付瑶 樊亚斌
【摘要】本文介绍了IGM焊接机器人在转向架横梁组成生产中的应用，通过优化横梁组成焊接顺序、焊接方向、焊枪角度、焊接参数、控制层间温度及焊接位置等多方面的焊接工艺，解决了转向架横梁组成因焊接变形导致调修量大、焊缝有缺陷等在生产中出现的实际问题。
关键词：焊接机器人；转向架；横梁组成；焊接工艺
转向架是轨道车辆最重要的组成部件之一，构架作为转向架结构安装和载荷传递的重要部位之一，要求操作者在焊接时必须做到焊接质量稳定可靠，才能保证列车的整体强度，以保证行车安全。
以往半自动化焊接过程中，由于手工操作的不稳定性，难免会出现未熔合、未焊透、孔穴、固体夹杂和裂纹等焊接缺陷，而这些焊接缺陷均会不同程度的降低焊接的质量，影响接头性能，减少焊接构架的使用寿命，甚至会造成重大事故。此外，半自动化焊接时焊工操作水平参差不齐，焊缝成形不美观，堆积较多的熔化金属，增加了后续修磨交验等工序的工作量，而且大量的打磨容易伤及母材并造成车间烟尘。同时，交验合格率低下，多次的返修、补焊和修磨，产品质量无法保证，在生产量较大的情况下，难以满足生产要求。自动化焊接因其固定的运行程序，焊接过程稳定，焊缝成形美观，质量可靠，焊后打磨量较小，大幅降低车间劳动强度，能有效解决上述半自动化焊接带来的种种难题。这样不仅有助于提高转向架焊接自动化率，而且为公司成为轨道交通装备行业世界级企业奠定基础。
横梁组成的结构如图1所示，B型地铁的横梁结构是由两个横梁钢管、两个纵向梁组成、两个电动机吊座组成和两个齿轮箱吊座组成构成的“井”字形闭合结构。在横梁组成中电动机吊座组成、纵向梁组成、齿轮箱吊座组成与横梁管连接的直焊缝采用自动化焊接，电动机吊座组成、齿轮箱吊座组成与横梁管的环焊缝部分采用自动化焊接，其余焊缝采用半自动化焊接。整体横梁组成中大多数焊缝形式为管板T形接头环形焊缝和直焊缝。其中纵向梁组成、齿轮箱吊座组成以及电动机吊座组成等部件与横梁钢管连接的主要坡口形式包括10HY、12HY及15HY。
图1 横梁组成结构
（1）机器人本体及变位机 转向架构架横梁组成使用奥地利IGM公司的IGM机器人进行焊接。该焊接机器人使用6轴设计，所有轴均为交流伺服电动机驱动，带焊枪座及焊枪碰撞传感器。整个系统采用全数字化的控制技术，包括系统各部分与控制柜和焊接电源之间的通信皆为数字化控制。整个系统采用总线连接，能让所需连接电缆更少，数据处理速度更快，控制更加精确。焊接B型地铁横梁组成时使用的是双联动C型变位机，它能根据横梁组成的结构以及焊缝相对位置，将焊缝调整到理想的焊接位置进行焊接。
（2）IGM机器人系统 焊接系统采用奥地利Fronius公司的TPS5000全数字化控制的逆变焊接电源，适用CO2/MAG/ MIG脉冲、MAG及脉冲MIG焊接方法；适合于在有效焊接区域内进行全方位焊接，焊缝达到EN15085、TB/T 1580—1995及相关标准要求；机械手采用内置蒸馏水混合酒精的防冻液封闭式循环系统，并具有缺水报警装置；焊枪为单丝焊枪，并采用一体化水冷焊枪，水冷至导电杆和喷嘴。它能实现数字化焊接过程控制，其体现在控制的精确、可靠的焊接性和焊接质量上。
（1）焊接变形的控制 机械手焊接部位主要包括纵向梁组成、齿轮箱吊座组成以及电动机吊座组成与横梁管的直焊缝以及环形焊缝。在横梁组成焊后，主要的焊接变形出现在横梁组成垂直方向四角高低不等，分析原因主要是由于机械手焊接横梁组成直焊缝过程造成的。基于此问题，将机械手焊接横梁组成中直焊缝的焊接顺序调整为打底、填充、盖面同步进行。也就是说所有的焊缝同时先打底、再填充，最后焊接盖面层。同时，为了减少垂直方向横梁管的变形，焊缝选择先中间后两边，平面靠近横梁中间起弧。
本文调整横梁组成焊接顺序有两个原则：①对称焊接原则，将焊接变形量控制在最小。②变位机反转次数最少原则，以提高生产效率。
通过对横梁管机械手焊后变形量的统计进行分析，决定将焊接顺序调整为：立面打底→平面打底→平面填充→平面盖面→立面填充→立面盖面。
