工程機械焊接自動化的發展趨勢

在2011年度「全球工程機械製造商50強排行榜」揭曉之際，中國工程機械工業協會會長祁俊表示：「中國市場持續快速的增長，使中國工程機械行業和企業正成為全球工程機械產業發展的重要推動者。『十二五』期間，穩健向上的中國經濟，為中國工程機械產業的發展提供了重要而持續的驅動力。大規模的城鎮化和基礎設施建設、國家戰略性新興產業的發展等，都將直接帶動中國工程機械市場繼續上揚。無論從中國工程機械行業與市場發展，還是從全球產業運行態勢來看，中國工程機械行業正置身一個歷史性的窗口期中。」cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

面對機遇與挑戰，要想成為行業的領跑者，能夠在激烈的競爭中搶奪更大的市場份額，卓越的產品綜合性能是核心競爭力，而製造環節中的焊接技術在很大程度上決定著工程機械整機的安全性、可靠性，是最為核心的工藝技術。然而，工程機械結構件，不僅結構複雜，焊接質量要求高，而且焊接工作量巨大，生產周期長，傳統的手工焊接已無法滿足產品的嚴格要求和市場競爭的需要。引進先進的自動化焊接技術，提高產品的生產效率，縮短生產周期，不僅可以改變人工焊接帶來的質量難以控制問題，而且大大提高了生產效率，降低了產品成本。本期策劃以工程機械焊接自動化為主題，邀請國內知名工程機械企業的技術專家就自動化焊接專機和焊接機器人的應用現狀和未來發展趨勢進行了深入探討，旨在加強自動化焊接技術在工程機械行業的推廣進程。同時，也為推進工程機械「調整轉型，創新升級」戰略，發展高端、大型、智能化工程機械提供最基礎的製造工藝支持。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

自動化焊接設備的應用現狀cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

孟國強：山推股份公司作為國內大型工程機械生產廠家和推土機行業龍頭企業，在自動化焊接設備應用上應該說走到了國內同行業的前列，在20世紀90年代中期我們就開始應用焊接機器人和自動化焊接專機。自動化焊接設備的應用，使我們的生產效率得到了有效提高，也轉變了我們的一些傳統觀念。最初的焊接專機是我們公司自己設計、自己製造的，結構相對比較簡單，功能比較單一（比如焊槍沒有擺動功能），在使用過程中我們又進行了逐步完善。而在最初應用焊接機器人時，也走了一些彎路，機器人的柔性沒有得到充分利用（例如我們的後橋箱焊接機器人，最初只能焊接SD22一個機型，後來我們又擴展到SD16機型，見圖1）。另外，最初的焊接機器人都是原裝進口的，不但價格高，而且配件也不容易準備，使用成本比較高，隨著國內做機器人系統集成的公司越來越多，機器人系統的價格在不斷降低，機器人性價比越來越高。目前我們所用的焊接機器人主要品牌有德國徠斯、日本神鋼，其他品牌也有一些，但從使用效果來看，這兩個品牌性能最穩定。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

圖1  後橋箱焊接機器人cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

王棟棟：我公司使用的焊接專機主要是以唐山開元和崑山華恆的雙絲焊機為主，雙絲焊接效率高、熔深深、焊縫力學性能高，主要應用在起重機主臂及車架後段的主焊縫。焊接機器人主要應用在焊縫開放性好、焊縫有特殊要求的工件上，如車架後段焊接機器人工作站採用的是雙機器人雙工位，焊接時，雙機器人同時焊接一個工件，另一個工位上料或進行補焊，這樣不僅提高生產效率，也大大提高了焊接機器人的利用率；固定支腿箱焊接機器人主要是由於該工件在焊接時易變形，採用機器人焊接後，可以實時控制焊接參數，並採用分段焊接，將輸入熱量充分分散，焊接工件的質量得到穩步的提升。所用焊接機器人主要生產廠家為：IGM、CLOOS、崑山華恆、唐山開元及珠海固得。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

武亞鵬：我公司所用焊接專機為自仿形焊接專機（見圖2），該雙絲自仿形自動焊接專機是正翔公司生產的非標設備，具有焊接效率高、工件焊後變形小、產品質量的穩定性高、改善焊接工人的工作條件等特點。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

