扁鋼及角鋼雙面平角焊自動焊接設備設計與應用研究

李勛

上海格威得機械有限公司 上海 201611

1 序言

造船行業的快速發展，不僅對造船品質要求提高，而且對造船焊接工藝要求也在同步提高，對船體各種部位的自動焊接需求也越來越大，這就需要有能夠滿足使用者實際需求的多功能性自動焊接設備。要想在急速發展的國際造船自動化焊接設備領域取得主動，就必須從客戶的實際需求出發，不斷地研發改造，降低成本，促進企業持續發展。原有的扁鋼和角鋼雙面平角焊自動焊接設備，是根據工件形狀分開，并獨立使用的專用自動焊接設備，需要分別采購兩臺設備，使船廠的采購成本大大提高，同時大幅增加了設備的后續管理和維護、保養成本。為了減少客戶的采購成本和設備的維護成本、減少焊接工人的勞動強度和安全隱患，同時解決兩種焊接設備相應對焊接工人操作難度要求高的問題，研發了此款兩種工件可互換使用的多用途雙面平角焊自動焊接設備。

2 常規自動焊接設備分析

2.1 扁鋼雙面平角焊自動焊接設備主要組成部分

1）焊接設備安裝及行走裝置組成的焊接設備底盤總成。

2）整體焊接設備操作系統組成的面板總成。

3）焊槍上下、前后調節功能組成的十字滑塊總成。

扁鋼雙面平角焊自動焊接設備安裝示意如圖1所示。該設備的適用范圍如圖2所示。

圖1 扁鋼雙面平角焊自動焊接設備安裝示意

圖2 扁鋼雙面平角焊自動焊接設備適用范圍

2.2 角鋼雙面平角焊自動焊接設備主要組成部分

1）焊接設備安裝及行走裝置組成的焊接設備底盤總成。

2）整體焊接設備操作系統組成的面板總成。

3）焊槍上下、前后調節功能組成的十字滑塊總成。

角鋼雙面平角焊自動焊接設備安裝示意如圖3所示，該設備的適用范圍如圖4所示。

圖3 角鋼雙面平角焊自動焊接設備安裝示意

圖4 角鋼雙面平角焊自動焊接設備適用范圍

2.3 兩種焊接設備的區別

1）安裝方式不一樣。扁鋼雙面平角焊自動焊接設備的安裝方式是通過設備側面底盤（見圖2中A面）中磁鐵的吸附力和扁鋼反面（見圖2中C面）的機械式按壓裝置的按壓力，將設備安裝在工件上方，利用扁鋼左右兩個不同方向的吸附力和按壓力維持設備的左右平衡，實現焊接設備行走穩定性。角鋼雙面平角焊自動焊接設備的安裝方式是通過設備側面底盤（見圖4中B面）中磁鐵的吸附力和工字鋼上平面端面（見圖4中C面）機械式加緊裝置的夾緊力，將設備安裝在工件上方，利用角鋼左右兩個不同方向的吸附力和夾緊力維持設備的左右平衡，實現焊接設備行走穩定性。

2）力的接觸點不一樣。扁鋼雙面平角焊自動焊接設備的機械式安壓點是使用滾輪按壓模式直接按壓工件表面（見圖2中C面）。角鋼雙面平角焊自動焊接設備的機械式夾緊點是使用滾輪夾緊模式夾緊工字鋼上平面端面（見圖4中C面）。

2.4 結果分析

以上兩種焊接設備的安裝方式都有共同的不可避免的缺點，即兩種機械式加力裝置都是通過焊工手動調節，找到最適合焊接設備行走的平衡力，這對操作焊接設備的焊工操作熟練度要求太高，增加了操作難度。如果焊接設備操作經驗不足，將按壓裝置（或夾緊裝置）手柄擰緊過多，按壓力（或夾緊力）超過設備行走牽引力時，則焊接設備受到阻力無法正常行走，從而無法完成正常的焊接作業。如果未將按壓裝置（或夾緊裝置）手柄擰緊到位，按壓力（或夾緊力）不足，則嚴重影響焊接設備的正常行走和行走時的穩定性，從而無法正常完成焊接作業。同時按壓裝置（或夾緊裝置）的可調整距離范圍有限，適用焊接設備的工件尺寸范圍受到限制，會影響設備的多范圍尺寸工件使用性能。

3 新型自動焊接設備的設計

3.1 新型雙面平角自動焊接設備底盤設計

通過對兩種焊接設備組成部分的分析，得出兩種焊接設備的組成部分是一樣的，但工件形狀不同，每臺焊接設備底盤的形狀和安裝方式有本質上的區別，因此無法在兩種不同形狀的工件上互換使用，同時給焊工帶來很大的勞動強度和安全隱患[1]。

因此，對原有設備進行改造，新型雙面平角焊自動焊接設備安裝示意如圖5所示，該設備的適用范圍如圖6所示。

圖5 新型雙面平角焊自動焊接設備安裝示意

圖6 新型雙面平角焊自動焊接設備適用范圍

（1）底盤形狀設計 根據兩種不同形狀的工件特點分析，為了同時滿足兩種工件的安裝需求，將新型雙面平角焊自動焊接設備底盤設計為工字鋼形狀，才能滿足兩個不同形狀工件的安裝需求。

