工程机械焊接自动化

在2011年度“全球工程机械制造商50强排行榜”揭晓之际，中国工程机械工业协会会长祁俊表示：“中国市场持续快速的增长，使中国工程机械行业和企业正成为全球工程机械产业发展的重要推动者。‘十二五’期间，稳健向上的中国经济，为中国工程机械产业的发展提供了重要而持续的驱动力。大规模的城镇化和基础设施建设、国家战略性新兴产业的发展等，都将直接带动中国工程机械市场继续上扬。无论从中国工程机械行业与市场发展，还是从全球产业运行态势来看，中国工程机械行业正置身一个历史性的窗口期中。”

面对机遇与挑战，要想成为行业的领跑者，能够在激烈的竞争中抢夺更大的市场份额，卓越的产品综合性能是核心竞争力，而制造环节中的焊接技术在很大程度上决定着工程机械整机的安全性、可靠性，是最为核心的工艺技术。然而，工程机械结构件，不仅结构复杂，焊接质量要求高，而且焊接工作量巨大，生产周期长，传统的手工焊接已无法满足产品的严格要求和市场竞争的需要。引进先进的自动化焊接技术，提高产品的生产效率，缩短生产周期，不仅可以改变人工焊接带来的质量难以控制问题，而且大大提高了生产效率，降低了产品成本。本期策划以工程机械焊接自动化为主题，邀请国内知名工程机械企业的技术专家就自动化焊接专机和焊接机器人的应用现状和未来发展趋势进行了深入探讨，旨在加强自动化焊接技术在工程机械行业的推广进程。同时，也为推进工程机械“调整转型，创新升级”战略，发展高端、大型、智能化工程机械提供最基础的制造工艺支持。

自动化焊接设备的应用现状

孟国强：山推股份公司作为国内大型工程机械生产厂家和推土机行业龙头企业，在自动化焊接设备应用上应该说走到了国内同行业的前列，在20世纪90年代中期我们就开始应用焊接机器人和自动化焊接专机。自动化焊接设备的应用，使我们的生产效率得到了有效提高，也转变了我们的一些传统观念。最初的焊接专机是我们公司自己设计、自己制造的，结构相对比较简单，功能比较单一（比如焊枪没有摆动功能），在使用过程中我们又进行了逐步完善。而在最初应用焊接机器人时，也走了一些弯路，机器人的柔性没有得到充分利用（例如我们的后桥箱焊接机器人，最初只能焊接SD22一个机型，后来我们又扩展到SD16机型，见图1）。另外，最初的焊接机器人都是原装进口的，不但价格高，而且配件也不容易准备，使用成本比较高，随着国内做机器人系统集成的公司越来越多，机器人系统的价格在不断降低，机器人性价比越来越高。目前我们所用的焊接机器人主要品牌有德国徕斯、日本神钢，其他品牌也有一些，但从使用效果来看，这两个品牌性能最稳定。

图1  后桥箱焊接机器人

王栋栋：我公司使用的焊接专机主要是以唐山开元和昆山华恒的双丝焊机为主，双丝焊接效率高、熔深深、焊缝力学性能高，主要应用在起重机主臂及车架后段的主焊缝。焊接机器人主要应用在焊缝开放性好、焊缝有特殊要求的工件上，如车架后段焊接机器人工作站采用的是双机器人双工位，焊接时，双机器人同时焊接一个工件，另一个工位上料或进行补焊，这样不仅提高生产效率，也大大提高了焊接机器人的利用率；固定支腿箱焊接机器人主要是由于该工件在焊接时易变形，采用机器人焊接后，可以实时控制焊接参数，并采用分段焊接，将输入热量充分分散，焊接工件的质量得到稳步的提升。所用焊接机器人主要生产厂家为：IGM、CLOOS、昆山华恒、唐山开元及珠海固得。

武亚鹏：我公司所用焊接专机为自仿形焊接专机（见图2），该双丝自仿形自动焊接专机是正翔公司生产的非标设备，具有焊接效率高、工件焊后变形小、产品质量的稳定性高、改善焊接工人的工作条件等特点。

