陳 錦，湯晨宇

(1.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125;2.南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

由于鋼材本身是一種抗壓、抗拉、抗剪的高強度均質(zhì)材料，且自重相對混凝土來說比較小，因此鋼結(jié)構(gòu)橋梁相對于傳統(tǒng)混凝土橋梁來說具有更大的跨度、更強的荷載能力、更高的韌性和延展性、易修復(fù)與更換，并且報廢后具有一定的回收價值等優(yōu)點,為此鋼結(jié)構(gòu)橋梁成為了我國公路橋梁發(fā)展的主要方向。U肋板單元是鋼結(jié)構(gòu)橋梁的重要組成，是其重要的受力構(gòu)件[1]，因此U肋板單元的焊接工藝和質(zhì)量成為了橋梁品質(zhì)和壽命重要的影響因素。本文介紹了一種新型的U肋外側(cè)角焊縫焊接設(shè)備——U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)，對多種U肋規(guī)格的U肋外側(cè)角焊縫進行了焊接測試并對焊接結(jié)果進行了對比。

1 當(dāng)前U肋外側(cè)角焊縫焊接方式及焊接設(shè)備

1.1 U肋外側(cè)角焊縫焊接方式

當(dāng)前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁行業(yè)中U肋外側(cè)角焊縫焊接方式多是以氣體保護焊和埋弧焊為主，多年前氣體保護焊在業(yè)內(nèi)占據(jù)了極大的比重[2]，直到近幾年埋弧焊的焊接方式所占比重才有所增加。

埋弧焊相較于氣保焊來說具有高熔深、高熔敷率、無弧光和焊接煙塵、焊縫成型穩(wěn)定等優(yōu)點，隨著科技的發(fā)展，埋弧焊之前出現(xiàn)的問題也逐漸有了解決方法，尤其是焊劑自動下料與回收設(shè)備的出現(xiàn)等。因此，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁行業(yè)中埋弧焊所占的比重也逐漸增加。

1.2 U肋外角焊焊接設(shè)備

當(dāng)前橋梁行業(yè)內(nèi)的U肋外角焊自動化焊接設(shè)備多是以專機的形式存在，只存在少數(shù)的U肋焊接機器人，而U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)更是屈指可數(shù)。

U肋外角焊專機一般有6根～10根焊接機頭，焊接方式為氣保焊或埋弧焊。U肋外角焊專機的焊接機頭數(shù)量較多，固然能夠提高焊接效率，但其本身自動化程度較低，已無法滿足現(xiàn)代智能制造的要求；焊接機頭角度調(diào)整繁瑣且較為粗放，無法精細(xì)調(diào)整角度，焊接機頭調(diào)整柔性低；焊接跟蹤方式多為機械跟蹤，其精度較低，且無法與焊接機頭形成閉環(huán)，無主動跟蹤及糾正能力。

雖然當(dāng)前國內(nèi)行業(yè)內(nèi)擁有少數(shù)幾臺自動化、智能化程度較高的U肋外角焊接機器人，但其采用的焊接方式為氣保焊。一般情況下氣保焊的熔深有限，而且U肋外角焊縫存在一定的坡口角度，除了要考慮熔深外還需考慮其熔敷率和蓋面成型情況，而一般的氣保焊焊接方式很難滿足以上幾點，因此多數(shù)的氣保焊U肋外焊機器人在進行作業(yè)前還需要對U肋外角焊縫進行打底作業(yè)。為減少作業(yè)步驟，滿足U肋外角焊縫焊接的熔深度、熔敷率和蓋面成型等要求，U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)應(yīng)運而生。

2 U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)

2.1 機械結(jié)構(gòu)

U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)的焊接主體采用了分體式設(shè)計，共有左、右兩側(cè)行走懸臂，每個行走懸臂都由行走臺車、立柱、橫梁、橫移滑板模組、升降滑座模組、拖鏈和軌道等組成。行走懸臂橫梁的兩側(cè)均安裝有橫移滑板模組，橫移滑板模組采用伺服電機驅(qū)動行星減速機，通過高精度齒輪齒條傳動帶動直線導(dǎo)軌運動的方式使橫移滑板模組在橫梁上橫向移動。升降滑座模組安裝在橫移滑板模組上，其驅(qū)動方式與橫移滑板模組相同，采用伺服電機驅(qū)動行星減速機，通過高精度齒輪齒條傳動帶動直線導(dǎo)軌的方式使其能夠在橫移滑板模組上垂直升降。埋弧焊機器人采用倒掛的方式安裝在升降滑座模組的底端。行走臺車的動力系統(tǒng)為伺服電機，并加裝了行星減速機，以保證行走時的平穩(wěn)。

