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龍門(mén)式激光MAG焊在車(chē)頂通長(zhǎng)板焊接中的應(yīng)用

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:04:33 [收藏]

    　　(1、蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；2中國(guó)南車(chē)集團(tuán)四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東青島26631)

    　　摘要：介紹了美國(guó)Jetline公司制造的龍門(mén)式激光自動(dòng)跟蹤MAG焊機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和基本操作，并制定了龍門(mén)焊機(jī)焊接軌道車(chē)輛車(chē)頂通長(zhǎng)板的工藝措施。

    　　關(guān)鍵詞：龍門(mén)焊機(jī)；激光跟蹤；激光傳感器

    　　序言

    　　傳統(tǒng)軌道車(chē)輛客車(chē)鋼結(jié)構(gòu)車(chē)頂板一直沿用分段搭接的方式，焊縫包括中頂板及中頂板弧形搭接焊縫，共20多段，每段長(zhǎng)2.9m；中頂板與通長(zhǎng)側(cè)頂板的搭接長(zhǎng)直焊縫，共計(jì)2段，每段長(zhǎng)25.5m。采用的焊接方法是手工CO2氣體保護(hù)焊，其特點(diǎn)為：速度慢，效率低[1、2]、外觀不美觀、焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大。為改變這一落后狀況，南車(chē)四方公司將車(chē)頂分段焊接的中頂板改為通長(zhǎng)板以減少焊縫的數(shù)量，如圖1所示。并從美國(guó)Jetline公司引進(jìn)一臺(tái)龍門(mén)式激光跟蹤自動(dòng)焊機(jī)，用于車(chē)頂板焊接，配合通長(zhǎng)中頂板漲拉工藝，大大提高了車(chē)頂焊接的自動(dòng)化水平。

    　　1結(jié)構(gòu)與跟蹤原理

    　　龍門(mén)焊機(jī)主要由以下幾部分組成：lnvision456型逆變脈沖,Miller焊機(jī)、JST激光焊縫跟蹤系統(tǒng)、Lincoln型Miller程控送絲機(jī)、Lincoln焊接煙塵吸收裝置、冷卻系統(tǒng)和龍門(mén)架、導(dǎo)軌、電纜等附屬裝置，如圖2所示。

    　　龍門(mén)焊機(jī)焊縫自動(dòng)跟蹤功能由JST激光焊縫跟蹤系統(tǒng)完成，它主要由工業(yè)PC、CCD激光傳感器、十字滑塊、監(jiān)視器、控制器以及連接電纜等組成。工業(yè)PC內(nèi)的SAPEⅡ集成電路板是焊縫跟蹤系統(tǒng)的核心，工作原理如圖3所示。

    　　由圖3可知，焊縫的位置特征和幾何輪廓經(jīng)傳感器中的CCD攝入圖像并經(jīng)處理，送入圖像采集卡經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成8bit數(shù)字信號(hào)，以中斷傳送方式經(jīng)PCI總線送入SAPEⅡ板的內(nèi)存。SAPEⅡ板調(diào)用圖像處理程序進(jìn)行圖像預(yù)處理(濾波、增強(qiáng)等)和圖像后處理(抽取焊縫中心線、檢測(cè)特征信號(hào)點(diǎn))，得到偏差信號(hào)后，經(jīng)控制算法得到控制信號(hào)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制步進(jìn)電機(jī)作上、下、左、右4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整焊槍自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)焊縫。

    　　傳感器是焊縫跟蹤系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部件，龍門(mén)焊機(jī)采用的是由Jetine公司自行研制的型號(hào)為MLP10-5的激光傳感器，其主要結(jié)構(gòu)為CCD攝像機(jī)、激光二極管、鏡頭、圓柱透鏡、帶通濾光片和防飛濺罩等組成。其功率大，結(jié)構(gòu)小巧，可與焊槍綁定一起使用，可發(fā)出激光條紋的寬度為12mm，調(diào)整靈敏度小于等于±0.2mm。激光傳感方法不僅能檢測(cè)出焊縫的中心位置，獲得焊縫的形狀和尺寸等特征參量，并且是無(wú)接觸的；而且激光光強(qiáng)大、頻帶窄的特點(diǎn)使焊縫跟蹤更為靈敏準(zhǔn)確。如圖4所示，激光二極管發(fā)出的點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)柱狀透鏡變成一束線光源，垂直投射到工件表面，CCD傾斜接收，同時(shí)得到工件表面和高度方向的二維圖像信息，送入圖像采集卡[3、4]。

