机器人焊接结构件内档工艺改进方法

杨忠宝，肖健，张金涛，陈俊伟

（山东塔高矿业机械装备制造有限公司，山东泰安，271400）

焊接是液压支架产品制造中最为主要的加工工艺，占其总生产周期的50%以上。按目前国内液压支架产品的年产量计算,每年用于液压支架生产的钢材用量约为200多万t, 而焊缝充填量占工件总重量的3% ~ 4% ,焊丝的有效消耗量达8万t，焊接量非常大。然而，由于结构的特殊性和焊接工艺的复杂性，液压支架目前还以手工焊接为主，工人劳动强度大，且无法保证焊接工作的稳定性和焊接质量的一致性，生产效率也无法进一步提高。液压支架智能化焊接的必要性表现在：

（1）高端液压支架结构及材料的特殊性要求实现智能化焊接

高端液压支架结构件主要是形状复杂的格子间结构，内部焊缝密集，以短距离、立体式交叉焊缝为主；手工焊接频繁的引弧、收弧不利于焊缝质量的提高，而且一些狭小空间内，手工焊接难以到达，造成虚焊、漏焊。此外，高端液压支架广泛采用低合金高强度钢（Q460-Q690）进行制造，为避免冷裂纹倾向，需要对工件进行整体焊前预热，预热温度100℃至150℃不等，即使在炎热的酷暑也是如此, 工人作业环境非常恶劣，必须采用焊接机器人代替工人在此环境下工作。

（2）液压支架功能的特殊性要求实现智能化焊接

液压支架作为综合机械化采煤成套设备的重要组成部分，其作用不仅是支护顶板、维护安全作业空间，而且还要推动工作面输送机和采煤机前移，是联系井下围岩和工作面装备的中枢，对其结构可靠性要求是最高的，液压支架损坏将直接导致工作面生产停止。高质量的焊缝是液压支架结构可靠性的根本保证。人工施焊受到心理、生理条件变化以及周围环境的干扰,难以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性,最终会造成焊接质量的不稳定。

（3）振兴装备制造业，提高行业核心竞争力要求实现智能化焊接

为研发建设我国首个高端液压支架智能焊接加工车间示范工程，实现液压支架焊接加工智能化，制造流程自动化，参数及图像自动记录及质量追溯，系统故障自动诊断，工件自动上下料和车间生产管理信息化，提高我国高端液压支架的制造能力和水平，实现高端液压支架国产化，替代进口，形成我国高端液压支架智能化生产制造的核心技术，塔高公司承揽了“高端液压支架智能焊接加工车间”项目 ,随着项目推进，各项生产工艺必须进一步改进完善。

山能重装集团按照《中国制造2025》总体规划要求，积极展开科技创新，从德国及日本进口了50台高智能焊接机器人，原本产能规划为1000吨结构件焊接量每月，但实际生产状况远未达到要求，顶梁、掩护梁等结构件内档机器人焊接效率相对较低，并且部分焊缝存在质量问题，焊缝返修耗费人力物力，因此我们对此进行攻关，保证产品质量，提高生产效率。

公司引进设备开始使用智能焊接机器人时因没有相关使用经验、没有成熟的智能焊接工艺，因此以手工焊接工艺为基础，进行试验焊接生产。手工焊接工艺要求结构件焊接顺序为先整体打底再进行整体填充焊接；以工件平放时状态为准，打底焊接顺序为先焊正面平面（筋板与底板、主筋与底板）焊缝，再焊正面立面（筋板与主筋）焊缝，最后焊接（底板）背面焊缝；填充焊缝焊接顺序为先焊背面焊缝，再焊正面立面焊缝，最后焊正面平面焊缝。

焊接结构件内档机器人及工作状态如下面照片所示：

按照原手工焊接顺序焊接，工件正面打底焊接完成后需拆夹翻转工件，焊完背面焊缝，然后再翻转工件重新进行装夹，由于存在装夹位置误差，导致正面填充焊接焊缝出现偏焊、未熔合等一系列质量问题。

针对暴露出来的问题进行了工艺改进，先将背面焊缝全部焊完，再分别打底、填充焊接正面焊缝。经过实践表明部分结构件焊后正面崩裂，导致无法继续使用机器人焊接。

再次更改焊接顺序，先将正面焊缝分别打底、填充焊接完成，再焊背面焊缝。按此焊接顺序，类似整体顶梁结构形式（如下照片所示），焊后前端（圆钢）处变形量大，前端耳板同轴度无法保证。

综合以上试行焊接工艺优缺点后，现行工艺改为在成型工序对定位焊进行加固，先焊接结构件背面焊缝，再焊接结构件立面焊缝，最后焊接结构件平面焊缝，目前工件焊后未再出现前述质量问题。

山能重装塔高公司通过引进智能焊接装备，并通过试验取得相符合的施工工艺，改变了传统的结构件手工焊接生产模式，形成了以机器人焊接为主，人工补焊为辅的生产作业模式。智能焊接机器人可长时间的稳定作业，有效保证了焊接质量，增强了液压支架整机可靠性，同时提高了生产效率并极大改善了员工作业环境，取得了良好的经济及社会效益。