焊接机械手在机车构架生产中的工艺研究

摘要：机车构架作为机车转向架设备安装的钢结构骨架，其主要承受机车上部重量、传递机车运行中的机车牵引力及各种振动，构架质量直接决定机车运行是否安全、可靠。机械手焊接方法具有获得高且稳定的产品质量、美观的焊缝成形，高效等优点，其正在机车产品焊接中取代传统的手工焊接方法。本文主要介绍焊接机械手在机车构架框架生产中的焊接工艺研究及实际运用情况，为推广到其他机车构架焊接生产提供借鉴。

1.概述

焊接机器人在焊接自动化生产中占有重要的位置，该方法在西方先进国家焊接领域中的应用日趋成熟。根据我国工业“2025”目标，机车车辆行业中正由手工半自动焊接向焊接智能制造转化，焊接机器人是钢结构产品焊接智能制造的主要执行设备之一。焊接机械手作为焊接机器人的主要设备，其在产品焊接质量稳定性、效率、焊缝外观等方面大大优于人工焊接，同时采用机械手焊接其生产周期相对固定和劳动强度小，可以24h不停歇工作，是制造行业人工智能发展方向的必备设备。

在机车车辆制造行业中，机车底架及构架框架的单梁部件虽引入机械手焊接已二十余年，考虑机车转向架构架框架（本文简称构架，下同）结构的复杂性、工艺性及重要性，只有少数制造单位正在研究构架的机械手焊接工艺。机械手焊接工艺在我公司的机车底架及构架的单梁部件中也已成功应用多年，公司具有成熟的机械手焊接经验。本文重点介绍我公司在一种机车构架焊接生产中进行的焊接机械手方面的工艺研究及应用情况，以期为后续焊接机器人在机车构架中的工艺推广提供具有价值的借鉴。

2.机车构架的结构及焊接工艺性分析

（1）机车构架（见图1）按EN15085体系设计，由左右侧梁、横梁和前、后端梁等箱型梁组成“日”字形框架。构架焊缝分别以“X”、”Y”轴对称分布,位于各梁之间的连接处：主要是V形坡口对接、对接加角接构成的复合T型接头；焊缝数量多且长度在200~500mm范围；位置在空间位置；按EN15085体系规定，焊缝质量等级均为CPB,焊接质量要求高，要求焊后通过UT超声波探伤+MT磁粉探伤+VT外观检查。

（2）构架材质为我国机车行业广泛采用的的16MnDR低合金高强度钢，该钢碳当量Ceq低于0.4%，焊接性好。钢板厚度范围在8~20mm，其焊接工艺需采用多层多道进行焊接。

图1 构架结构

（3）构架焊接工序内容 首先，构架侧梁上下盖板与中间横梁上下盖板、前、后端梁下盖板的对接焊缝。其次，构架侧梁与前后端梁的单边Y形+角焊缝。最后，构架侧梁与各横梁立板间的单边Y形+角焊缝。

（4）接头统计 根据构架产品焊缝结构形式及接头统计，构架需进行6项焊接工作试件，如表1所示。

表1 构架框架机械手焊接工作试件统计明细

3.焊接工艺

（1）设备选型 考虑：①构架焊缝对称分布。②构架大部分焊缝施焊空间受限，焊枪的可达性要求高。③焊缝截面均为带坡口的V型对接焊缝和单Y型角焊缝，机械手摆动中焊丝尖端电弧电流/电压波动明显。④存在构架组装的尺寸及位置偏差和双丝焊枪两丝的不同步问题。我们决定采用：带电弧跟踪方式（而不能采用常见的激光或其他附加的跟踪系统）+单丝加长焊枪的公司正在使用的IGM双枪滑轨式焊接机械手RT1330S能满足要求。该焊接机械手设备需通过模拟工作试件焊接后方能实施焊接工作。

（2）构架机械手焊接前的工艺质量要求 ①严格控制构架框架单梁尺寸及形位公差满足图纸要求。②组装后要求对接焊缝间隙控制在3±1 mm、T型角焊缝间隙控制在0-2mm。③组装后各焊缝位置坐标相对基准点的偏差在2mm以内。④为消除组装误差给机械手打底焊接时带来的问题，确保根部焊接质量，对所有焊缝进行采用人工MAG（135）方式打底焊，打底层厚度不超过3mm。