（2）底盤尺寸設計 在底盤尺寸設計時，根據客戶提供的常用工件尺寸范圍，底盤上半部分寬度設計為100mm（見圖6中A面的接觸面），底盤側面高度設計為80mm（見圖6中B面的接觸面）。

（3）行走輪尺寸設計 為了確保行走時得到足夠大的摩擦力，根據焊接設備底盤尺寸，行走輪設計了寬20mm、直徑50mm的4個橡膠輪。

（4）底盤與工件距離設計 通過現場反復的模擬試驗，為了達到焊接設備底盤和工件吸附力最大化需求，最終將焊接設備底盤和工件距離設定為6mm，這樣可保證在磁鐵吸附力最大化的同時，還能有效避免焊接設備正常行走時飛濺的焊渣等異物，保證焊接設備的正常穩定行走。

3.2 新型雙面平角自動焊接設備安裝方式設計

一臺焊接設備要同時滿足在兩種不同形狀的工件上互換使用，則必須統一原先焊接設備所采用的兩種機械式安裝方式[2]。但經研究分析，當新型雙面平角焊焊接設備采用機械式安裝方式時，始終無法滿足兩種不同形狀的工件安裝要求。

（1）兩個不同方向平衡力的來源設計 為了找到兩個不同方向的力，在無法使用機械力的條件下，將原有機械裝置的安裝方式淘汰，選擇了兩個不同方向的力均通過磁鐵吸附力來實現的方案。

（2）磁鐵安裝位置設計 確定采用磁鐵吸附力之后，為了得到兩個不同方向的吸附力，根據新型雙面平角焊焊接設備底盤形狀，將磁鐵安裝在焊接設備工字鋼形狀底盤，側底盤（見圖6中B面接觸底盤）和上底盤（見圖6中A面接觸底盤），實現了不使用機械力的條件下，能滿足焊接設備正常穩定行走的條件。

（3）磁力代替機械力的優點 徹底解決了原有的機械式裝置帶來的缺點，減少焊接設備的操作難度，降低對設備的操作熟練度要求，減少人為操作失誤發生的概率，同時大幅節省了安裝焊接設備的時間，降低了焊工的勞動強度和安全隱患，有效提高了工作效率。

3.3 新型雙面平角焊自動焊接設備磁鐵規格設計

在機械設備中將磁鐵當配件使用時，影響磁鐵吸力大小的因素很多。除了磁鐵本身材質和規格大小以外，與工件表面之間的距離、接觸面積、工件材質、工件厚度及工件表面清潔度等因素，都有密切的關系。

（1）側底盤磁鐵吸力計算 磁鐵吸力計算方法為磁鐵體積×密度×600（倍數）。

1）N38釹鐵硼強力磁鐵的密度約為7.5g/m3。

2）磁鐵重量：體積×密度＝（40×30×6）×0.0075g＝54g。

3）磁鐵吸力：54×600g＝32400g。

由此可知，一個40mm×30mm×6mm的方塊磁鐵吸力大約為32.4kg。

（2）上底盤磁鐵吸力計算 磁鐵吸力計算方法為磁鐵體積×密度×600（倍數）。

1）N38釹鐵硼強力磁鐵的密度約為7.5g/m3。

2）磁鐵重量：體積×密度＝（25×15×4）×0.0075g＝11.25g。

3）磁鐵吸力：11.25×600g＝6750g。

由此可知，一個25mm×15mm×4mm的方塊磁鐵吸力約為6.75kg。

通過理論計算得到的數據在實際應用中并不準確，為了得到更準確的數據，經過實踐并結合焊接設備驅動電動機的功率范圍（直流24V、12W、5000r/min），在焊接設備側底盤中安裝1塊40mm×30mm×6mm規格的N38釹鐵硼強力磁鐵，焊接設備上底盤中安裝2塊25mm×15mm×4mm規格的N38釹鐵硼強力磁鐵。通過兩個不同方向的磁力，焊接設備驅動輪得到了足夠的摩擦力，實現了焊接設備的穩定行走，并解決了焊接設備正常行走時脫離工件表面的問題。

4 結束語

本文論述了扁鋼與角鋼雙面平角焊自動焊接設備的設計與應用，得出如下結論。

1）輕型精細化自動焊接設備中不宜采用機械式固定方式，機械式固定方式雖然能達到固定的目的，但它在移動設備時容易引起人為失誤，從而影響設備的正常工作，因此通過機械式固定方式人工調節設備行走平衡力的方法不是最佳選擇。

2）移動的焊接設備中可采用兩個以上不同方向的磁力，實現設備行走時的平衡性和穩定性，從而達到設備的最佳工作狀態。

本次新型雙面平角焊焊接設備的設計是一個創新設計過程，通過自動焊接設備底盤結構和安裝方式的改變，實現了一機多用的目的，降低了設備采購成本及后續管理維護與保養的成本，同時減少了焊工的操作難度和安全隱患，提高了工作效率。