圖2  自動焊接專機cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

而所用焊接機器人是唐山開元焊接機器人系統公司生產的設備（見圖3），具有柔性化程度高、焊接質量穩定、生產效率高等諸多優點。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

圖3  焊接機器人cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

龐勃：焊接專機主要用於臂類零件的焊接（見圖4），雙絲焊接系統，焊接專機與焊接電源及焊槍調整各部分協調動作，集中控制，實現整條焊縫的自動焊接。通過V型變位裝置實現每條焊縫都在船型位置進行焊接。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

圖4  動臂直線焊接專機cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

焊接機器人主要用於焊接鬥杆、大梁及部分後車架的焊接（見圖5）。其特點是動作高速平滑、加速大、動作範圍大、體積小、結構緊湊、精度高以及柔性靈活性強，一個工作站可以生產很多種焊件。所用焊接專機和機器人品牌主要是思爾特、kuka、abb等。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

圖5   焊接機器人cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

 

自動化焊接專機應用特點cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

孟國強：目前在推土機自製件生產中，主要有兩種工件用專機焊接。一種是機架方盒和臺車方盒，一種是後橋箱的內殼體。機架方盒和臺車方盒這兩種產品都是長直箱型梁結構，有四道長焊縫，正反面各兩道焊縫。焊縫的長度在2.5~3m之間，在焊接時兩把焊槍同時對稱施焊，儘量減少工件的扭曲變形，因為對這種箱型梁結構，彎曲變形比較容易矯形，扭曲變形則很難矯形。另外一個就是內殼體的焊接，內殼體是推土機的後橋箱上的一種鑄鋼件，專機（見圖6）主要用來焊接內殼體和一個加長套，圓環焊縫，焊3～4層。在焊接的時候，內殼體和加長套扒合到專機的夾具盤上，並隨夾具盤進行旋轉，旋轉線速度和焊接速度是一致的。這兩種專機都是我們的技術人員自己設計的，在功能上不是很先進，旋轉速度的改變通過變頻器來進行調整，電流電壓的改變由操作工人工調整。這兩種專機是我們自己設計、自己製造的，降低了設備的採購成本，另外專機設計人員對我們的產品更熟悉，專機在設計時更有針對性，雖然這兩種專機功能不是很先進，但還是有效提高了我們的生產效率，焊接變形更容易控制，質量也有保證，也有效避免了人工焊接時翻轉工件的安全隱患。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

圖6  內殼體組焊專機cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

王棟棟：自動化焊接專機主要作用有：提高生產效率、提高焊接質量和易管理（將設備聯網，實時監控）。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

焊接專機主要採用的是雙絲焊接，應用於起重機的主臂焊接、車架的主焊縫，生產效率是人工單絲焊接的2倍左右。焊縫無斷弧（人工焊接一般焊接500mm斷弧），雙絲焊接的熔深比較深，提高了焊縫的的力學性能。同時，通過焊接設備的聯網可以對焊接參數、設備利用率等進行實時監控，可以提高設備利用率和焊縫質量。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

武亞鵬：雙槍自仿形自動焊接專機適用於推土機臺車架長短方盒梁、主機架機架梁、平衡梁、鏟刀推桿等長直線、長圓弧曲線焊縫的自動仿形跟蹤焊接，採用CO2氣體保護焊接方式進行焊接。該設備採用龍門架固定式，裝夾工件的焊車行走式結構。焊接設備的送絲機構及焊槍安裝在龍門架上，被焊工件裝夾在焊車頭尾式翻轉支撐架上，焊車帶動工件作直線往復運動，完成工件正面或反面焊縫的焊接任務。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

設備採用機械式自仿原理，左右仿形裝置由氣路控制元件、氣缸、滑道、仿形輪等組成，由氣路執行元件氣缸帶動仿形輪緊靠工件外側，使焊槍定位在焊縫中心，工件形狀變化，焊槍隨之變化，從而使焊槍始終在焊縫中心，保證對焊縫進行機械跟蹤焊接。焊接高度採用自動調高器完成，自動調高器基本動作：焊槍自動下降、焊絲自動接觸工件自動停止並提升後送絲焊接；當工件變動高度時，則焊接電流變化自動調高器取之電流信號自動調整焊槍保持一定高度。當手動控制時，也可用手動調節電位器方式進行高度調節。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