图2  自动焊接专机

而所用焊接机器人是唐山开元焊接机器人系统公司生产的设备（见图3），具有柔性化程度高、焊接质量稳定、生产效率高等诸多优点。

图3  焊接机器人

庞勃：焊接专机主要用于臂类零件的焊接（见图4），双丝焊接系统，焊接专机与焊接电源及焊枪调整各部分协调动作，集中控制，实现整条焊缝的自动焊接。通过V型变位装置实现每条焊缝都在船型位置进行焊接。

图4  动臂直线焊接专机

焊接机器人主要用于焊接斗杆、大梁及部分后车架的焊接（见图5）。其特点是动作高速平滑、加速大、动作范围大、体积小、结构紧凑、精度高以及柔性灵活性强，一个工作站可以生产很多种焊件。所用焊接专机和机器人品牌主要是思尔特、KUKA、ABB等。

图5   焊接机器人

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自动化焊接专机应用特点

孟国强：目前在推土机自制件生产中，主要有两种工件用专机焊接。一种是机架方盒和台车方盒，一种是后桥箱的内壳体。机架方盒和台车方盒这两种产品都是长直箱型梁结构，有四道长焊缝，正反面各两道焊缝。焊缝的长度在2.5~3m之间，在焊接时两把焊枪同时对称施焊，尽量减少工件的扭曲变形，因为对这种箱型梁结构，弯曲变形比较容易矫形，扭曲变形则很难矫形。另外一个就是内壳体的焊接，内壳体是推土机的后桥箱上的一种铸钢件，专机（见图6）主要用来焊接内壳体和一个加长套，圆环焊缝，焊3～4层。在焊接的时候，内壳体和加长套扒合到专机的夹具盘上，并随夹具盘进行旋转，旋转线速度和焊接速度是一致的。这两种专机都是我们的技术人员自己设计的，在功能上不是很先进，旋转速度的改变通过变频器来进行调整，电流电压的改变由操作工人工调整。这两种专机是我们自己设计、自己制造的，降低了设备的采购成本，另外专机设计人员对我们的产品更熟悉，专机在设计时更有针对性，虽然这两种专机功能不是很先进，但还是有效提高了我们的生产效率，焊接变形更容易控制，质量也有保证，也有效避免了人工焊接时翻转工件的安全隐患。

图6  内壳体组焊专机

王栋栋：自动化焊接专机主要作用有：提高生产效率、提高焊接质量和易管理（将设备联网，实时监控）。

焊接专机主要采用的是双丝焊接，应用于起重机的主臂焊接、车架的主焊缝，生产效率是人工单丝焊接的2倍左右。焊缝无断弧（人工焊接一般焊接500mm断弧），双丝焊接的熔深比较深，提高了焊缝的的力学性能。同时，通过焊接设备的联网可以对焊接参数、设备利用率等进行实时监控，可以提高设备利用率和焊缝质量。

武亚鹏：双枪自仿形自动焊接专机适用于推土机台车架长短方盒梁、主机架机架梁、平衡梁、铲刀推杆等长直线、长圆弧曲线焊缝的自动仿形跟踪焊接，采用CO2气体保护焊接方式进行焊接。该设备采用龙门架固定式，装夹工件的焊车行走式结构。焊接设备的送丝机构及焊枪安装在龙门架上，被焊工件装夹在焊车头尾式翻转支撑架上，焊车带动工件作直线往复运动，完成工件正面或反面焊缝的焊接任务。

设备采用机械式自仿原理，左右仿形装置由气路控制元件、气缸、滑道、仿形轮等组成，由气路执行元件气缸带动仿形轮紧靠工件外侧，使焊枪定位在焊缝中心，工件形状变化，焊枪随之变化，从而使焊枪始终在焊缝中心，保证对焊缝进行机械跟踪焊接。焊接高度采用自动调高器完成，自动调高器基本动作：焊枪自动下降、焊丝自动接触工件自动停止并提升后送丝焊接；当工件变动高度时，则焊接电流变化自动调高器取之电流信号自动调整焊枪保持一定高度。当手动控制时，也可用手动调节电位器方式进行高度调节。

