大规格H型钢结构自动化焊接生产线工艺流程设计

刘群芳， 周胜男， 范和平， 温小飞

(1.浙江国际海运职业技术学院 海洋装备工程学院，浙江 舟山 316021；2.浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022；3.浙江增洲重工科技有限公司，浙江 舟山 316052)

0 引 言

H型钢作为一种新型经济建筑用钢，传统手工焊接焊缝质量难以达到相关行业焊缝质量要求。随着工业生产线设备不断改进，焊接工艺不断提高，机械制造领域传统焊接技术逐渐被自动化焊接技术所取代[1]。传统焊接技术主要指在2个电极之间将工件进行加压，在电流通过时产生一定热量，焊接工件局部熔化，后续进行断电冷却，对剩余部分持续加压，使焊接部分形成相对稳定的焊缝[2]。传统焊接技术依赖手工操作，直接影响焊接点焊缝质量。随着我国对机械制造焊接行业提出更高工艺要求，在很大程度上促进焊接技术的发展[3-4]。自动化焊接技术主要指焊接技术实现自动化的过程[5]。根据焊接生产实际需求，设计大规格H型钢结构自动化焊接生产线。

1 H型钢焊接工艺

H型钢由上下2块翼板和中间1块腹板焊接组成，其翼缘内表面无倾斜度，上下表面平行。H型钢剖面图如图1所示。大规格H型钢结构几何形状与H型钢相同，其工字形截面可将钢材性能充分发挥，提升其载荷能力。H型钢焊接工艺可分为埋弧焊和高频焊。高频焊H型钢采用高频电流使金属局部熔化焊合，无须焊丝和焊剂，可高速连续生产，实现机械化和自动化，但焊缝力学性能较原材料差，仅适用于焊接较薄的钢材[6-7]。埋弧焊H型钢焊缝质量高且规格多样，可满足不同规格产品的生产需求。埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法[8]，焊接电弧产生热量将焊丝端部及电弧附近母材金属熔化凝固成为焊缝，焊剂熔化覆盖焊缝表面成为焊渣，焊渣隔绝空气与母材金属。H型钢焊接传统工艺采用船形焊，主梁焊接平台和焊接小车轨道相互独立，容易造成焊缝偏离缺陷[9]。因此，设计采用卧式焊接工艺，引入可倾斜焊头，降低焊缝缺陷，减少焊接工序时间，提升焊接效率，降低安全隐患。

图1 H型钢剖面图

2 大规格H型钢结构自动化焊接生产线

2.1 焊接基本工序

大规格H型钢结构焊接基本工序主要由预处理、组装、焊接和矫正等组成，依次对原材料进行预处理、对翼板和腹板组装对中精度进行严格控制、对H型钢采用交直流双弧双丝埋弧焊进行焊接、对翼板进行矫正。

(1)预处理

预处理包括对钢板矫平处理、切割下料、倒棱打磨和表面抛丸清洁涂漆。倒棱打磨采用浮动滚轮技术以解决不同板厚自由边倒棱的问题。预处理设备严格控制钢板矫平和切割下料的允许偏差。钢板矫平和切割下料的允许偏差如表1所示，其中：L为板长；t为板厚； Sa为除锈等级。

表1 钢板矫平和切割下料的允许偏差

(2)组 装

H型钢板梁的组装关键在于控制T型翼板和腹板对中精度，对T型翼板和腹板进行固定点焊完成H型钢板梁的组装，产品质量受组装精度影响较大。组装尺寸允许偏差如表2所示。

表2 组装尺寸允许偏差 mm

(3)焊 接

焊接工序对产品质量和生产线效率影响最大，焊接技术是提高焊接质量和效率的关键。采用交直流双弧双丝埋弧焊，其焊缝自动跟踪技术实现具有板厚差的折线角焊缝一次成型，可提高焊接效率及对焊接变形的控制水平。

(4)矫 正

焊缝收缩使翼板产生角变形，超过允许偏差需要进行矫正。矫正控制允许偏差如表3所示，其中：图例1-1为腹部局部平面度横向示例。H型钢火工矫正需要严格按照组装过程允许偏差进行作业，最后进行划线检查：对拼装前H型钢的翼板和腹板划出长度中线，划线允许误差为1.0 mm；翼板与腹板在胎架上以中线校正定位，校线偏差为≤1.0 mm；翼板与腹板组合拼装进行定位点焊，点焊完成的翼板与腹板垂直度偏差为≤1.0 mm，翼板与腹板偏移为<1.0 mm。

