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焊接技术在工程机械行业中的应用
时间：2008-09-24 来源：中国机械工程学会焊接分会
焊接技术在工程机械行业中的应用
许文清
（天津工程机械研究院，天津 300131）
摘 要：简述了中国工程机械行业中焊接技术的发展情况，对工程机械结构件的特点及其焊接工艺进行了分析，同时介绍了未来将广泛采用的焊接新技术、新工艺。
关键词：焊接技术 工程机械行业 结构件 应用
0 前言
近年来随着中国大规模基本建设的实施，工程机械行业得到蓬勃发展，在产品数量剧增的同时，产品品质也不断提高。在一些国际著名企业的带动下，工程机械行业中焊接技术整体水平提高很快，先进的焊接技术应用日益广泛。
工程机械产品中焊接结构件较多，约占整机重量的50%～70%，焊接结构件的优劣，直接影响产品的质量、性能与使用可靠性。国内外知名的工程机械制造厂商，把焊接结构件的设计与制造能力作为竞争的焦点之一，一方面不断优化设计参数，另一方面通过采用新技术、新工艺以及焊接辅助装备，提高焊接质量与生产效率，来增强市场竞争力。我们曾与行业内有代表性的制造厂商如卡特彼勒、日立、小松、现代、大宇重工、徐工集团、厦工集团、柳工集团、成工集团、洛阳一拖集团、三一重工、詹阳机械、星马专用汽车公司等就焊接技术问题进行过交流，掌握了一些基本情况，现将工程机械行业中焊接技术的应用情况介绍一下，供有关人士参考，同时预测其发展趋势。
1 工程机械行业焊接结构件的特点
1.1 主要材料
目前工程机械结构件采用的材料主要是碳素结构钢、低合金结构钢等，一些零部件采用铸钢件，材质本身具有良好的焊接性能，产生冷、热裂纹的倾向小，焊接前工件毋需预热，焊接后也毋需特殊保温措施。
1.2 结构特点
工程机械结构件包括薄板件（如驾驶室、机罩、盖板等），板厚为2～4mm；中板件（如车架、行走架、动臂、斗杆、铲斗等），板厚为6～20mm；厚板件（如压路机前、后轮）板厚20mm以上。通常结构件由板材拼焊而成，以箱形结构为主，上面焊接附件，包括一些机座铸钢件，结构较复杂，焊缝密集。部分结构件采用型材，如矩形管、U形槽钢等，以简化结构并减轻自重。
工程机械结构件角焊缝居多，通常只检验焊缝外观质量，只有重要的受力结构件做磁粉探伤和超声波探伤，分别检验表面裂纹和焊缝内部缺陷。
2 工程机械行业焊接技术应用特点
2.1 焊前准备工序
2.1.1下料工序：通常采用剪板机和数控切割机下料，薄板件常用等离子切割，中厚板采用火焰切割。虽然数控切割机应用已较普遍，但是普通火焰、空气等离子切割由于割缝较宽和热变形影响，切割精度不够理想。因此精细等离子、激光切割等已有厂家用于中薄板的切割，效果良好，预计会有更多厂家采用。
2.1.2 组对工序：确定各焊件位置关系时，一般采用人工划线，此种方式简单易行，但划线工作量大，生产效率低、组对误差较大，产品一致性差。虽然很多厂家都有自制的组焊工装，但大多设计简单，精度低。由于下料精度不高，组对过程中经常需要手工切割修整工件，这样组对出来的焊件只适用于手工焊接。近年来随着自动焊接工艺的发展，拼点工装已成为一种产品，由专业公司设计制造，既保证组对精度，又尽量做到操作简便。对于大型工件，拼点工装常用液压缸驱动，起到辅助成型作用。参见图1。
图1 挖掘机动臂拼点工装示意图
如后续工序采用机器人焊接，或工件数量较大时应采用拼点工装来组对。此种方式操作简单，组对精度高，产品一致性好。目前只有少数厂家采用拼点工装组对方式。
2.2 焊接工序
2.2.1 焊接位置
传统的焊接方式为将组焊件放在地板或焊接平台上，焊工围绕工件用手工焊方式，将外露面可施焊的焊缝焊接完毕；然后翻转工件，焊接其余焊缝，完成所有焊缝可能需要翻转多次。由于工件位置的限制，焊工可能需要焊接平焊缝、横焊缝或立焊缝，而这几种焊缝焊接难度不同，焊缝质量差异很大。
众所周知，对接平焊缝或角焊缝船形位置焊起来最方便，焊缝质量易于保证。采用焊接变位机可以实现这种理想的焊接条件。由于工程机械结构件大部分形状不规则，需要设计专用夹具配合变位机使用，变位机分为单回转、双回转、升降式单、双回转等各种型式，适用于不同的工件，参见图2、图3、图4。
在“八五”以前，国内工程机械结构件的焊接生产中，几乎没有应用焊接变位机的概念，采用的是在地板或焊接平台上翻个的方式。“八五”以后，外资企业陆续在国内设厂生产，带来了一些新的焊接装备。随后国内开展了新型焊接变位机的研究和开发工作，利用外资企业的辅助装备本土化采购政策，使焊接变位机在主导企业中的应用迅速增加，在行业内起到了示范作用。