工程机械行业的产品对焊缝质量要求较高，双枪自仿形自动焊接专机对结构件的直线、曲线焊缝的焊接具有一定的优势。方盒类的工件都可以在该专机上完成焊接，且装夹拆卸工件方便、快捷。

庞勃：自动化焊接专机在工程机械制造焊接中的作用主要是提高焊接效率，保证焊接质量。两条对称焊缝同时焊接，也可以在一定程度上减小焊接变形。在我公司主要用于起重臂的焊接。起重臂作为起重机械中最重要的受力部件，其焊后几何精度，焊接质量要求都比较高。采用高效双丝焊接专机，极大地提高了焊接速度，焊缝成形美观，焊接质量稳定。提高了劳动生产率、产品质量，降低了工人的劳动强度。

焊接机器人作用明显

孟国强：在推土机的生产中，焊接机器人主要用于后桥箱、主机架、平衡梁的焊接，后桥箱用来安装推土机的转向制动、中央传动以及终传动系统，其制造精度要求非常高，所以在焊接过程中要能够有效控制它的焊接变形，尽量减少焊接内应力在加工过程中的释放。主机架是推土机的安装底盘，其强度及精度也决定了推土机的装配精度和整体性能。在压路机的生产中，主要应用于前后车架的焊接。在泵车的生产中，主要应用于臂架的焊接。在挖掘机的生产中，应用最广泛的是动臂、斗杆、挖斗及上下车架等。

图7  平衡梁焊接机器人

在此重点讲述一下焊接机器人应用于推土机结构件的生产。在后桥箱焊接中，所采用的机器人系统的形式是六轴焊接机械手天吊安装在龙门架上，并且在龙门架上能够进行X、Y、Z三个方向移动，配套的变位机是L型双回转变位机。本系统共有6个内部轴和5个外部轴，11轴联动，机器人的型号有德国REIS 的RV20—16、日本神钢的ARCMAN—MP。机械手六轴负载都在14kg以上，采用TBI全钢加长水冷焊枪，能够深入后桥箱腔体内部进行焊接。变位机承重5t，上面安装通用夹具，更换不同型号的工件时不用更换夹具，有效保证了夹具的精度，从而保证了机器人的焊接精度。主机架和平衡梁的焊接机器人系统都是采用的头尾架式单回转变位机，机械手在地面平行于变位机回转中心移动，这种形式在焊接机器人系统中比较常见，是很通用的一种机器人系统。

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王栋栋：焊接机器人主要作用：提高生产效率、提高焊接质量、易管理（将设备联网，实时监控）。主要应用于车架后段、固定支腿箱、转台及卷扬箱。

焊接机器人焊接的速度并不比人工焊接快，相反焊接机器人的焊接速度反而比人工焊接要低一点，但是焊接机器人可以保证24h不停的工作，而人工不可以的，以8h为计算单位的话，机器人焊接的效率是人工焊接的1.5倍左右。

焊缝无断弧（人工焊接一般焊接5 0 0mm断弧），对于隐蔽焊缝，采用焊接机器人焊接，焊缝质量可以得到很好的控制。

通过焊接设备的联网可以对焊接参数、设备利用率等进行实时监控，可以提高设备利用率和焊缝质量。

在长沙夏天的时候车间的温度可以达到38℃，采用焊接机器人可以大大减少焊工的劳动强度，武亚鹏：焊接机器人主要用于推土机后桥箱的焊接，目前焊接的机型共有三种，分别为118kW（160马力）、169kW（230马力）和235kW（320马力）。

推土机后桥箱都是由中厚钢板焊接的结构件，工件在组对时难免会存在误差，焊缝的位置和宽窄一致性不高；并且在焊接过程中，先焊合的焊缝产生的变形会作用在工件上，使后焊合的焊缝偏离组对时的位置，为了保证焊接质量，要求机器人能够在焊接时自动找正焊缝的起始位置和正确的方向，焊接机器人带有焊接起始点寻位和焊缝跟踪等焊接功能。在改善推土机产品结构件的质量、提高生产效率、减轻工人劳动强度等方面具有显着的意义。

