主要介紹焊接機械手在鍛制管件構架框架生產中的焊接工藝研究及實際運用情況,為推廣到其他鍛制管件構架焊接生產提供借鑒。
                      1.概述
                      焊接機器人在焊接自動化生產中占有重要的位置,該方法在西方先進國家焊接領域中的應用日趨成熟。根據我國工業“2025”目標,鍛制管件車輛行業中正由手工半自動焊接向焊接智能制造轉化,焊接機器人是鋼結構產品焊接智能制造的主要執行設備之一。焊接機械手作為焊接機器人的主要設備,其在產品焊接質量穩定性、效率、焊縫外觀等方面大大優于人工焊接,同時采用機械手焊接其生產周期相對固定和勞動強度小,可以24h不停歇工作,是制造行業人工智能發展方向的必備設備。在鍛制管件車輛制造行業中,鍛制管件底架及構架框架的單梁部件雖引入機械手焊接已二十余年,考慮鍛制管件轉向架構架框架(本文簡稱構架,下同)結構的復雜性、工藝性及重要性,只有少數制造單位正在研究構架的機械手焊接工藝。機械手焊接工藝在我公司的鍛制管件底架及構架的單梁部件中也已成功應用多年,公司具有成熟的機械手焊接經驗。本文重點介紹我公司在一種鍛制管件構架焊接生產中進行的焊接機械手方面的工藝研究及應用情況,以期為后續焊接機器人在鍛制管件構架中的工藝推廣提供具有價值的借鑒。
                      2.鍛制管件構架的結構及焊接工藝性分析
                      (1)鍛制管件構架(見圖1)按EN15085體系設計,由左右側梁、橫梁和前、后端梁等箱型梁組成“日”字形框架。構架焊縫分別以“X”、”Y”軸對稱分布,位于各梁之間的連接處:主要是V形坡口對接、對接加角接構成的復合T型接頭;焊縫數量多且長度在200~500mm范圍;位置在空間位置;按EN15085體系規定,焊縫質量等級均為CPB,焊接質量要求高,要求焊后通過UT超聲波探傷+MT磁粉探傷+VT外觀檢查。
                      (2)構架材質為我國鍛制管件行業廣泛采用的的16MnDR低合金高強度鋼,該鋼碳當量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行焊接。
                      (3)構架焊接工序內容 首先,構架側梁上下蓋板與中間橫梁上下蓋板、前、后端梁下蓋板的對接焊縫。其次,構架側梁與前后端梁的單邊Y形+角焊縫。最后,構架側梁與各橫梁立板間的單邊Y形+角焊縫。
                      (4)接頭統計 根據構架產品焊縫結構形式及接頭統計,構架需進行6項焊接工作試件
                      3.焊接工藝
                      (1)設備選型
                      考慮:①構架焊縫對稱分布。②構架大部分焊縫施焊空間受限,焊槍的可達性要求高。③焊縫截面均為帶坡口的V型對接焊縫和單Y型角焊縫,機械手擺動中焊絲尖端電弧電流/電壓波動明顯。④存在構架組裝的尺寸及位置偏差和雙絲焊槍兩絲的不同步問題。我們決定采用:帶電弧跟蹤方式(而不能采用常見的激光或其他附加的跟蹤系統)+單絲加長焊槍的公司正在使用的IGM雙槍滑軌式焊接機械手RT1330S能滿足要求。該焊接機械手設備需通過模擬工作試件焊接后方能實施焊接工作。
                      (2)構架機械手焊接前的工藝質量要求 ①嚴格控制構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相對基準點的偏差在2mm以內。④為消除組裝誤差給機械手打底焊接時帶來的問題,確保根部焊接質量,對所有焊縫進行采用人工MAG(135)方式打底焊,打底層厚度不超過3mm。
                      (3)焊工資質要求 焊工均需在取得相應的ISO9606-1及EN1418資質鑒定,同時通過焊接模擬工作試件后上崗。
                      (4)焊接工藝評定及試驗 為保證機械手焊接質量,我們通過工作試件進行工藝評定以確定機械手焊接參數。
                      第一,工作流程:按ISO 15614-1要求,需對機械手焊接工藝進行評定,主要工藝流程為:焊接接頭統計→確定工藝評定項目→下達工藝評定試板→編制預焊接規程(PWPS)→機械手焊接并記錄實時數據→試件外觀檢查(100%VT)→無損檢測探傷(100%MT+100%UT(對接焊縫))→進行破壞性試驗(金相+拉伸+正反彎曲試驗)→正式的焊接工藝規程(WPS)
                      第二,焊接工藝規范(WPS) 經過焊接工藝評定,我們確定以下焊接工藝規范(WPS)。首先,對接焊縫: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,焊接參數如表4所示。
                      表4 角焊縫,PC焊接位置的工藝參數
                      第三,為進一步驗證產品實物焊接質量和機械手焊槍操作的可達性,我們進行了實物模擬試驗。由于構架整體焊縫布置為對稱結構,實物模采用半邊構架進行,對構架上的局部可能影響機械手可達性的產品附件采用鋼板代替模擬。
                      根據以上工藝參數編制焊接工藝文件焊接,焊后對模擬試件焊縫按圖紙要求進行無損檢測(NDT)并進行解剖取樣(同種類型焊縫每種兩段),并進行金相和HV10硬度試驗,結果滿足要求。第四,模擬試驗后,發現各橫梁立板與側梁翼板、立板之間三聯焊縫拐角處,由于轉角太小,機械手無法進行連續焊接,我們該處焊縫采用胎下人工進行焊接處理。
                      4.構架機械手焊接的編程
                      構架機械手焊接的編程采用示教模式進行。
                      (1)合理利用尋蹤定位系統,對焊縫的起弧位置進行有效確認,如圖3所示,通過對三個方向進行重復定位,重新定位焊接起弧點
                      (2)合理利用機械手外部軸與內部軸之間的聯合協動,焊做到雙槍對稱施焊,如圖4所示,在保證產品質量的前提下兼顧生產效率,首次填充層焊接單層后進行翻面對稱接,其他填充層按每次焊接2層進行。
                      (3)由于構架上對接焊縫設計采用了引熄弧板,對接焊縫按正常焊接步進行焊接,其余連接焊縫均需采用回焊處理,降低焊接接頭缺陷。
                      5.應用情況
                      我們在完成鍛制管件構架的機械手焊接工藝評定試驗及實物模擬試驗后,編制了該車型的焊接參數及規范,在通過首臺構架疲勞試驗驗證后進行了該型鍛制管件構架的小批量生產,該批構架已投入鍛制管件運行,用戶無質量問題反饋,說明機械手焊接工藝應用于構架的焊接生產是可行的。截止目前為止,我公司在類似的國內內燃、電力鍛制管件的轉向架構架產品中,共實現了11種不同車型構架的機械手焊接生產。
                      6.結語
                      我們選擇具有典型代表的一種鍛制管件構架進行機械手焊接工藝評定試驗及實物模擬試驗,通過試驗獲得了合理的焊接參數及規范。其后進行首臺驗證及小批量生產,表明焊接機械手能滿足鍛制管件構架的焊接生產,工藝可靠,為后期類似的結構進行機械手焊接工藝的編制及實施提供了可借鑒的寶貴經驗,同時也為后期鍛制管件構架實現智能制造進行一定的探索。
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