焊接机械手在制冷行业的应用研究

焊接机械手在制冷行业的应用研究

余熀盛

江门中车轨道交通装备有限公司，广东 江门 529000

摘要：随着我国制造业的发展，焊接机械手在主要应用领域的汽车及汽车零部件制造业的装配量快速增长上升；但是在制冷压力容器领域几乎还是很少，为进一步促进制冷行业的发展进程，建议相关人员应该积极将焊接机械手引入到制冷压力容器领域当中，以期确保焊接质量与效率双重提高。

关键词：焊接机械手；制冷行业；自动化；焊接质量

在压力容器组装时，需要对容器的不同部位进行焊接，焊缝类型较多，在焊接生产过程中往往涉及到多种自动焊接设备，如何使得焊接设备具有自动化、智能化功效，从而提高压力容器焊接自动化程度，提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率，已成为所有焊接工作者的强烈愿望。

一、关于制冷压力容器焊接要求的相关分析

制冷压力容器主要是指以液化气体为制冷剂原料，设计压力一般为低中压、设计温度为低温状态（比如有一些工作温度在-40℃以下）的制冷装置。一般来说，制冷压力容器制造工序基本同其他压力容器一样，他的特点是低温工作状态，多数选用低温材料。也就是说，除了满足常规压力容器的要求之外，必须获得满足低温冲击的使用性能，为了满足低温冲击，必须获得细晶粒的焊缝组织，在低温压力容器生产中，如何获得上述组织？是靠焊接线能量输入小而均衡来获取的，既是焊接电流，焊接电压，焊接速度合理搭配，根据公式U*I/V的值来决定的。即在实际焊接过程中，技术人员必须严格确保焊缝表面不得出现明显裂纹、气孔或者飞溅物等缺陷问题，同时控制焊接输入线能量，确保焊缝组织在低温状况下正常使用。且在压力容器组装过程中，技术人员往往需要针对容器的不同部位，利用合理的手段进行有效焊接。介于焊接类型众多的影响，焊接生产过程中往往会频繁使用自动化焊接设备。然而，如何提高焊接设备的自动化水平、智能化水平，俨然成为制冷行业的首要难题。且提高焊接质量、改善工作环境也成为焊接技术人员的主要要求。

二、焊接机械手结构设计

1.焊枪支架设计。焊枪支架刚度和强度对焊接的稳定性起着重要的作用，所以对其进行力学分析，验证其是否满足使用要求。支架有效长度1 850 mm，自重65 kg，焊枪、焊枪固定架及传感器等合计质量20 kg，另一端安装送丝机，分别在连接板两侧，其对焊接稳定性影响不大，所以仅需对焊枪端的焊枪支架进行分析，通过力学计算，选用矩形管60 mm×60 mm×4 mm满足强度要求，连接板处受力最大，在此增加筋板，增强其稳定性。经过计算端部的下挠量为0.16 mm，满足焊接精度的要求。

2.焊接机械手本体结构设计。Z轴结构设计如图1所示，滚珠丝杠、线性滑轨、伺服电机减速器固定在立柱上，丝杠螺母固定在焊枪支架连接板上，通过齿轮传动输出动力，转动滚珠丝杠实现线性导轨上的焊枪支架连接板上下运动，从而达到焊枪上下运行及调整的目的。

图1 Z轴升降装置

X轴结构设计如图2所示。伺服电机、减速器固定在立柱上，齿条、线性滑轨固定在横梁上，通过齿轮传输动力使立柱左右运动，从而达到焊枪沿梁深度方向的进给。

图2 X轴运行装置

Y轴结构设计，采用精密轨道，配合导向轮，实现沿主梁长度方向的运行。

焊枪装置双枪对称布置，实现两侧焊缝同时焊接，为了保证装配精度及微调，焊枪固定架可以进行2个方向位移调整，2个方向角度调整，焊枪结构紧凑设计，以满足最小规格梁焊接使用。另外，通过计算，选取900 W伺服电机可满足使用要求。

三、焊接机器手的特点

焊接机械手是利用类似像人类的手，用来焊接钢铁之类产品，与平常工业呆板人比力，它具有精度高、柔顺性好、能与其他体系配套利用等特点，主要特点如下：（1）工作稳定，可大幅提高焊接质量，保证焊接均匀性。（2）提高劳动生产率，机械手可24小时连续生产。（3）改善工人劳动条件，可适应于任何有害环境。（4）应用焊接机器人可以降低对工人操作技术的要求。（5）缩短产品改形换代的准备周期,减少相应的设备投资。（6）焊接机械手可实现小批量产品的焊接自动化。