庞勃：主要用于焊接一些形状规则、位置固定、有一定批量的，对强度、外观有要求的关键焊缝。这些部件用焊接机器人实现自动化生产以后，可以大幅度降低工人的劳动强度，在忙时可以24h作业，从而提高生产效率，缩短整机制造周期。并且焊接质量稳定、焊缝美观、焊接变形量小。对这些部件，无论是从经济效益，还是从产品质量的角度讲，焊接机器人都是最好的选择。

自动化焊接专机与焊接机器人各有千秋

孟国强：根据山推公司实际使用情况来看，自动化焊接专机与焊接机器人相比，具有价格低、操作简单方便的优势，在施焊之前不像机器人那样需要寻位。但其和焊接机器人相比，劣势也比较明显，如柔性差、承担的焊缝数量少。由于焊接专机一般都不具有起始点寻位和电弧跟踪功能，焊接过程中有时候还需要人的跟踪和调整，焊接质量不如机器人施焊的焊缝稳定。在我们公司实际生产中，焊接专机一般应用于焊缝数量少，焊缝规整的工件，比如长直焊缝或者圆环焊缝。机器人焊接的优势不用多说，尤其是焊接薄板工件时，不需要寻位，生产效率很高，但在中厚板工件焊接生产中，为了保证焊接质量，机器人在施焊之前必须对焊缝进行寻位，焊缝越多，工件形状越复杂，寻位的时间就越长。我们做过统计，在焊接后桥箱时，寻位的时间能够占到整个生产的1/3，这个是和我们国内的工件有关系，咱们现在所组装工件的一致性还达不到欧洲的精度，工件的一致性相对较差，机器人就必须进行寻位进行适当的弥补。这也是我们下一步重点要研究的课题。

王栋栋：与焊接机器人相比焊接专机的优势有焊接效率高、操作要求简单、维修成本低；而劣势为应用范围小、焊接质量不如焊接机器人。

焊接专机主要应用在长直焊缝、小的环焊缝，对于此类焊缝，焊接专机优势要高于焊接机器人。

焊接机器人焊接时间主要有三部分：焊接时间、寻位时间及空行时间，但专机操作没有如此复杂，只是焊接，所以在长直焊缝、小的环焊缝方面，专机要优于焊接机器人。

焊接专机主要是针对于单一焊缝，如果需要焊接整个结构件的话，焊接机器人就是最佳的选择。

武亚鹏： 自仿形焊接专机优点：自动焊接专机对结构件的直线、曲线焊缝的焊接具有一定的优势，具有焊接效率高、工件焊后变形小、产品质量的稳定性高以及改善焊接工人的工作条件等优点。

焊接质量较好，工作安全可靠，设备操作简单方便，且大大地降低了加工成本。缺点：由于工程机械产品上的工件品种多且形状差异较大，工件装夹拆卸难度较大，所以专机的使用范围比较有限，再加上由于双枪自仿形焊接专机现在还存在着一些不足，自动化程度不高，PLC智能化操作水平较低，所以在发展和提升方面有着很大的发展空间。

焊接机器人优点：焊接机器人具有柔性化程度高、焊接质量稳定、生产效率高等诸多优点，在改善产品结构件的质量、提高生产效率、减轻工人劳动强度等方面具有显着的意义。通过伺服放大器来控制机器人本体上的伺服电动机从而实现机械手的协调运动，实现起始点寻位、电弧跟踪等软件功能。对安装固定工件并对工件进行精确定位，在焊接过程中能够旋转工件使焊缝达到理想焊接姿态，都能实现角焊、平焊、船形焊，并且能和机械手实现联动。

缺点：焊接机器人系统也存在它的一些不足，如一次性投入较大，弧焊机器人系统结构复杂，涉及到机器人运动控制系统、焊接系统、变位机系统等多个系统的协调运作；机器人本体价格昂贵，国内没有具备规模的生产能力，主要依靠进口；正是由于设备的复杂和精密，对维修人员提出了很高的要求，有时还需要厂家的协助；同时也对操作设备工人的素质提出了更高的要求，示教编程、故障排除等都需要一定的专业知识，需要经过培训。

