機(jī)車構(gòu)架的焊接機(jī)器人生產(chǎn)應(yīng)用研究

1、機(jī)車構(gòu)架的焊接機(jī)器人生產(chǎn)應(yīng)用研究辛海波1 徐惠忠2（1常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 2.戚墅堰機(jī)車車輛廠工業(yè)公司 江蘇常州 213011）摘 要：介紹焊接機(jī)器人在內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接應(yīng)用方面的工藝研究。通過對(duì)機(jī)車構(gòu)架部件焊接加工特點(diǎn)的分析，結(jié)合焊接機(jī)器人加工特點(diǎn)以及待焊工件產(chǎn)品驗(yàn)收要求，研究試驗(yàn)構(gòu)架機(jī)器人焊接加工工藝，用于構(gòu)架牽引梁、側(cè)梁等部件的機(jī)器人弧焊。關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；機(jī)車轉(zhuǎn)向架；效率；焊接工藝0 引言由于我國貨運(yùn)、客運(yùn)、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，鐵路機(jī)車車輛制造行業(yè)處于快速增長階段。其中機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)安排緊密。若采用傳統(tǒng)的焊接手段，對(duì)焊接

2、操作者技術(shù)要求高，短期內(nèi)較難達(dá)到要求，且產(chǎn)品穩(wěn)定性差。針對(duì)這一現(xiàn)狀，經(jīng)過大量調(diào)研，結(jié)合目前焊接技術(shù)的發(fā)展，認(rèn)為采用機(jī)器人焊接方案切實(shí)可行。1 鐵路機(jī)車構(gòu)架焊接生產(chǎn)存在的主要問題：（1）生產(chǎn)效率低鐵路內(nèi)燃機(jī)車構(gòu)架的焊接，主要采用焊條電弧焊及半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。因此，為提高生產(chǎn)效率，應(yīng)該發(fā)揮焊接機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，采用生產(chǎn)效率高的焊接機(jī)器人來生產(chǎn)產(chǎn)品較為可靠。（2）焊接質(zhì)量不穩(wěn)定采用手工電弧焊或半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊，其焊接質(zhì)量隨操作工人的技能、情緒等人為因素影響較大。比如，中國南車戚機(jī)廠在對(duì)蘭新線的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫產(chǎn)生的裂紋情況進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在側(cè)梁、橫梁及端梁等多處

3、出現(xiàn)裂紋，裂紋長度不一，裂紋深度及至整個(gè)焊縫的深度，給機(jī)車的安全運(yùn)行帶來了隱患。分析原因主要是焊工人為因素所致，為消除人為因素的影響，提高產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，需要采用自動(dòng)化焊接系統(tǒng)。由于焊接機(jī)器人在鐵路裝備生產(chǎn)制造方面應(yīng)用越來越廣泛，其焊接質(zhì)量很高，所以，采用焊接機(jī)器人焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部件是有必要的。（3）生產(chǎn)環(huán)境差在生產(chǎn)鐵路機(jī)車構(gòu)架時(shí)，由于焊接工作量大，生產(chǎn)環(huán)境很差，當(dāng)焊接煙塵和保護(hù)氣體超過允許濃度時(shí)，就會(huì)影響焊工的身體健康。采用焊接機(jī)器人進(jìn)行操作，焊接機(jī)器人系統(tǒng)帶有煙塵凈化裝置，可以減小對(duì)環(huán)境的污染。而且，機(jī)器人在這種環(huán)境下操作，解決了在工作中對(duì)人體的危害。2 構(gòu)架部件結(jié)構(gòu)分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架包括側(cè)梁

4、、牽引梁、中間梁以及后端梁等，每種梁都需通過焊接而成，這里又以牽引梁和側(cè)梁的焊接尤為重要。其材料為Q420E低合金高強(qiáng)度鋼板，板厚范圍1025mm。牽引梁裝配如圖1所示，包括上下蓋板、前后立板、肋板和筋板。構(gòu)架各梁均為箱型結(jié)構(gòu)，剛性強(qiáng)，一旦出現(xiàn)較大變形，很難矯正，所以焊接過程中既要考慮減少焊接應(yīng)力，又要控制焊接變形。在制定焊接工藝時(shí)要充分考慮。圖1 牽引梁裝配圖3 Q420E的焊接性分析2.1 Q420E化學(xué)成分分析Q420E屬于低合金高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)度高，特別是在正火或正火加回火狀態(tài)有較高的綜合力學(xué)性能。一般情況下，低合金鋼焊接接頭隨著鋼材強(qiáng)度的提高及鋼板厚度的增大，其焊接性變差。影響金屬焊接性