四、焊接机械手在制冷行业中的实际应用

介于焊接机械手的应用特点与相关优势，多数技术人员选择将焊接机械手应用于制冷行业的制冷压力容器当中。一般来说，焊接机械手焊接制冷压力容器，往往可以达到优化焊接参数的目的，并且利用焊接机械手的焊缝跟踪功能，可以进一步改善以往焊缝外观裂纹、气孔或者飞溅物等缺陷问题，同时控制焊接输入线能量，确保焊缝组织在低温状况下正常使用。具体如下：

1. 进一步加强压力容器的安全程度。焊接机械手在实际应用过程中，可以进一步实现弧焊、点焊、切割作业等操作要求，往往能够促进产品的标准化与通用化水平。一般来说，利用焊接机械人工艺参数所焊的试件多可以达到工艺评定标准，而且在产品实际运用中，焊接参数可以控制到同焊接工艺评定一致。最重要的是，生产出的压力容器能够进一步符合安全技术规范要求，充分解决以往压力容器安全程度不高的问题。结合实践经验来看，将焊接机械手应用于制冷压力容器中，基本上可以加强压力容器的内部承压以及抗低温环境效果，提升应用安全程度。且压力容器是厚板，焊接有坡口，机器人往往多以“视觉对照系统（目的是跟踪定位，精准寻找坡口）+弧压跟踪系统（利用电弧电压的反馈，自动调整调整机头高低位置，确保电弧长度不变，从而保证焊接参数稳定）”为主，能够100%控制焊接线能量输入，能够有效提升压力容器的安全程度。

2. 解决以往人工焊接质量不佳问题。结合以往实践经验来看，焊接工人在日常生产过程中，往往面临着较多工作量。长时间的工作难以达到预期的工作效果，多会出现焊接质量不佳的问题，比较影响制冷容器的焊接质量。针对于此，技术人员选择应用高精准度控制焊接线能量的焊接方式，主要是将将焊接机械手投入到低温材料的生产当中。结合作业效果来看，焊接机械手相当于承担5个焊接工作者的工作量，大幅度地降低了工作人员的工作强度。最重要的是，焊接外观质量和金属组织明显比人工焊接强得多，能够降低后续维护成本，有效提升了焊接生产效率。由此可以看出，将焊接机械手应用于制冷容器生产当中，具有重要的意义。

3.实现焊接自动化控制要求。焊缝跟踪作为焊接机械手的重要技术内容，属于焊接自动化控制系统的重要构成部分。利用焊缝跟踪技术基本上可以进一步实现焊接自动化生产效率，能够加强压力容器的生产质量。一般来说，传统焊接技术在实际应用过程中，难免会出现明显的焊缝问题，长期以往，不利于压力容器的生产质量。而通过应用焊缝跟踪技术，技术人员可以第一时间查找到存在焊缝问题的位置，并利用切实可行的措施提高压力容器的生产质量。最重要的是，通过实现焊接自动化控制要求，技术人员可以有效规避以往焊接质量不达标的问题，有利于生产质量的进一步提高。

总而言之，采用焊接机械手焊接制冷压力容器基本上可以达到优化焊接质量与焊接效率的效果。在实际应用过程中，技术人员可以根据不同工件及焊缝接头，选择合理的焊接参数。并在此基础上，结合设备自带焊缝跟踪功能，大体上可以改善以往焊接效率不高或者质量不达标的问题。且随着我国焊接机械手应用力度的不断加强，势必会在制冷行业得到普及应用，达到预期的焊接效果，让我们拭目以待！

参考文献：

［１］刘新．弧焊机器人激光焊缝跟踪系统的应用研究［Ｊ］．湖南科技大学学报（自然科学版），2018，２５（３）：６３－６６．

［２］张慨士．焊接机械手在制冷行业的应用［Ｊ］．系统仿真学报，2018，２１（２１）：６８０３－６８０６．

［３］杨德．基于宏微机器人的焊缝跟踪研究［Ｊ］．机器人，2018，３０（６）：５０３－５０７．