    　　圖5為焊縫位置發(fā)生變化時(shí)，激光帶在CCD中成像的示意圖，a、b、c、d、e依次為焊槍相對(duì)于焊縫位置準(zhǔn)確、偏左、偏右、偏高、偏低時(shí)的成像示意圖。

    　　2基本操作

    　　龍門(mén)焊機(jī)的操作是通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。控制器上有Start、Stop、Laser、Error、Seam 5個(gè)按鈕以及控制焊槍左右和上下移動(dòng)的開(kāi)關(guān)。焊縫跟蹤前按下Laser按鈕，將激光打開(kāi)，激光傳感器將自動(dòng)尋找焊縫并感應(yīng)傳感頭距焊縫的位置，若傳感頭相對(duì)于焊縫位置過(guò)大或過(guò)小，超過(guò)了傳感頭的正常感應(yīng)范圍，控制器面板會(huì)彈出錯(cuò)誤信息“Fail to see the seam”，輕撥左右和上下移動(dòng)開(kāi)關(guān)直至錯(cuò)誤信息消除，選擇焊縫的連接型式，調(diào)整左右和上下偏移量接近于零點(diǎn)。譬如，控制器面板上顯示“Y=+0.1mm，Z=-0.3mm”信息表示激光條紋中心點(diǎn)相對(duì)于焊縫正確位置在垂直方向向下偏移0.3mm，在水平方向向左偏移0.1mm。如果想讓傳感器相對(duì)于焊縫始終有這樣一個(gè)偏移量，請(qǐng)同時(shí)按下Laser和Seam按鈕，起用傳感器的示教(Teach)功能，則該位置被視為焊槍相對(duì)于焊縫的基準(zhǔn)位置。跟蹤過(guò)程中傳感器在該位置觀測(cè)到焊縫，焊槍不做位置調(diào)整，偏離此位置，焊槍以此位置為基準(zhǔn)做上下和左右調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)焊縫的跟蹤①。

    　　3工藝制定

    　　根據(jù)龍門(mén)焊機(jī)的工作特點(diǎn)，結(jié)合車(chē)頂?shù)脑O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為保證龍門(mén)焊機(jī)正常的工作，制定了使用龍門(mén)焊機(jī)時(shí)的配套工藝措施。

    　　3.1通長(zhǎng)板供料尺寸精度要求

    　　保證通長(zhǎng)板供料的尺寸精度，通長(zhǎng)板平面度小于等于1mm/m2局部直線度小于等于5.0mm/cm，側(cè)頂板上邊緣平面度小于等于1mm/m2，局部直線度小于等于5.0mm/cm；控制車(chē)頂骨架彎梁的成形質(zhì)量，要求彎梁的翼腹面垂直度小于等于90°，彎梁甩頭小于等于10mm，通長(zhǎng)板兩端各留出300mm拉伸工藝余量。

    　　3.2通長(zhǎng)板裝配質(zhì)量要求

    　　配備與龍門(mén)焊機(jī)配套的焊接工裝，保證通長(zhǎng)板的裝配精度，定位夾緊車(chē)頂，保證車(chē)頂放正放平；龍門(mén)焊機(jī)柔性不足，送絲機(jī)構(gòu)不能根據(jù)焊縫的形態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)送絲速度，焊接速度一旦設(shè)定，焊接過(guò)程中也不能做調(diào)整，如果板與板之間閃縫過(guò)大，焊縫會(huì)出現(xiàn)欠絲，要求兩通長(zhǎng)板板間裝配縫隙小于等于1.0mm；限于機(jī)動(dòng)十字滑塊有效行程為120mm，要求通長(zhǎng)板整車(chē)方向上的傾斜小于等于60.0mm；由于焊點(diǎn)對(duì)焊縫跟蹤以及焊縫成形的影響較大，必須控制焊點(diǎn)尺寸，要求焊點(diǎn)尺寸高度小于等于3.0mm，直徑小于等于10.0mm，保證彎梁與頂板密貼，以保證拉伸時(shí)頂板受力均勻，車(chē)頂不易發(fā)生變形。