通过上述两种焊接设备特点的分析来看，选用哪种设备要看工件的特点要求，达到效益最大化、投资最小化、质量最佳化、效率最高化、劳动强度最低化等目的，选择最佳的投资项目。

庞勃：自动化焊接专机是对某一类型的零件专门设计，它的劳动效率要高于焊接机器人。而焊接机器人的通用性要远远好于自动化焊接专机。所以在选择自动化焊接专机和焊接机器人的时候，零件的批量和种类是决定性因素。

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工程机械焊接自动化的发展趋势

孟国强：在推土机、挖掘机、履带吊等工程机械的构成中，结构件占有很大的比例，结构件的生产在工程机械的制造过程中具有非常重要的地位，焊接自动化也会在工程机械生产中的应用越来越广。以山推为例，山推的结构件生产最初是在地上打地摊人工焊接为主，后来慢慢发展到变位机焊接、专机焊接及机器人焊接三者结相合，到现在以机器人、专机焊接为主的结构件生产阶段。自动化焊接技术在工程机械结构件焊接生产中的应用，使结构件的效率得到了大大提高。

在山推公司，焊接机器人一般都是三班生产；另外一点就是焊接质量比较稳定，不像人工焊接有很大的随意性；再一个就是环保，焊接机器人工作时，工人只是操作示教器，不需要近距离操作焊枪，这样就大大减少了患上尘肺等职业病的可能。

本人认为，随着国内工程机械厂家对焊接机器人、焊接专机的认识越来越深入，焊接机器人以及焊接专机会在工程机械厂家得到广泛的应用，提高了我国工程机械整体生产工艺水平。当然，焊接机器人也具有一些缺点，比如一次性投入大，适用于规模化生产，很多小公司会觉得不能承受。

王栋栋：随着近年来工程机械的发展，客户对质量的要求越来越高，特别是焊接质量更是重中之重，因此各个生产厂家要求更多焊接自动化设备的加入，以使焊缝变成一个可以控制的要素，而不是像以前一样靠人工来保证；另一方面，随着焊接机器人在工程机械的应用，必然要求结构件设计的简单，方便焊接机器人施焊，并且要求组对质量相应地得到提升。

武亚鹏：焊接被广泛地应用于工程机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航空航天技术、原子能、电力、电子技术及建筑等行业，在金属制造业中，焊接已成为仅次于装配和机械加工的第三大产业，在工业发达的国家，每年钢铁产量的45%左右都要通过焊接才能转化为最终的产品。

为了保证焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产效率，改善焊接工人的工作条件，人们不断地寻找提高焊接自动化水平的方法。最主要的内容之一是发展焊缝自动跟踪技术。焊缝跟踪是一项多学科交叉技术，包括电子技术、计算机、焊接、结构、材料、流体、光学、电磁等学科，国内外众多研究工作者投入到这一领域进行研究，从示教性焊接机器到程序控制焊接系统，再到移动式自动焊缝跟踪技术，焊接自动化的每一次进步，不仅大大降低了对工件加工精度和装配精度的要求，而且降低了焊接准备时间，显着提高了生产效率。

要想实现焊缝的自动跟踪焊接，首先必须能监测出当前的焊缝偏差，而所采用的传感器的形式和种类，决定了信息提取的手段和焊缝偏差识别的方法。传感器的选择和应用，是实现焊接自动化首先必须解决的关键问题。

焊接机器人在推土机后桥箱上的成功应用，提高了产品的生产效率和质量，减轻了工人劳动强度，实现了柔性化管理，生产便于控制，实现了切实的效益；同时我们也看到，我们的自动化水平和国外企业还存在很大差距，需要继续推进高科技含量的技术装备的应用，提高生产力，推动推土机行业的健康发展。最后希望我国的焊接机器人本体设计和生产能够发展壮大起来。

庞勃：工程机械的焊接向着自动化、柔性化、智能化发展是一个大的方向，焊接机器人和焊接专机技术的进步必将为工程机械的发展注入新的活力，同时我们也殷切期望着焊接机器人早日实现对焊接质量的实时监控。