工程機械行業的產品對焊縫質量要求較高，雙槍自仿形自動焊接專機對結構件的直線、曲線焊縫的焊接具有一定的優勢。方盒類的工件都可以在該專機上完成焊接，且裝夾拆卸工件方便、快捷。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

龐勃：自動化焊接專機在工程機械製造焊接中的作用主要是提高焊接效率，保證焊接質量。兩條對稱焊縫同時焊接，也可以在一定程度上減小焊接變形。在我公司主要用於起重臂的焊接。起重臂作為起重機械中最重要的受力部件，其焊後幾何精度，焊接質量要求都比較高。採用高效雙絲焊接專機，極大地提高了焊接速度，焊縫成形美觀，焊接質量穩定。提高了勞動生產率、產品質量，降低了工人的勞動強度。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

焊接機器人作用明顯cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

孟國強：在推土機的生產中，焊接機器人主要用於後橋箱、主機架、平衡梁的焊接，後橋箱用來安裝推土機的轉向制動、中央傳動以及終傳動系統，其製造精度要求非常高，所以在焊接過程中要能夠有效控制它的焊接變形，儘量減少焊接內應力在加工過程中的釋放。主機架是推土機的安裝底盤，其強度及精度也決定了推土機的裝配精度和整體性能。在壓路機的生產中，主要應用於前後車架的焊接。在泵車的生產中，主要應用於臂架的焊接。在挖掘機的生產中，應用最廣泛的是動臂、鬥杆、挖鬥及上下車架等。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

圖7  平衡梁焊接機器人cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

在此重點講述一下焊接機器人應用於推土機結構件的生產。在後橋箱焊接中，所採用的機器人系統的形式是六軸焊接機械手天吊安裝在龍門架上，並且在龍門架上能夠進行X、Y、Z三個方向移動，配套的變位機是L型雙迴轉變位機。本系統共有6個內部軸和5個外部軸，11軸聯動，機器人的型號有德國REIS 的RV20—16、日本神鋼的ARCMAN—MP。機械手六軸負載都在14kg以上，採用TBI全鋼加長水冷焊槍，能夠深入後橋箱腔體內部進行焊接。變位機承重5t，上面安裝通用夾具，更換不同型號的工件時不用更換夾具，有效保證了夾具的精度，從而保證了機器人的焊接精度。主機架和平衡梁的焊接機器人系統都是採用的頭尾架式單迴轉變位機，機械手在地面平行於變位機迴轉中心移動，這種形式在焊接機器人系統中比較常見，是很通用的一種機器人系統。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

王棟棟：焊接機器人主要作用：提高生產效率、提高焊接質量、易管理（將設備聯網，實時監控）。主要應用於車架後段、固定支腿箱、轉臺及卷揚箱。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

焊接機器人焊接的速度並不比人工焊接快，相反焊接機器人的焊接速度反而比人工焊接要低一點，但是焊接機器人可以保證24h不停的工作，而人工不可以的，以8h為計算單位的話，機器人焊接的效率是人工焊接的1.5倍左右。

焊縫無斷弧（人工焊接一般焊接5 0 0mm斷弧），對於隱蔽焊縫，採用焊接機器人焊接，焊縫質量可以得到很好的控制。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

通過焊接設備的聯網可以對焊接參數、設備利用率等進行實時監控，可以提高設備利用率和焊縫質量。

在長沙夏天的時候車間的溫度可以達到38℃，採用焊接機器人可以大大減少焊工的勞動強度，武亞鵬：焊接機器人主要用於推土機後橋箱的焊接，目前焊接的機型共有三種，分別為118kW（160馬力）、169kW（230馬力）和235kW（320馬力）。

推土機後橋箱都是由中厚鋼板焊接的結構件，工件在組對時難免會存在誤差，焊縫的位置和寬窄一致性不高；並且在焊接過程中，先焊合的焊縫產生的變形會作用在工件上，使後焊合的焊縫偏離組對時的位置，為了保證焊接質量，要求機器人能夠在焊接時自動找正焊縫的起始位置和正確的方向，焊接機器人帶有焊接起始點尋位和焊縫跟蹤等焊接功能。在改善推土機產品結構件的質量、提高生產效率、減輕工人勞動強度等方面具有顯著的意義。

