劉群芳， 周勝男， 范和平， 溫小飛

(1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海洋裝備工程學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；3.浙江增洲重工科技有限公司，浙江 舟山 316052)

0 引 言

H型鋼作為一種新型經(jīng)濟(jì)建筑用鋼，傳統(tǒng)手工焊接焊縫質(zhì)量難以達(dá)到相關(guān)行業(yè)焊縫質(zhì)量要求。隨著工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備不斷改進(jìn)，焊接工藝不斷提高，機(jī)械制造領(lǐng)域傳統(tǒng)焊接技術(shù)逐漸被自動(dòng)化焊接技術(shù)所取代[1]。傳統(tǒng)焊接技術(shù)主要指在2個(gè)電極之間將工件進(jìn)行加壓，在電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一定熱量，焊接工件局部熔化，后續(xù)進(jìn)行斷電冷卻，對(duì)剩余部分持續(xù)加壓，使焊接部分形成相對(duì)穩(wěn)定的焊縫[2]。傳統(tǒng)焊接技術(shù)依賴手工操作，直接影響焊接點(diǎn)焊縫質(zhì)量。隨著我國(guó)對(duì)機(jī)械制造焊接行業(yè)提出更高工藝要求，在很大程度上促進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展[3-4]。自動(dòng)化焊接技術(shù)主要指焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過(guò)程[5]。根據(jù)焊接生產(chǎn)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線。

1 H型鋼焊接工藝

H型鋼由上下2塊翼板和中間1塊腹板焊接組成，其翼緣內(nèi)表面無(wú)傾斜度，上下表面平行。H型鋼剖面圖如圖1所示。大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)幾何形狀與H型鋼相同，其工字形截面可將鋼材性能充分發(fā)揮，提升其載荷能力。H型鋼焊接工藝可分為埋弧焊和高頻焊。高頻焊H型鋼采用高頻電流使金屬局部熔化焊合，無(wú)須焊絲和焊劑，可高速連續(xù)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，但焊縫力學(xué)性能較原材料差，僅適用于焊接較薄的鋼材[6-7]。埋弧焊H型鋼焊縫質(zhì)量高且規(guī)格多樣，可滿足不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法[8]，焊接電弧產(chǎn)生熱量將焊絲端部及電弧附近母材金屬熔化凝固成為焊縫，焊劑熔化覆蓋焊縫表面成為焊渣，焊渣隔絕空氣與母材金屬。H型鋼焊接傳統(tǒng)工藝采用船形焊，主梁焊接平臺(tái)和焊接小車軌道相互獨(dú)立，容易造成焊縫偏離缺陷[9]。因此，設(shè)計(jì)采用臥式焊接工藝，引入可傾斜焊頭，降低焊縫缺陷，減少焊接工序時(shí)間，提升焊接效率，降低安全隱患。

圖1 H型鋼剖面圖

2 大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線

2.1 焊接基本工序

大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)焊接基本工序主要由預(yù)處理、組裝、焊接和矯正等組成，依次對(duì)原材料進(jìn)行預(yù)處理、對(duì)翼板和腹板組裝對(duì)中精度進(jìn)行嚴(yán)格控制、對(duì)H型鋼采用交直流雙弧雙絲埋弧焊進(jìn)行焊接、對(duì)翼板進(jìn)行矯正。

(1)預(yù)處理

預(yù)處理包括對(duì)鋼板矯平處理、切割下料、倒棱打磨和表面拋丸清潔涂漆。倒棱打磨采用浮動(dòng)滾輪技術(shù)以解決不同板厚自由邊倒棱的問(wèn)題。預(yù)處理設(shè)備嚴(yán)格控制鋼板矯平和切割下料的允許偏差。鋼板矯平和切割下料的允許偏差如表1所示，其中：L為板長(zhǎng)；t為板厚； Sa為除銹等級(jí)。

表1 鋼板矯平和切割下料的允許偏差

(2)組 裝

H型鋼板梁的組裝關(guān)鍵在于控制T型翼板和腹板對(duì)中精度，對(duì)T型翼板和腹板進(jìn)行固定點(diǎn)焊完成H型鋼板梁的組裝，產(chǎn)品質(zhì)量受組裝精度影響較大。組裝尺寸允許偏差如表2所示。

表2 組裝尺寸允許偏差 mm

(3)焊 接

焊接工序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線效率影響最大，焊接技術(shù)是提高焊接質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。采用交直流雙弧雙絲埋弧焊，其焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有板厚差的折線角焊縫一次成型，可提高焊接效率及對(duì)焊接變形的控制水平。

(4)矯 正

焊縫收縮使翼板產(chǎn)生角變形，超過(guò)允許偏差需要進(jìn)行矯正。矯正控制允許偏差如表3所示，其中：圖例1-1為腹部局部平面度橫向示例。H型鋼火工矯正需要嚴(yán)格按照組裝過(guò)程允許偏差進(jìn)行作業(yè)，最后進(jìn)行劃線檢查：對(duì)拼裝前H型鋼的翼板和腹板劃出長(zhǎng)度中線，劃線允許誤差為1.0 mm；翼板與腹板在胎架上以中線校正定位，校線偏差為≤1.0 mm；翼板與腹板組合拼裝進(jìn)行定位點(diǎn)焊，點(diǎn)焊完成的翼板與腹板垂直度偏差為≤1.0 mm，翼板與腹板偏移為<1.0 mm。