（3）焊工资质要求 焊工均需在取得相应的ISO9606-1及EN1418资质鉴定，同时通过焊接模拟工作试件后上岗。

（4）焊接工艺评定及试验 为保证机械手焊接质量，我们通过工作试件进行工艺评定以确定机械手焊接参数。

第一，工作流程：按ISO 15614-1要求，需对机械手焊接工艺进行评定，主要工艺流程为：焊接接头统计→确定工艺评定项目→下达工艺评定试板→编制预焊接规程（PWPS）→机械手焊接并记录实时数据→试件外观检查（100%VT）→无损检测探伤（100%MT+100%UT（对接焊缝））→进行破坏性试验（金相+拉伸+正反弯曲试验）→正式的焊接工艺规程（WPS）

第二，焊接工艺规范（WPS) 经过焊接工艺评定，我们确定以下焊接工艺规范（WPS)。首先，对接焊缝：焊接位置PA，焊道布置为3层5道,焊接参数如表2所示。

表2：对接焊缝，PA焊接位置的工艺参数

其次，T型单Y+角焊缝：焊接位置PC，焊道布置为3层7道,焊接参数如表3所示。

表3 T型单Y+角焊缝，PC焊接位置的工艺参数

最后，角焊缝：焊接位置PC，焊道布置为2层4道,焊接参数如表4所示。

表4 角焊缝，PC焊接位置的工艺参数

第三，为进一步验证产品实物焊接质量和机械手焊枪操作的可达性，我们进行了实物模拟试验。由于构架整体焊缝布置为对称结构，实物模采用半边构架进行，对构架上的局部可能影响机械手可达性的产品附件采用钢板代替模拟，如图2所示。

 图2 实物模拟试件

根据以上工艺参数编制焊接工艺文件焊接，焊后对模拟试件焊缝按图纸要求进行无损检测（NDT)并进行解剖取样（同种类型焊缝每种两段），并进行金相和HV10硬度试验，结果满足要求。第四，模拟试验后，发现各横梁立板与侧梁翼板、立板之间三联焊缝拐角处，由于转角太小，机械手无法进行连续焊接，我们该处焊缝采用胎下人工进行焊接处理。

4.构架机械手焊接的编程

构架机械手焊接的编程采用示教模式进行。

（1）合理利用寻踪定位系统，对焊缝的起弧位置进行有效确认，如图3所示，通过对三个方向进行重复定位，重新定位焊接起弧点

图3 寻踪定位运动轨迹

（2）合理利用机械手外部轴与内部轴之间的联合协动，焊做到双枪对称施焊，如图4所示，在保证产品质量的前提下兼顾生产效率，首次填充层焊接单层后进行翻面对称接，其他填充层按每次焊接2层进行。

图4 构架整体焊接顺序

（3）由于构架上对接焊缝设计采用了引熄弧板，对接焊缝按正常焊接步进行焊接，其余连接焊缝均需采用回焊处理，降低焊接接头缺陷。

5.应用情况

我们在完成机车构架的机械手焊接工艺评定试验及实物模拟试验后，编制了该车型的焊接参数及规范，在通过首台构架疲劳试验验证后进行了该型机车构架的小批量生产，该批构架已投入机车运行，用户无质量问题反馈，说明机械手焊接工艺应用于构架的焊接生产是可行的。截止目前为止，我公司在类似的国内内燃、电力机车的转向架构架产品中，共实现了11种不同车型构架的机械手焊接生产。

6.结语

我们选择具有典型代表的一种机车构架进行机械手焊接工艺评定试验及实物模拟试验，通过试验获得了合理的焊接参数及规范。其后进行首台验证及小批量生产，表明焊接机械手能满足机车构架的焊接生产，工艺可靠，为后期类似的结构进行机械手焊接工艺的编制及实施提供了可借鉴的宝贵经验，同时也为后期机车构架实现智能制造进行一定的探索。

（电焊工友联盟 文：邱友胜，欧阳尔卓, 林元）

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