龐勃：主要用於焊接一些形狀規則、位置固定、有一定批量的，對強度、外觀有要求的關鍵焊縫。這些部件用焊接機器人實現自動化生產以後，可以大幅度降低工人的勞動強度，在忙時可以24h作業，從而提高生產效率，縮短整機製造周期。並且焊接質量穩定、焊縫美觀、焊接變形量小。對這些部件，無論是從經濟效益，還是從產品質量的角度講，焊接機器人都是最好的選擇。

自動化焊接專機與焊接機器人各有千秋

孟國強：根據山推公司實際使用情況來看，自動化焊接專機與焊接機器人相比，具有價格低、操作簡單方便的優勢，在施焊之前不像機器人那樣需要尋位。但其和焊接機器人相比，劣勢也比較明顯，如柔性差、承擔的焊縫數量少。由於焊接專機一般都不具有起始點尋位和電弧跟蹤功能，焊接過程中有時候還需要人的跟蹤和調整，焊接質量不如機器人施焊的焊縫穩定。在我們公司實際生產中，焊接專機一般應用於焊縫數量少，焊縫規整的工件，比如長直焊縫或者圓環焊縫。機器人焊接的優勢不用多說，尤其是焊接薄板工件時，不需要尋位，生產效率很高，但在中厚板工件焊接生產中，為了保證焊接質量，機器人在施焊之前必須對焊縫進行尋位，焊縫越多，工件形狀越複雜，尋位的時間就越長。我們做過統計，在焊接後橋箱時，尋位的時間能夠佔到整個生產的1/3，這個是和我們國內的工件有關係，咱們現在所組裝工件的一致性還達不到歐洲的精度，工件的一致性相對較差，機器人就必須進行尋位進行適當的彌補。這也是我們下一步重點要研究的課題。

王棟棟：與焊接機器人相比焊接專機的優勢有焊接效率高、操作要求簡單、維修成本低；而劣勢為應用範圍小、焊接質量不如焊接機器人。

焊接專機主要應用在長直焊縫、小的環焊縫，對於此類焊縫，焊接專機優勢要高於焊接機器人。

焊接機器人焊接時間主要有三部分：焊接時間、尋位時間及空行時間，但專機操作沒有如此複雜，只是焊接，所以在長直焊縫、小的環焊縫方面，專機要優於焊接機器人。

焊接專機主要是針對於單一焊縫，如果需要焊接整個結構件的話，焊接機器人就是最佳的選擇。

武亞鵬： 自仿形焊接專機優點：自動焊接專機對結構件的直線、曲線焊縫的焊接具有一定的優勢，具有焊接效率高、工件焊後變形小、產品質量的穩定性高以及改善焊接工人的工作條件等優點。

焊接質量較好，工作安全可靠，設備操作簡單方便，且大大地降低了加工成本。缺點：由於工程機械產品上的工件品種多且形狀差異較大，工件裝夾拆卸難度較大，所以專機的使用範圍比較有限，再加上由於雙槍自仿形焊接專機現在還存在著一些不足，自動化程度不高，PLC智能化操作水平較低，所以在發展和提升方面有著很大的發展空間。

焊接機器人優點：焊接機器人具有柔性化程度高、焊接質量穩定、生產效率高等諸多優點，在改善產品結構件的質量、提高生產效率、減輕工人勞動強度等方面具有顯著的意義。通過伺服放大器來控制機器人本體上的伺服電動機從而實現機械手的協調運動，實現起始點尋位、電弧跟蹤等軟體功能。對安裝固定工件並對工件進行精確定位，在焊接過程中能夠旋轉工件使焊縫達到理想焊接姿態，都能實現角焊、平焊、船形焊，並且能和機械手實現聯動。

缺點：焊接機器人系統也存在它的一些不足，如一次性投入較大，弧焊機器人系統結構複雜，涉及到機器人運動控制系統、焊接系統、變位機系統等多個系統的協調運作；機器人本體價格昂貴，國內沒有具備規模的生產能力，主要依靠進口；正是由於設備的複雜和精密，對維修人員提出了很高的要求，有時還需要廠家的協助；同時也對操作設備工人的素質提出了更高的要求，示教編程、故障排除等都需要一定的專業知識，需要經過培訓。cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