如图2所示，在自动化焊接横梁直焊缝时，将焊接方向调整成从横梁中间的位置起弧；如图3所示，在焊接横梁的立面环焊缝时，将焊接方向调整成从横梁管的外侧向纵向梁方向起弧，这样能够有效地减少焊接变形的产生。
图2 机器人焊接直焊缝起弧位置示意
图3 机器人焊接环焊缝起弧位置示意
横梁组成机械手焊接顺序经调整以后，横梁组成焊接变形量在3mm以内，焊接变形量得到了有效地控制。99%的横梁组成只需一次火焰调修即可达到尺寸合格并交出流转至下道工序。
（2）焊接缺陷的控制 机器人焊枪角度的调整：在焊接过程中焊枪的角度对焊缝成形有着很大的影响，以横梁管与电动机吊座环形焊缝为例，焊枪在垂直于横梁管方向（即焊枪行走角）存在一定角度时，保护气会将电弧吹向焊枪倾斜方向的反方向，不利于焊缝根部的熔合。焊枪在平行于横梁管方向（即焊枪工作角）的角度α太大的话，填充材料会过多凝固于横梁管一侧，造成横梁管一侧产生咬边的缺陷，电动机吊座一侧坡口未填满；反之，焊枪工作角的角度太小的话，填充材料会过多凝固于电机吊座一侧，造成横梁管一侧产生未熔合，电动机吊机一侧铁液下坠造成未熔。
经过试焊对焊缝成形的观察总结出：在焊接打底层时，将焊枪行走角调整为90°，工作角为70°（见图4）。这样的焊枪角度可以得到比较理想的打底层熔深和焊缝成形，为2、3、4层的焊接打好基础。在焊接2、3、4层时，焊枪行走角的角度始终保持90°。平行于横梁管方向上逐渐增大焊枪与横梁管的距离b，同时适当减小焊枪工作角的角度α，到盖面层时工作角减小到45°左右。这样的焊枪角度焊接盖面层，可以达到满足焊脚要求且成形美观，无焊接缺陷产生。
焊接参数控制：①适当增加电流：在其他参数一定条件下，电流与焊缝的熔深成正比。所以将电流适当的增加，可保证焊缝的熔深和熔合质量。②盖面层增加电压：在其他参数一定条件下，电压与焊缝成形的宽度成正比，那么在盖面层增加适当的电压，可保证盖面层的宽度达到要求。③调整弧长修正：在打底层适当减少弧长修正数值，保证打底层的熔深符合要求；在盖面层适当增加弧长修正数值，使焊缝的成形美观。④适当增加焊接速度：在其他参数一定条件下，焊接速度与焊缝余高成正比，鉴于改进前的焊缝存在着余高过高和打磨量过大等缺点，那么可增加焊接速度，以达到减小余高过高、打磨量过剩的缺点。⑤开启“脉冲焊接”方式：带来的优点是焊接飞溅少，焊缝成形美观。
通过多次的试焊接并进行外观检查，总结得出了福州地铁转向架横梁组成横梁管与电动机吊座焊缝的焊接参数，如附表所示。
（1）使用焊接机器人可以稳定的提高焊接质量，确保焊接质量的均匀性，在大焊接量的工件焊接中，明显地体现了机器人的优越性。焊接机器人可以连续地生产，改善工人的劳动条件，同时还能解放劳动力，集中更多优势电焊工攻关其他难点，从而能提高劳动生产率。
（2）通过对焊接顺序的调整和对层间温度的控制，解决了焊接变形量大的问题。在减轻焊后调修工作量的同时减少了热输入量，增强了转向架的整体强度。
（3）通过改进焊枪姿态、焊接参数，有效避免了焊接缺陷的产生。降低了横梁组成的返修率，节约了车间的生产成本，提高了产品的质量。参考文献：
焊接参数
层数焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-1摆频/Hz摆高/mm摆宽/mm 1 260～270 28.5 25 110 0.5 3 2 270～280 29 20 80 1 5 3 270～280 29 18 65 1 7 4 270～280 29.5 15 50 1 11
[1]刘志平，等.地铁车转向架焊接工艺[J].焊接技术，2011，40（8）：38-40.
[2]荣豪，张志毅，卢铁鹏.地铁转向架横梁组成自动焊接工艺开发[J].机车车辆工艺，2011（5）：18-20.
图4 焊枪角度示意
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作者简介：付瑶，中车唐山机车车辆有限公司转向架技术中心；樊亚斌，中车唐山机车车辆有限公司转向架厂。
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