表3 矫正控制允许偏差 mm

2.2 工艺流程设计

设计思路如图2所示。

图2 设计思路

(1)预处理模块

预处理模块采用设备为钢板矫平机、数控等离子切割机、抛丸打击机、门式铣边机和倒棱打磨机等。钢板矫平机平整原材料；数控等离子切割机将原材料切割为各种尺寸的翼板和腹板；抛丸打击机去除钢板表面氧化皮和铁锈，增加表面粗糙度，提高表面油漆附着力；门式铣边机清理断面；倒棱打磨机将翼板四角边压为半径为2.0～4.0 mm的圆角，与腹板装配面进行打磨清理。

(2)组装模块

组装模块采用设备为组立机。组立机是组装大规格H型钢结构的关键设备，配置液压、气动和变频等装置及若干机械手，实现对板材的精确定位与夹持，可自动、高效和准确地完成T型钢或H型钢的组装。将翼板和腹板置于设备输入辊道，由夹紧装置分别完成两板的⊥形组装，通过传动装置与滚筒旋转使⊥形工件行走，主机前端的焊枪装置对行走的⊥形工件进行自动间断点焊，并实现对焊缝的自动跟踪，完成⊥形工件组装。将工件翻转，按⊥形组装相同步骤完成整个工件的H形组装。

(3)焊接模块

焊接模块采用设备为悬臂式双丝埋弧焊机。在进行船形焊时，为保证焊接精度，采用配备焊枪微调装置的导向轮式焊缝自动跟踪机构。导弧架设计使引弧长度<10～100 mm。管线采用坦克链传送，并配备移钢机和55°翻转架。将工件置于工件架上，使腹板与地面成45°夹角。焊臂的埋弧焊枪头在横梁上可水平和上下运动，通过焊臂的定位、焊枪的精准调节可使焊缝跟踪架上的焊枪对准工件焊缝，启动焊剂回收装置和送丝装置，由设备在导轨上进行直线行走自动焊接，通过焊臂下端焊缝跟踪装置实现焊缝跟踪。

(4)矫正模块

矫正模块采用设备为翼板矫平机。翼板矫平机的上压滚轮和传动滚轮构成杠杆原理，使被矫正的翼缘通过上下滚轮产生弯曲变形。由于矫正压力大于翼板材质的屈服点，钢材回弹小，因此达到矫正的目的。该设备为矫正H型钢特别设计，在不同板厚的情况下矫正方案依然保持灵活。H型钢矫正范围如图3所示。

图3 H型钢矫正范围

3 讨论与评价

采用传统焊接方式及焊接工序生产大规格H型钢结构，在产品成本、质量和周期方面均难以满足要求，不利于产品的市场投放。大规格H型钢结构自动化焊接生产线购置先进设备，实现生产过程中的自动组装与快速打孔和不同板厚构件焊接精度控制，满足各种钢板梁的生产需要，提高产品整体生产质量。将钢板梁传统加工制作过程转变为工业化生产，并通过生产全过程信息化管理提高生产效率与质量控制水平。该生产线设备精确度和自动化程度高，布局更为紧凑合理。不论是焊接效率还是焊接质量均处于前沿地位。该生产线使生产效能得到提高：每百吨钢结构用工由80人工减少至10人工；车间月生产能力每万m2由0.3万t提高至1.2万t。公司在该生产线设计研发阶段前期一次性投入成本，其设备性价比高、后期产出高，可带来可观效益。

4 结 语

通过将自动化、智能化和焊接相结合，设计研发大规格H型钢结构自动化焊接生产线。采用焊缝自动跟踪的交直流双弧双丝埋弧焊，焊缝均匀、平整、无咬边，气孔成型美观，焊脚高度符合设计要求。设备均由计算机控制，可在连续工位上完成预处理、组装、焊接和矫正等工序。除切割、倒棱机上料及肋板装焊后转移外，整个过程不需要行车吊运，生产过程工艺流畅、定位精度高、布局合理、占地少、操作方便、自动化程度高。