对适用于液压支架结构件机器人焊接的拼装工艺分析

胡增光 马 宇 崔 磊

（西安重装铜川煤矿机械有限公司，铜川 727000）

在液压支架结构件制作中，合理运用机器人焊接技术，结合相应的拼装工艺，能够提升焊接效率，保证焊接可达率和拼焊质量。因此，本文开展了对液压支架结构件机器人焊接拼装工艺的研究，探究传统工艺中存在的问题，通过实验对比分析的方式分析新工艺的优势与不足，并提出了针对性的解决措施，以进一步提升液压支架结构件机器人焊接拼装工艺水平，促使机器人焊接拼装工艺能够在液压支架结构件制作中得到更好的应用。

1 液压支架构件焊接技术要求

近年来，随着我国社会经济的发展，我国的科学技术水平不断提高，以机器人代替传统手工劳动力成为现代工业领域主要的发展方向。液压支架作为现代化采煤的重要设备，其结构件的制作尤为重要。现阶段，液压支架制作过程中普遍选择使用焊接技术，其中机器人焊接技术是最常见的焊接方式。在液压支架结构件焊接过程中，需要严格按照规定焊接，以保证焊接质量，进而保证液压支架的制作质量。

一方面，要求焊接结构外形不可存在尖角，否则易磨损焊接设备，给企业造成不必要的经济损失。另一方面，需要保证铰接部位四孔同轴度直径为0.5 ～1.0 mm，焊接长度在4 m 以内。焊接抗拉强度不得低于520 MPa。在焊接过程中，需要参照《煤矿用液压支架 第1 部分：通用技术条件》（GB 25974.1—2010）中的规定进行焊接，不允许存在裂纹、气孔及夹渣等焊接缺陷。此外，焊接过程中要保证表面清洁，且所有焊接等级必须达到Ⅱ级。

2 机器人焊接存在的问题及实现的关键技术

2.1 存在的问题

首先，调查研究显示，现阶段大部分液压支架均为箱体结构，需要焊接的部位较多，且拼装量较大。同时，为了保证液压支架的使用性能，需要保证液压支架具备一定的密封性，进一步增加了液压支架的焊接难度。

其次，液压支架的结构件钢板厚度普遍较大，对焊接工艺提出了更为严格的要求，必须选择合适的焊接工艺才能够保证整体的焊接质量。

再次，现阶段大部分液压支架的焊接技术普遍选择的是多层多道焊接技术，这就要求在使用机器人焊接时需要编写更复杂的焊接程序，增加了程序编写的难度。

最后，由于在实际使用机器人焊接时，需要将机器人手臂移动至焊接部位随后进行焊接，因此需要为焊接机器人配备变位装置，但变位装置价格较为昂贵，且占地面积较大。

2.2 关键技术

2.2.1 运动控制技术

针对变位装置较为昂贵且占地面积较大的问题，可选择使用运动控制技术。运动控制技术能够帮助焊接机器人实现空间位移，且在位移后可使焊接机器人依旧保持规范的焊枪姿态。在实际使用运动控制过程中，需要根据液压支架箱体结构的特点进行合理设计。箱体结构焊接对液压支架空间位移的需求量较大，且需要保证焊接机器人能够沿着焊缝空间移动，故需要在焊接前根据实际的焊接要求设计焊接参数，并以焊接参数为依据进行运动参数设计，保证焊接机器人的空间位移能够满足液压支架的焊接要求[1]。

2.2.2 焊缝定位与跟踪技术

焊接定位与跟踪技术对于监控焊接情况尤为重要。通过焊接定位与跟踪技术，能够实现对焊缝与坡口宽度的自动识别，这对于保证整体的焊接质量至关重要。实际上，液压支架的钢板较厚，实现精准定位较为困难，因此需要选择采用实时跟踪的方式，根据焊缝轨道的变化精准定位焊枪。随着近年来我国科学技术的发展，激光焊接跟踪技术得到了较大的发展。激光焊接跟踪技术能够实现根据坡口的变化自动调节焊接工艺参数，实现对焊接情况的实时监控。未来在焊缝定位与跟踪技术的研究中，需要以激光焊接跟踪技术为主。

2.2.3 多层多道焊技术

为保证液压支架的稳定运行，需要确保液压支架具有足够的支撑力，而这就导致液压支架尺寸大、板材厚，给液压支架的焊接造成了困难。在实际进行液压支架焊接的过程中，由于热输入量较大，很容易导致液压支架产生焊接形变。为了减少热量的输入，相关领域的研究人员研发了多层多道焊工艺。同时，随着近年来我国社会科技的发展，智能化、自动化技术在各个领域得到了普及。在液压支架焊接工艺中，自动化多层多道焊是液压支架机器人焊接的关键技术。多层多道焊通常是先完成所有焊缝的整体打底焊接，再进行盖面焊。为解决这一问题，仁怀伟开发了专用于液压支架的分层多道焊焊接程序和数据库，最多可以同时录入10 条焊缝的打底焊信息，自动生成盖面焊接程序，并与所属打底焊焊缝的焊接顺序一一对应，成功实现了液压支架构件的自动化分层多道焊焊接[2]。

3 工程案例

3.1 项目概述

为了更好地分析液压支架结构件机器人焊接的拼装工艺，选择以某煤矿机械有限公司的液压支架为例进行阐述。该企业为液压支架制造企业，液压支架型号为ZY12000/20/40D。该企业在进行液压支架结构件焊接时，主要使用的是机器人焊接技术。当液压支架结构件拼装完成后对结构件进行焊接，才能够确保液压支架正常使用。本试验开展的主要目的是验证该企业液压支架结构件机器人焊接拼装工艺的合理性。