同時U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)配有兩套反變形胎架，其裝載工件長度為2.5 m～18 m，寬度為2 m～4.5 m，最大重量為30 t，旋轉(zhuǎn)角度為±38°，能夠滿足業(yè)內(nèi)的絕大多數(shù)U肋板單元的裝載條件。

2.2 主要電氣硬件

U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)的機器人組件采用4套FANUC(發(fā)那科)生產(chǎn)的M-20iA六軸機械手及R-30iB(Plus)控制系統(tǒng)，同時行走懸臂的行走臺車、橫移滑板模組及升降滑座模組所采用的伺服電機均為FANUC伺服系統(tǒng)，并接入到R-30iB(Plus)控制系統(tǒng)內(nèi)，自此，每臺機器人最大軸數(shù)達到了8軸。在每臺機器人上均加掛一臺英國Oxford Sensors公司生產(chǎn)的OSL-50型激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r對焊縫進行尋位跟蹤，并與機器人建立通訊聯(lián)系，能實時反饋焊縫位置數(shù)據(jù)并指導(dǎo)機器人糾正位置，使焊槍精確對正焊縫進行焊接，其跟蹤精度高達±0.2 mm。

焊接系統(tǒng)采用4套林肯電氣的IDEALARC?DC-1000埋弧焊電源及NA-3S控制器，匹配了Φ1.6 mm和Φ3.2 mm焊絲，以應(yīng)對多種焊接用途。同時，在每臺焊槍上還安裝有焊劑回收輸送系統(tǒng)，用來完成焊接時的焊劑輸送以及回收工作。

自動化控制元件采用歐姆龍的CJ2M以及NS8系列觸摸屏，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各電氣設(shè)備之間的運轉(zhuǎn)和信息傳遞、處理以及人機交互等工作，同時還負(fù)責(zé)設(shè)備報警和緊急狀態(tài)下的處置等。

行走懸臂各自獨立，自成一體，互不干擾，同時4套焊接系統(tǒng)也是相互獨立的。當(dāng)某套行走懸臂或某套焊接系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，均不會影響其余的啟動和運轉(zhuǎn)。

2.3 U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)操作流程

U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)的一般操作流程如下：兩側(cè)行走臺車復(fù)位到中間原點位置和狀態(tài)→U肋板單元吊到反變形胎架上→壓爪對中夾緊并壓緊工件→遙控胎架順時針旋轉(zhuǎn)到-38°→行走臺車快速移動至焊接起始位置→啟動機器人焊接系統(tǒng)，通過機器人示教器調(diào)整機器人狀態(tài)使焊槍到達焊接位置，調(diào)出焊接程序→根據(jù)需求對一至四條焊逢進行自動焊接→焊到尾部時弧焊機器人自動停止焊接并回退到安全位置→遙控胎架逆時針旋轉(zhuǎn)到+38°→重復(fù)上述過程，對U肋另一側(cè)焊縫進行焊接→吊離工件→兩側(cè)行走臺車移動至另一側(cè)胎架，重復(fù)以上步驟循環(huán)生產(chǎn)作業(yè)→兩側(cè)行走臺車復(fù)位到中間原點位置和狀態(tài)。焊接系統(tǒng)局部及焊縫成型圖如圖1所示。

圖1 焊接系統(tǒng)局部及焊縫成型圖

3 U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)最初的設(shè)計要求是滿足長度為2.5 m～18 m、寬度為2 m～4.5 m、最大重量為30 t、U肋厚度為8 m～12 mm、U肋數(shù)量為1根～6根的U肋板單元的全熔透焊接以及6 mmU肋厚度的板單元80%熔透的焊接，后期由于生產(chǎn)上的要求，對U肋厚度為16 mm的U肋板單元進行了焊接試驗，發(fā)現(xiàn)其基本能夠滿足U肋厚度為16 mm的板單元全熔透要求。

