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机车构架的焊接机器人生产应用研究辛海波1徐惠忠2（1．常州铁道高等职业技术学校2.戚墅堰机车车辆厂工业公司江苏常州213011）摘要：介绍焊接机器人在内燃机车转向架构架焊接应用方面的工艺研究。通过对机车构架部件焊接加工特点的分析，结合焊接机器人加工特点以及待焊工件产品验收要求，研究试验构架机器人焊接加工工艺，用于构架牵引梁、侧梁等部件的机器人弧焊。关键词：焊接机器人；机车转向架；效率；焊接工艺0引言由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，铁路机车车辆制造行业处于快速增长阶段。其中机车转向架构架产品质量要求很高，生产节点安排紧密。若采用传统的焊接手段，对焊接操作者技术要求高，短期内较难达到要求，且产品稳定性差。针对这一现状，经过大量调研，结合目前焊接技术的发展，认为采用机器人焊接方案切实可行。1铁路机车构架焊接生产存在的主要问题：（1）生产效率低铁路内燃机车构架的焊接，主要采用焊条电弧焊及半自动CO2气体保护焊，工人劳动强度大，生产效率低。因此，为提高生产效率，应该发挥焊接机器人的优势，采用生产效率高的焊接机器人来生产产品较为可靠。（2）焊接质量不稳定采用手工电弧焊或半自动CO2气体保护焊，其焊接质量随操作工人的技能、情绪等人为因素影响较大。比如，中国南车戚机厂在对兰新线的转向架构架焊缝产生的裂纹情况进行了调查统计，发现在侧梁、横梁及端梁等多处出现裂纹，裂纹长度不一，裂纹深度及至整个焊缝的深度，给机车的安全运行带来了隐患。分析原因主要是焊工人为因素所致，为消除人为因素的影响，提高产品的焊接质量，需要采用自动化焊接系统。由于焊接机器人在铁路装备生产制造方面应用越来越广泛，其焊接质量很高，所以，采用焊接机器人焊接转向架构架部件是有必要的。（3）生产环境差在生产铁路机车构架时，由于焊接工作量大，生产环境很差，当焊接烟尘和保护气体超过允许浓度时，就会影响焊工的身体健康。采用焊接机器人进行操作，焊接机器人系统带有烟尘净化装置，可以减小对环境的污染。而且，机器人在这种环境下操作，解决了在工作中对人体的危害。2构架部件结构分析转向架构架包括侧梁、牵引梁、中间梁以及后端梁等，每种梁都需通过焊接而成，这里又以牵引梁和侧梁的焊接尤为重要。其材料为Q420E低合金高强度钢板，板厚范围10~25mm。牵引梁装配如图1所示，包括上下盖板、前后立板、肋板和筋板。构架各梁均为箱型结构，刚性强，一旦出现较大变形，很难矫正，所以焊接过程中既要考虑减少焊接应力，又要控制焊接变形。在制定焊接工艺时要充分考虑。图1牵引梁装配图3Q420E的焊接性分析2.1Q420E化学成分分析Q420E属于低合金高强度钢，强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能。一般情况下，低合金钢焊接接头随着钢材强度的提高及钢板厚度的增大，其焊接性变差。影响金属焊接性的主要因素是化学成分。不同金属材料的焊接性能不一样。Q420E的化学成分如表1所示。表1母材化学成分材料牌号主要元素成分（%）CCrMnNiSiPSV、NbTiQ420E≤0.2≤0.41.0--1.7≤0.7≤0.55≤0.025≤0.0250.02--0.20.015--0.060.02--0.2钢中的碳和合金元素对焊接性能都会有影响，但其影响程度不同。在钢的主要元素中，碳的影响最明显。在粗略估计碳钢和合金钢的焊接性时，可以把钢中的合金元素(包括碳)的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的相当含量，其总和叫碳当量，可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量公式为：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)将Q420E化学成分数值带入上式计算，所得结果为：Ceq=0.433%。2.2Q420E焊接性分析碳当量越低，焊接性能越好。碳当量0.40%，焊接性能良好;碳当量0.4-0.6%，焊接就较困难。由计算知，Q420E碳当量值大于0.4，焊接较困难，冷裂纹的敏感性将增大，应严格控制焊接工艺。焊接材料选择CO2气体保护药芯焊丝，其工艺性能优良，焊接效率高。焊缝金属经微量元素韧化处理，在－40℃以上的低温韧性优良，抗裂性好。焊接材料选用原则要求焊缝焊材的强度应等于或稍大于母材，且既要满足焊缝的化学成分要求，又要保证其力学性能，故选择E501T钛型渣系微合金药芯焊丝。4牵引梁机器人焊接工艺3.1零部件的加工与装配牵引梁上、下盖板与立板的厚度相差较大，上、下盖板分别为16mm、20mm，而前、后立板分别为12mm和10mm。既要保证盖板充分的熔透深度，又要使立板不焊漏。由于机器人自动焊不像手工焊可根据情况进行调节，经过综合考虑，在立板背面加工艺衬板，以解决上述问题。衬板选用10mmX10mm的条钢，在装配时点焊在立板背面。且为保证熔透，立板侧开30º坡口，坡口加工方法为刨削加工，以保证加工质量和精度。组装后的牵引梁剖视图如图2所示。3.2焊接顺序与工艺参数构架部件弧焊机器人工作站包括焊接机器人系统和变位机。组装、点焊，通过手工操作完成，结构件的定位组装通过点焊工作台架工件定位系统实现。点焊好的工件置于自动焊接变位机上，对两侧四条焊缝进行船形焊接。由弧焊机器人系统完成自动焊接，具有较高的自动化程度。为控制焊接变形，采用合理的焊接次序来减少焊接变形。因为工件板厚较大，分四层进行焊接，每焊完一层，要进行敲渣，同时加入吹焊枪内飞溅子程序。机器人自动焊采用药芯焊丝CO2气体保护焊，焊丝型号为E501T-1L。为正确选择工艺参图2牵引梁装配剖视图数，保证焊接质量，尤其是熔透深度。在对工件施焊以前，进行了工艺试验。焊完后进行切片，观察焊道及熔深情况。并进行相应力学性能试验，经过试验，确定了相应工艺参数值。5结论通过对机车构架部件的结构和材料焊接性分析，研究试验构架机器人焊接加工工艺，用于构架牵引梁、侧梁等部件的机器人弧焊。焊接机器人在机车转向架构架生产中的应用，大大提高了焊接加工的生产率，特别是批量生产时尤其明显，同时也提升了焊接产品的质量，降低了工人的劳动强度和对焊工操作技术的要求，能给企业带来较好的经济效益和社会效益。参考文献[1]林尚扬，陈善本，李成桐等.焊接机器人及其应用[M].北京:机械工业出版社，2000.[2]郭洪红.工业机器人运用技术[M].北京:科学出版社，2008.[3]殷际英，何广平.关节型机器人[M].北京:化学工业出版社，2003.