随着市场竞争的加剧，焊缝的外观质量已成为用户评判产品质量的依据之一，为了获得稳定一致的焊接质量，同时考虑到生产效率、操作安全性以及自动焊接的需要，对于在车间内进行焊接的结构件，采用变位机可以获得理想的焊接位置，消除立焊、横焊、仰焊等难以保证质量的焊接操作，同时实现一次装夹全部焊接完成的高效作业，因此变位机将在行业内得到普遍应用。
图2 挖掘机上车架用变位机与夹具
图3 装载机前车架用变位机与夹具
图4 装载机后车架用变位机与夹具
2.2.2 焊接方法
目前普遍采用的焊接方法是埋弧自动焊与CO2/MAG气体保护焊。埋弧自动焊电流密度大，焊接时熔深大，焊接速度是手工电弧焊的5～6倍，焊缝成型美观，焊接质量稳定可靠，无弧光、烟尘，劳动条件较好，是优先选用的焊接方法。多用于中厚板长直焊缝或环焊缝。其它场合多采用CO2/MAG气体保护焊。气体保护焊同样具有电流密度大、熔深大的特点，焊接速度是手工电弧焊的2倍左右，但辅助工作时间少，特别是采用富Ar混合气体时，熔渣和飞溅很少，节省了清理时间，总体效率高。由于工程机械结构件焊缝分布密集而长度较短，气体保护焊多采用半自动方式，只有部分结构件采用焊接专机或机器人焊接。
3 工程机械行业焊接技术的发展趋势
3.1 焊接机器人及自动焊接专机的应用将逐步增加
采用机器人或焊接专机替代焊工进行自动焊接，可以改善操作人员的劳动条件，降低劳动强度，同时获得稳定一致的焊缝质量。随着社会的进步，以人为本的思想逐渐被接受，焊接时恶劣的工作环境使焊工难以保持稳定的状态，也使人力成本逐渐提高。当人力成本提高到一定程度时，采用自动焊接反而比较经济（如欧洲等发达国家的情况）。随着我国经济实力的提高，发展机器人等自动化装备是必然趋势。
焊接用机器人，严格来讲只是机械手，本身并不能独立工作，需配备变位机、专用夹具等外围设备，组成焊接机器人工作站。一个焊接工作站可以有多个机械手，适用于焊接量大或具有一定批量的焊接结构件的自动焊接。焊接机器人能做出复杂的空间动作，产品改型时容易调整。目前各厂家使用的焊接机械手基本上是从国外进口的，外围设备大部分由国内厂商配套，这样可以大幅度降低购置成本，使越来越多的厂家有能力应用焊接机器人工作站。
自动焊接专机是指针对某一类型工程机械开发的低成本自动化设备。基本配置包括焊机、焊接操作机构、多轴变位机、程序控制系统；可选配置包括焊缝跟踪系统、焊枪摆动装置等。设计时应考虑产品改型时工件的变化情况。与焊接机器人相比，焊接专机操作、维护保养简便，零配件易得，使用费用低，设备可靠性高，受到人们的青睐。
成功实施机器人等自动焊接的厂家体会到，这是一个综合工程，除了操作人员的水平因素外，下料、成型和组对拼焊等因素对焊缝质量的影响很大，要实现焊接过程的自动化，焊前各个工序的设备水平必须与之相适应。
业内很多厂家已逐步了解采用拼点工装组对焊件的优越性：焊件相对位置准确，可以减少机加工量；不用划线，可以提高生产效率；产品一致性、互换性好，质量稳定，可以提高产品竞争力。目前影响拼点工装普及的因素一是需要厂家投入资金，二是产品改型时拼点工装需要重新设计调整。有实力的厂家已在使用拼点工装，并从中受益。对拟采用机器人焊接的厂家来说，配套的拼点工装更是必不可少，因此拼点工装的应用将日益广泛。
3.2 新的焊接方法应用将增加
焊接技术发展迅速，新的焊接设备、工艺方法不断涌现，如脉冲气体保护焊机配富Ar气体的无飞溅焊接，焊缝成型美观；T.I.M.E焊接工艺，采用大干伸长来增加熔化焊丝的电阻热，采用多元保护气体，在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式，使其焊丝熔敷率较传统MAG焊工艺提高2～3倍；双丝气体保护焊接，奥地利Fronius公司开发的最新的高速GMA焊接系统，采用两套电源两套送丝系统，送丝速度、焊接电流、焊接电压及两条焊丝燃弧与短路的相对时序关系均可以分别控制。其原理是将二台焊机组合在一起，共用一个喷嘴，采用全数字控制技术，使二个距离很近的电弧互相配合，可以实现打底、盖面焊接一次完成，其最大优势是焊接速度高且焊缝成型美观，例如焊接角焊缝，焊脚高度6～7mm，焊接速度可达1.5m/min，经测算使用成本低于埋弧焊，具有广泛的应用前景。参见图5。
图5 双丝气体保护焊接示意图
4 结束语
在我国工业装备中，工程机械占有重要地位，节能、环保、高效、可靠是未来工程机械发展的一大趋势，现有的工程机械产品将逐步升级换代，在此过程中，工程机械结构件的焊接技术水平也随之不断提高。在未来十年中，我国基础设施建设仍处于发展中，对各种先进的工程机械产品仍保持旺盛的需求状态，希望工程机械行业内的制造厂商，应抓住机遇，采用新技术、新装备，提高制造水平，为我国工业装备水平的提高做出应有的贡献。
参考文献.