相較于U肋埋弧外焊專機，由于U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)有機器人的加入，使得設(shè)備整體的智能性和自動化程度有了較大幅度的提升，對于焊槍的調(diào)整更加方便快捷，同時，設(shè)備整體的柔性上升了一個臺階，為后期部分新型焊接工藝的理論驗證及測試提供了一個可能和平臺。另一方面，由于激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的介入，可為機器人實時提供焊縫位置及位置調(diào)整數(shù)據(jù)，使得其焊接精度高達±0.2 mm，即使U肋有些許的變形，激光焊縫跟蹤系統(tǒng)均能準(zhǔn)確識別出焊縫位置并提供給機器人進行糾正，使得U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)的適用性更上一層樓。總體來說，U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)比專機焊接精度更高，產(chǎn)品適用性更好，更加有利于智能化車間的建設(shè)，方便數(shù)據(jù)的采集等。

相較于氣保焊方式的U肋機器人，由于U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)有了埋弧焊的加入，使得其能夠有更深的熔度，更高的熔敷率，更可觀的蓋面成型，因此U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)能夠?qū)肋厚度為12 mm以下的U肋板單元坡口進行一次焊接全熔透全覆蓋作業(yè)，無需進行焊接打底，且埋弧焊一次性成型的焊縫比氣保焊的焊縫更加美觀。

在U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)前期的試驗及試生產(chǎn)期間分別對8 mm、10 mm、12 m以及16 mm厚的U肋板單元進行了焊接試驗。U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)所加工的U肋板單元坡口參數(shù)均為52°，坡口保留2 mm鈍邊，并在經(jīng)過U肋板單元組裝、U肋內(nèi)側(cè)角焊縫氣保焊焊接等工序后來到U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)上進行外側(cè)角焊縫埋弧焊接。外側(cè)角焊縫埋弧焊焊接情況見表1( 試驗數(shù)據(jù)剔除了U肋板單元本身及內(nèi)焊等外界因素所導(dǎo)致的不良數(shù)據(jù))。

表1 外側(cè)埋弧角焊縫焊接數(shù)據(jù)

表1焊接數(shù)據(jù)表明U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)達到了制造前制定的全熔透總長綜合占比95%的要求。同時為進一步直觀地了解U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)的焊接狀況，對部分焊接的板單元進行了宏觀腐蝕試驗，8 mm厚U肋板單元左側(cè)角焊縫與右側(cè)角焊縫局部的宏觀腐蝕試驗結(jié)果如圖2所示。圖2表明,外側(cè)埋弧焊接熔深達到全熔透要求，無氣泡、雜質(zhì)等不良點，且與內(nèi)焊交熔良好。

圖2 8 mm厚U肋板單元宏觀腐蝕試驗

但是，由于U肋埋弧外焊機器人焊接系統(tǒng)是新型設(shè)備，存在一些不足。該設(shè)備受機械結(jié)構(gòu)的影響，只安裝了4套焊接系統(tǒng)，相較于焊接專機最少6套焊接系統(tǒng)，其焊接效率略低。但在技術(shù)和工藝成熟的條件下，對其焊接工序和生產(chǎn)步驟進行深度優(yōu)化，能夠更進一步提高其生產(chǎn)效率。由于是初代產(chǎn)品，其設(shè)計時對機器人的應(yīng)用還屬于淺層應(yīng)用，其后代產(chǎn)品需對機器人與其他電氣產(chǎn)品與元件進行深度融合與開發(fā)，使設(shè)備各電氣元件與智能元件得到更深層次的應(yīng)用，使其更加智能化，操作更簡便。

4 結(jié)語

綜上所述，由于埋弧焊的性質(zhì)和優(yōu)點，至少在U肋板單元焊接中將會逐漸占據(jù)主要地位，同時由于國家對制造業(yè)智能制造的要求，機器人焊接系統(tǒng)將會越來越受到各大公司的青睞。由此可見，U肋埋弧外焊機器人焊機系統(tǒng)在不久的將來會在U肋板單元焊接市場中甚至是鋼橋生產(chǎn)行業(yè)中打下一片江山。