    　　3.3通長(zhǎng)板焊接工藝

    　　由于焊縫對(duì)油漆等有機(jī)物質(zhì)十分敏感，焊縫經(jīng)常出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷，焊前2h內(nèi)將焊縫兩側(cè)打磨光亮，并采用φ(Ar)80%+φ(CO2)20%干燥混合氣體保護(hù)。采用合理的焊接順序，焊前施以反變形以減少車(chē)頂上翹變形。焊后不要馬上將固定車(chē)頂?shù)墓ぱb夾具卸開(kāi)，應(yīng)間隔一定時(shí)間待車(chē)頂完全冷卻后再卸。

    　　由于車(chē)頂龍門(mén)焊機(jī)焊接速度較慢，單位時(shí)間空間的焊縫熱輸入量很大，焊后車(chē)頂鋼結(jié)構(gòu)的上翹變形很大，嚴(yán)重時(shí)可造成頂板與骨架梁焊縫崩裂，采用合理的焊接規(guī)范參數(shù)以及施焊順序至關(guān)重要。表1是龍門(mén)焊機(jī)用于車(chē)頂焊接的規(guī)范參數(shù)，通長(zhǎng)車(chē)頂板材質(zhì)為耐候鋼09CuPCrNi-B，板厚為2.0mm。圖6為通長(zhǎng)板的3種接縫形式，依次為船形焊、類(lèi)仰焊、平焊。

    　　為控制焊接變形，將整個(gè)車(chē)頂3條通長(zhǎng)焊縫分為3段，先焊車(chē)頂中心中頂板與中頂板的對(duì)接焊縫，具體施焊順序⑴、⑵、⑶，倒向焊接以減少焊接變形；再同時(shí)焊車(chē)頂兩側(cè)中頂板與側(cè)頂板的兩條船形或類(lèi)仰形搭接焊縫，施焊順序⑷、⑸、⑹，同樣采用倒向焊接，如圖7所示。施焊前要仔細(xì)觀察焊縫裝配質(zhì)量和打磨質(zhì)量。

    　　3.4龍門(mén)焊機(jī)工作要求

    　　焊前檢查龍門(mén)焊機(jī)各器件工作是否正常，按照使用要求說(shuō)明書(shū)定期更換易損器件，保證冷卻管路和吸塵管路的正常運(yùn)行；定期檢查更換激光傳感器的防飛濺罩以及濾光片，保證防飛濺罩的正常工作和濾光片的清潔；MLP10-5型傳感器來(lái)說(shuō)，其左右最大的偏移量范圍為-6.0-+6.0mm，透鏡有效工作高度范圍為-15-+20mm，焊槍相對(duì)于基準(zhǔn)位置不得超過(guò)傳感器的工作范圍。

    　　表2是采用龍門(mén)焊機(jī)前后車(chē)頂焊縫成形、焊接效率、所耗焊材和焊接成本的一些數(shù)據(jù)對(duì)比。

    　　 經(jīng)過(guò)表2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用龍門(mén)焊機(jī)后焊縫成形得到很大改善，焊接效率得到很大提高，焊接成本有效降低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

    　　4常見(jiàn)故障及解決措施

    　　 常見(jiàn)故障及解決措施見(jiàn)表3。

    　　5結(jié)論

    　　a、采用龍門(mén)焊機(jī)焊接車(chē)頂通長(zhǎng)板焊縫，提高了焊接質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。b、實(shí)現(xiàn)激光自動(dòng)跟蹤，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。c、針對(duì)于車(chē)體總組裝時(shí)車(chē)頂雨檐下:條通長(zhǎng)仰焊縫施焊位置不好，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大且焊縫成形不良，建議增設(shè)懸臂式激光跟蹤自動(dòng)焊機(jī)。

    　　參考文獻(xiàn)：

    　　[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)。焊接手冊(cè)?材料的焊接[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992[2]周振豐。金屬焊接性[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994[3]鞠益蘭，程金松6結(jié)構(gòu)光式激光視覺(jué)傳感器的焊縫跟蹤系統(tǒng)[J]電焊機(jī)，2002，32(5)：9-11[4]孫立新，韓煒，劉冰清，等6結(jié)構(gòu)光焊縫檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)理論的研究[J]光學(xué)學(xué)，2003，23(2)：225-230


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