3.2 拼焊工艺技术要求

在拼接过程中，现场操作人员需要严格按照图纸规定的要求进行拼装，确保各零部件和组件拼装位置正确，且在拼装完成后检查零部件和组件的位置。同时，需要保证零部件和组件表面的清洁度，不得有水、锈及油污。此外，要求手工划线宽度不大于1.0 mm，并按照规定的要求进行反变形尺寸和预留尺寸的确定。为防止主筋变形，需要根据主筋贴板的实际情况适当校正焊缝，且各贴板之间的拼装间隙需要小于0.5 mm，而其他部位的拼接间隙需要小于1.0 mm。

3.3 工艺方案优化措施

掩护梁体是液压支架的重要组成部分，其拼装质量直接决定了整个液压支架结构的稳定性和安全性。若液压支架结构不稳定，则会导致液压支架的运行稳定性较低，容易发生安全事故。因此，本文选取液压支架的掩护梁体作为主要研究对象。掩护梁体由顶板、主筋组件、平衡耳座、盖板、内部纵横筋及其他附件组成，为密封箱体结构。在掩护梁的生产过程中，由于掩护梁组件较多，通常需要经过多次拼焊才能够完成生产，而拼焊的质量直接决定着掩护梁结构的密封性与安全性。因此，对掩护梁拼焊的工艺要求较为严格，生产难度较大[3]。

掩护梁的钢板厚度通常要求在20 ～60 mm，故本项目选择使用多层多道焊技术。该技术累积需要进行3 次拼接、3 次焊接、2 次预热和2 次校正，焊接量较大且空间焊接较多，具体拼焊流程为“一拼（拼接掩护梁结构）—预热—一焊—一校—二拼—预热—二焊—三拼—三焊—二校”。在焊接过程中，受关节臂和焊枪结构的限制，采用机器人焊接拼装工艺容易出现可焊率较低、人工补焊量大的问题，故拼焊流程复杂且消耗时间较多，需要优化拼焊工艺[4]。该企业选择在原有焊接流程的基础上增添了补焊环节，并深化一拼环节，将其调整为左箱体拼装、中间箱体拼装和右箱体拼装，待拼装完成后进行左箱体预埋、中间箱体预埋和右箱体预埋，并在完成上述工艺后将箱体合体。具体工艺流程为“一拼—预热—一焊—补焊—一校—二拼—预热—二焊—补焊—三拼—预热—三焊—补焊—二校”。

3.4 生产试验验证

3.4.1 试验方法及内容

选取掩护梁作为试验的主要部位，选取焊接可达率、焊接效率、铰链孔焊接后同轴度及铰链孔处档距为主要参考依据，判断液压支架机器人焊接技术的应用效果和拼装工艺的合理性。本试验选取6 台液压支架，将其分为A 组和B 组，每组3 个掩护梁。A 组液压支架编号为1#、2#、3#，B 组液压支架编号为4#、5#、6#。A 组采用优化后的工艺方案进行拼焊，B 组使用传统的工艺方案进行拼焊，并记录相关数据。

3.4.2 试验结果分析

根据相关规定要求，A 组一次焊接的焊丝量为120.0 kg，第二次焊接的焊丝量为20.5 kg，第三次焊接的焊丝量为46.0 kg，一次焊接比重占比64.5%。通过对比本试验数据分析机器人焊接的焊丝量和人工补焊的焊丝量可知，机器人焊接对可达率和焊接效率的影响甚微。表1 为掩护梁焊接机器人和人工补焊的焊丝量统计结果，图1 为掩护梁焊接机器人焊接可达率分析。

通过分析可知，新工艺与旧工艺的第二次焊接与第三次焊接的焊丝量差别并不大，但与第一次焊接的焊丝量差别较大。通过数据分析可知，新工艺拼装方式使得焊接效率提升了约13%，说明焊接效率能够得到显著提升。

表1 掩护梁焊接机器人和人工补焊的焊丝量统计结果表单位：kg

在进行铰链孔焊接后同轴度的分析时，采用刚性轴四孔顺利通过法进行测量[5]。本试验选取的3 组孔的预镗孔径均为148 mm。通过测量可知，所有孔径均可通过测试，但1#、3#和5#液压支架掩护梁存在较紧的问题。这是由于新拼装工艺在合体时采用了左箱体、右箱体以及中间箱体分别拼装的方式，在拼装完成后将掩护梁合体，但在合体后并未对铰链孔进行二次定位，故需要对拼装工艺进行进一步优化，增添对铰链孔进行二次定位的步骤。

在进行铰链孔处档距测验时，需要测量连杆铰链处档距尺寸和顶掩铰链处档距尺寸。通过测量可知：1#、2#及3#连杆铰链处档距尺寸变化较为均匀，基本稳定在370 ～371 mm，顶掩铰链处档距尺寸变化也较为均匀，基本稳定在430 ～432 mm；4#、5#和6#连杆铰链处档距尺寸变化较为均匀，基本稳定在370 ～371 mm，但顶掩铰链处档距尺寸变化在430 ～433 mm。这说明新工艺的铰链孔处档距变化更稳定，对于减缓液压支架的变形情况十分有利。

4 结语

机器人焊接技术现已成为液压支架主要使用的焊接技术，在使用过程中通常需要先将液压支架结构件拼装完成后进行机器人焊接。在分析某企业液压支架掩护梁机器人焊接拼装工艺后对原有的拼焊工艺进行优化，并通过分析试验数据可知，优化后工艺的焊接可达率、焊接效率、铰链孔处档距明显优于传统工艺，但铰链孔焊接后同轴度存在问题。这是由于在拼装完成后并未对铰链孔进行二次定位导致的，故而在箱体合体后对铰链孔进行二次定位，以进一步优化液压支架结构件机器人焊接的拼装工艺。