1 郑永强. 焊接变位机型式与系列的论述. www.China-Weldnet.com.
2 刘崇. 浅谈组焊件的拼点工装设计方法. 工程机械. 2002（3）
3 王寿福. 焊接技术在铁路机车车辆工业中的应用. 焊接技术. 2004（3）
许文清
（天津工程机械研究院，天津 300131）
摘 要：简述了中国工程机械行业中焊接技术的发展情况，对工程机械结构件的特点及其焊接工艺进行了分析，同时介绍了未来将广泛采用的焊接新技术、新工艺。
关键词：焊接技术 工程机械行业 结构件 应用
0 前言
近年来随着中国大规模基本建设的实施，工程机械行业得到蓬勃发展，在产品数量剧增的同时，产品品质也不断提高。在一些国际著名企业的带动下，工程机械行业中焊接技术整体水平提高很快，先进的焊接技术应用日益广泛。
工程机械产品中焊接结构件较多，约占整机重量的50%～70%，焊接结构件的优劣，直接影响产品的质量、性能与使用可靠性。国内外知名的工程机械制造厂商，把焊接结构件的设计与制造能力作为竞争的焦点之一，一方面不断优化设计参数，另一方面通过采用新技术、新工艺以及焊接辅助装备，提高焊接质量与生产效率，来增强市场竞争力。我们曾与行业内有代表性的制造厂商如卡特彼勒、日立、小松、现代、大宇重工、徐工集团、厦工集团、柳工集团、成工集团、洛阳一拖集团、三一重工、詹阳机械、星马专用汽车公司等就焊接技术问题进行过交流，掌握了一些基本情况，现将工程机械行业中焊接技术的应用情况介绍一下，供有关人士参考，同时预测其发展趋势。
1 工程机械行业焊接结构件的特点
1.1 主要材料
目前工程机械结构件采用的材料主要是碳素结构钢、低合金结构钢等，一些零部件采用铸钢件，材质本身具有良好的焊接性能，产生冷、热裂纹的倾向小，焊接前工件毋需预热，焊接后也毋需特殊保温措施。
1.2 结构特点
工程机械结构件包括薄板件（如驾驶室、机罩、盖板等），板厚为2～4mm；中板件（如车架、行走架、动臂、斗杆、铲斗等），板厚为6～20mm；厚板件（如压路机前、后轮）板厚20mm以上。通常结构件由板材拼焊而成，以箱形结构为主，上面焊接附件，包括一些机座铸钢件，结构较复杂，焊缝密集。部分结构件采用型材，如矩形管、U形槽钢等，以简化结构并减轻自重。
工程机械结构件角焊缝居多，通常只检验焊缝外观质量，只有重要的受力结构件做磁粉探伤和超声波探伤，分别检验表面裂纹和焊缝内部缺陷。
2 工程机械行业焊接技术应用特点
2.1 焊前准备工序
2.1.1下料工序：通常采用剪板机和数控切割机下料，薄板件常用等离子切割，中厚板采用火焰切割。虽然数控切割机应用已较普遍，但是普通火焰、空气等离子切割由于割缝较宽和热变形影响，切割精度不够理想。因此精细等离子、激光切割等已有厂家用于中薄板的切割，效果良好，预计会有更多厂家采用。
2.1.2 组对工序：确定各焊件位置关系时，一般采用人工划线，此种方式简单易行，但划线工作量大，生产效率低、组对误差较大，产品一致性差。虽然很多厂家都有自制的组焊工装，但大多设计简单，精度低。由于下料精度不高，组对过程中经常需要手工切割修整工件，这样组对出来的焊件只适用于手工焊接。近年来随着自动焊接工艺的发展，拼点工装已成为一种产品，由专业公司设计制造，既保证组对精度，又尽量做到操作简便。对于大型工件，拼点工装常用液压缸驱动，起到辅助成型作用。参见图1。
图1 挖掘机动臂拼点工装示意图
如后续工序采用机器人焊接，或工件数量较大时应采用拼点工装来组对。此种方式操作简单，组对精度高，产品一致性好。目前只有少数厂家采用拼点工装组对方式。
2.2 焊接工序
2.2.1 焊接位置