5、的主要因素是化學(xué)成分。不同金屬材料的焊接性能不一樣。Q420E的化學(xué)成分如表1所示。表1 母材化學(xué)成分材料牌號(hào)主要元素成分（%）CCrMnNiSiPSV、NbTiQ420E0.20.41.0-1.70.70.550.0250.0250.02-0.20.015-0.060.02-0.2鋼中的碳和合金元素對(duì)焊接性能都會(huì)有影響，但其影響程度不同。在鋼的主要元素中，碳的影響最明顯。在粗略估計(jì)碳鋼和合金鋼的焊接性時(shí)，可以把鋼中的合金元素(包括碳)的含量按其對(duì)焊接性影響程度換算成碳的相當(dāng)含量，其總和叫碳當(dāng)量，可作為評(píng)定鋼材焊接性的一種參考指標(biāo)。國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量公式為：Ceq=C+Mn/6

6、+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%) 將Q420E化學(xué)成分?jǐn)?shù)值帶入上式計(jì)算，所得結(jié)果為：Ceq= 0 .433%。2.2 Q420E焊接性分析碳當(dāng)量越低，焊接性能越好。碳當(dāng)量0.4-0.6%，焊接就較困難。由計(jì)算知，Q420E碳當(dāng)量值大于0.4，焊接較困難，冷裂紋的敏感性將增大，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接工藝。焊接材料選擇CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲，其工藝性能優(yōu)良，焊接效率高。焊縫金屬經(jīng)微量元素韌化處理，在40以上的低溫韌性優(yōu)良，抗裂性好。焊接材料選用原則要求焊縫焊材的強(qiáng)度應(yīng)等于或稍大于母材，且既要滿足焊縫的化學(xué)成分要求，又要保證其力學(xué)性能，故選擇E501T鈦型渣系微合金藥芯焊絲。4 牽引梁機(jī)

7、器人焊接工藝3.1 零部件的加工與裝配牽引梁上、下蓋板與立板的厚度相差較大，上、下蓋板分別為16mm、20mm，而前、后立板分別為12mm和10mm。既要保證蓋板充分的熔透深度，又要使立板不焊漏。由于機(jī)器人自動(dòng)焊不像手工焊可根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過綜合考慮，在立板背面加工藝襯板，以解決上述問題。襯板選用10mmX10mm的條鋼，在裝配時(shí)點(diǎn)焊在立板背面。且為保證熔透，立板側(cè)開30坡口，坡口加工方法為刨削加工，以保證加工質(zhì)量和精度。組裝后的牽引梁剖視圖如圖2所示。3.2 焊接順序與工藝參數(shù)構(gòu)架部件弧焊機(jī)器人工作站包括焊接機(jī)器人系統(tǒng)和變位機(jī)。組裝、點(diǎn)焊，通過手工操作完成，結(jié)構(gòu)件的定位組裝通過點(diǎn)焊工作臺(tái)

8、架工件定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)焊好的工件置于自動(dòng)焊接變位機(jī)上，對(duì)兩側(cè)四條焊縫進(jìn)行船形焊接。由弧焊機(jī)器人系統(tǒng)完成自動(dòng)焊接，具有較高的自動(dòng)化程度。為控制焊接變形，采用合理的焊接次序來減少焊接變形。因?yàn)楣ぜ搴褫^大，分四層進(jìn)行焊接，每焊完一層，要進(jìn)行敲渣，同時(shí)加入吹焊槍內(nèi)飛濺子程序。機(jī)器人自動(dòng)焊采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，焊絲型號(hào)為E501T-1L。為正確選擇工藝參圖2 牽引梁裝配剖視圖數(shù)，保證焊接質(zhì)量，尤其是熔透深度。在對(duì)工件施焊以前，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。焊完后進(jìn)行切片，觀察焊道及熔深情況。并進(jìn)行相應(yīng)力學(xué)性能試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)，確定了相應(yīng)工藝參數(shù)值。5 結(jié)論通過對(duì)機(jī)車構(gòu)架部件的結(jié)構(gòu)和材料焊接性分析，研究試驗(yàn)構(gòu)架機(jī)器人焊接加工工藝，用于構(gòu)架牽引梁、側(cè)梁等部件的機(jī)器人弧焊。焊接機(jī)器人在機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)中的應(yīng)用，大大提高了焊接加工的生產(chǎn)率，特別是批量生產(chǎn)時(shí)尤其明顯，同時(shí)也提升了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和對(duì)焊工操作技術(shù)的要