通過上述兩種焊接設備特點的分析來看，選用哪種設備要看工件的特點要求，達到效益最大化、投資最小化、質量最佳化、效率最高化、勞動強度最低化等目的，選擇最佳的投資項目。

龐勃：自動化焊接專機是對某一類型的零件專門設計，它的勞動效率要高於焊接機器人。而焊接機器人的通用性要遠遠好於自動化焊接專機。所以在選擇自動化焊接專機和焊接機器人的時候，零件的批量和種類是決定性因素。

工程機械焊接自動化的發展趨勢cLr鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網

孟國強：在推土機、挖掘機、履帶吊等工程機械的構成中，結構件佔有很大的比例，結構件的生產在工程機械的製造過程中具有非常重要的地位，焊接自動化也會在工程機械生產中的應用越來越廣。以山推為例，山推的結構件生產最初是在地上打地攤人工焊接為主，後來慢慢發展到變位機焊接、專機焊接及機器人焊接三者結相合，到現在以機器人、專機焊接為主的結構件生產階段。自動化焊接技術在工程機械結構件焊接生產中的應用，使結構件的效率得到了大大提高。

在山推公司，焊接機器人一般都是三班生產；另外一點就是焊接質量比較穩定，不像人工焊接有很大的隨意性；再一個就是環保，焊接機器人工作時，工人只是操作示教器，不需要近距離操作焊槍，這樣就大大減少了患上塵肺等職業病的可能。cL

本人認為，隨著國內工程機械廠家對焊接機器人、焊接專機的認識越來越深入，焊接機器人以及焊接專機會在工程機械廠家得到廣泛的應用，提高了我國工程機械整體生產工藝水平。當然，焊接機器人也具有一些缺點，比如一次性投入大，適用於規模化生產，很多小公司會覺得不能承受。

王棟棟：隨著近年來工程機械的發展，客戶對質量的要求越來越高，特別是焊接質量更是重中之重，因此各個生產廠家要求更多焊接自動化設備的加入，以使焊縫變成一個可以控制的要素，而不是像以前一樣靠人工來保證；另一方面，隨著焊接機器人在工程機械的應用，必然要求結構件設計的簡單，方便焊接機器人施焊，並且要求組對質量相應地得到提升。

武亞鵬：焊接被廣泛地應用於工程機械製造、造船、海洋開發、汽車製造、石油化工、航空航天技術、原子能、電力、電子技術及建築等行業，在金屬製造業中，焊接已成為僅次於裝配和機械加工的第三大產業，在工業發達的國家，每年鋼鐵產量的45%左右都要通過焊接才能轉化為最終的產品。

為了保證焊接產品質量的穩定性和提高勞動生產效率，改善焊接工人的工作條件，人們不斷地尋找提高焊接自動化水平的方法。最主要的內容之一是發展焊縫自動跟蹤技術。焊縫跟蹤是一項多學科交叉技術，包括電子技術、計算機、焊接、結構、材料、流體、光學、電磁等學科，國內外眾多研究工作者投入到這一領域進行研究，從示教性焊接機器到程序控制焊接系統，再到移動式自動焊縫跟蹤技術，焊接自動化的每一次進步，不僅大大降低了對工件加工精度和裝配精度的要求，而且降低了焊接準備時間，顯著提高了生產效率。
要想實現焊縫的自動跟蹤焊接，首先必須能監測出當前的焊縫偏差，而所採用的傳感器的形式和種類，決定了信息提取的手段和焊縫偏差識別的方法。傳感器的選擇和應用，是實現焊接自動化首先必須解決的關鍵問題。

焊接機器人在推土機後橋箱上的成功應用，提高了產品的生產效率和質量，減輕了工人勞動強度，實現了柔性化管理，生產便於控制，實現了切實的效益；同時我們也看到，我們的自動化水平和國外企業還存在很大差距，需要繼續推進高科技含量的技術裝備的應用，提高生產力，推動推土機行業的健康發展。最後希望我國的焊接機器人本體設計和生產能夠發展壯大起來。

龐勃：工程機械的焊接向著自動化、柔性化、智能化發展是一個大的方向，焊接機器人和焊接專機技術的進步必將為工程機械的發展注入新的活力，同時我們也殷切期望著焊接機器人早日實現對焊接質量的實時監控。