表3 矯正控制允許偏差 mm

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)思路

(1)預(yù)處理模塊

預(yù)處理模塊采用設(shè)備為鋼板矯平機(jī)、數(shù)控等離子切割機(jī)、拋丸打擊機(jī)、門式銑邊機(jī)和倒棱打磨機(jī)等。鋼板矯平機(jī)平整原材料；數(shù)控等離子切割機(jī)將原材料切割為各種尺寸的翼板和腹板；拋丸打擊機(jī)去除鋼板表面氧化皮和鐵銹，增加表面粗糙度，提高表面油漆附著力；門式銑邊機(jī)清理斷面；倒棱打磨機(jī)將翼板四角邊壓為半徑為2.0～4.0 mm的圓角，與腹板裝配面進(jìn)行打磨清理。

(2)組裝模塊

組裝模塊采用設(shè)備為組立機(jī)。組立機(jī)是組裝大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)備，配置液壓、氣動(dòng)和變頻等裝置及若干機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的精確定位與夾持，可自動(dòng)、高效和準(zhǔn)確地完成T型鋼或H型鋼的組裝。將翼板和腹板置于設(shè)備輸入輥道，由夾緊裝置分別完成兩板的⊥形組裝，通過(guò)傳動(dòng)裝置與滾筒旋轉(zhuǎn)使⊥形工件行走，主機(jī)前端的焊槍裝置對(duì)行走的⊥形工件進(jìn)行自動(dòng)間斷點(diǎn)焊，并實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的自動(dòng)跟蹤，完成⊥形工件組裝。將工件翻轉(zhuǎn)，按⊥形組裝相同步驟完成整個(gè)工件的H形組裝。

(3)焊接模塊

焊接模塊采用設(shè)備為懸臂式雙絲埋弧焊機(jī)。在進(jìn)行船形焊時(shí)，為保證焊接精度，采用配備焊槍微調(diào)裝置的導(dǎo)向輪式焊縫自動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)。導(dǎo)弧架設(shè)計(jì)使引弧長(zhǎng)度<10～100 mm。管線采用坦克鏈傳送，并配備移鋼機(jī)和55°翻轉(zhuǎn)架。將工件置于工件架上，使腹板與地面成45°夾角。焊臂的埋弧焊槍頭在橫梁上可水平和上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)焊臂的定位、焊槍的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)可使焊縫跟蹤架上的焊槍對(duì)準(zhǔn)工件焊縫，啟動(dòng)焊劑回收裝置和送絲裝置，由設(shè)備在導(dǎo)軌上進(jìn)行直線行走自動(dòng)焊接，通過(guò)焊臂下端焊縫跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

(4)矯正模塊

矯正模塊采用設(shè)備為翼板矯平機(jī)。翼板矯平機(jī)的上壓滾輪和傳動(dòng)滾輪構(gòu)成杠桿原理，使被矯正的翼緣通過(guò)上下滾輪產(chǎn)生彎曲變形。由于矯正壓力大于翼板材質(zhì)的屈服點(diǎn)，鋼材回彈小，因此達(dá)到矯正的目的。該設(shè)備為矯正H型鋼特別設(shè)計(jì)，在不同板厚的情況下矯正方案依然保持靈活。H型鋼矯正范圍如圖3所示。

圖3 H型鋼矯正范圍

3 討論與評(píng)價(jià)

采用傳統(tǒng)焊接方式及焊接工序生產(chǎn)大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品成本、質(zhì)量和周期方面均難以滿足要求，不利于產(chǎn)品的市場(chǎng)投放。大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線購(gòu)置先進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)組裝與快速打孔和不同板厚構(gòu)件焊接精度控制，滿足各種鋼板梁的生產(chǎn)需要，提高產(chǎn)品整體生產(chǎn)質(zhì)量。將鋼板梁傳統(tǒng)加工制作過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)化生產(chǎn)，并通過(guò)生產(chǎn)全過(guò)程信息化管理提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量控制水平。該生產(chǎn)線設(shè)備精確度和自動(dòng)化程度高，布局更為緊湊合理。不論是焊接效率還是焊接質(zhì)量均處于前沿地位。該生產(chǎn)線使生產(chǎn)效能得到提高：每百噸鋼結(jié)構(gòu)用工由80人工減少至10人工；車間月生產(chǎn)能力每萬(wàn)m2由0.3萬(wàn)t提高至1.2萬(wàn)t。公司在該生產(chǎn)線設(shè)計(jì)研發(fā)階段前期一次性投入成本，其設(shè)備性價(jià)比高、后期產(chǎn)出高，可帶來(lái)可觀效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)將自動(dòng)化、智能化和焊接相結(jié)合，設(shè)計(jì)研發(fā)大規(guī)格H型鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線。采用焊縫自動(dòng)跟蹤的交直流雙弧雙絲埋弧焊，焊縫均勻、平整、無(wú)咬邊，氣孔成型美觀，焊腳高度符合設(shè)計(jì)要求。設(shè)備均由計(jì)算機(jī)控制，可在連續(xù)工位上完成預(yù)處理、組裝、焊接和矯正等工序。除切割、倒棱機(jī)上料及肋板裝焊后轉(zhuǎn)移外，整個(gè)過(guò)程不需要行車吊運(yùn)，生產(chǎn)過(guò)程工藝流暢、定位精度高、布局合理、占地少、操作方便、自動(dòng)化程度高。