传统的焊接方式为将组焊件放在地板或焊接平台上，焊工围绕工件用手工焊方式，将外露面可施焊的焊缝焊接完毕；然后翻转工件，焊接其余焊缝，完成所有焊缝可能需要翻转多次。由于工件位置的限制，焊工可能需要焊接平焊缝、横焊缝或立焊缝，而这几种焊缝焊接难度不同，焊缝质量差异很大。
众所周知，对接平焊缝或角焊缝船形位置焊起来最方便，焊缝质量易于保证。采用焊接变位机可以实现这种理想的焊接条件。由于工程机械结构件大部分形状不规则，需要设计专用夹具配合变位机使用，变位机分为单回转、双回转、升降式单、双回转等各种型式，适用于不同的工件，参见图2、图3、图4。
在“八五”以前，国内工程机械结构件的焊接生产中，几乎没有应用焊接变位机的概念，采用的是在地板或焊接平台上翻个的方式。“八五”以后，外资企业陆续在国内设厂生产，带来了一些新的焊接装备。随后国内开展了新型焊接变位机的研究和开发工作，利用外资企业的辅助装备本土化采购政策，使焊接变位机在主导企业中的应用迅速增加，在行业内起到了示范作用。
随着市场竞争的加剧，焊缝的外观质量已成为用户评判产品质量的依据之一，为了获得稳定一致的焊接质量，同时考虑到生产效率、操作安全性以及自动焊接的需要，对于在车间内进行焊接的结构件，采用变位机可以获得理想的焊接位置，消除立焊、横焊、仰焊等难以保证质量的焊接操作，同时实现一次装夹全部焊接完成的高效作业，因此变位机将在行业内得到普遍应用。
图2 挖掘机上车架用变位机与夹具
图3 装载机前车架用变位机与夹具
图4 装载机后车架用变位机与夹具
2.2.2 焊接方法
目前普遍采用的焊接方法是埋弧自动焊与CO2/MAG气体保护焊。埋弧自动焊电流密度大，焊接时熔深大，焊接速度是手工电弧焊的5～6倍，焊缝成型美观，焊接质量稳定可靠，无弧光、烟尘，劳动条件较好，是优先选用的焊接方法。多用于中厚板长直焊缝或环焊缝。其它场合多采用CO2/MAG气体保护焊。气体保护焊同样具有电流密度大、熔深大的特点，焊接速度是手工电弧焊的2倍左右，但辅助工作时间少，特别是采用富Ar混合气体时，熔渣和飞溅很少，节省了清理时间，总体效率高。由于工程机械结构件焊缝分布密集而长度较短，气体保护焊多采用半自动方式，只有部分结构件采用焊接专机或机器人焊接。
3 工程机械行业焊接技术的发展趋势
3.1 焊接机器人及自动焊接专机的应用将逐步增加
采用机器人或焊接专机替代焊工进行自动焊接，可以改善操作人员的劳动条件，降低劳动强度，同时获得稳定一致的焊缝质量。随着社会的进步，以人为本的思想逐渐被接受，焊接时恶劣的工作环境使焊工难以保持稳定的状态，也使人力成本逐渐提高。当人力成本提高到一定程度时，采用自动焊接反而比较经济（如欧洲等发达国家的情况）。随着我国经济实力的提高，发展机器人等自动化装备是必然趋势。
焊接用机器人，严格来讲只是机械手，本身并不能独立工作，需配备变位机、专用夹具等外围设备，组成焊接机器人工作站。一个焊接工作站可以有多个机械手，适用于焊接量大或具有一定批量的焊接结构件的自动焊接。焊接机器人能做出复杂的空间动作，产品改型时容易调整。目前各厂家使用的焊接机械手基本上是从国外进口的，外围设备大部分由国内厂商配套，这样可以大幅度降低购置成本，使越来越多的厂家有能力应用焊接机器人工作站。
自动焊接专机是指针对某一类型工程机械开发的低成本自动化设备。基本配置包括焊机、焊接操作机构、多轴变位机、程序控制系统；可选配置包括焊缝跟踪系统、焊枪摆动装置等。设计时应考虑产品改型时工件的变化情况。与焊接机器人相比，焊接专机操作、维护保养简便，零配件易得，使用费用低，设备可靠性高，受到人们的青睐。
成功实施机器人等自动焊接的厂家体会到，这是一个综合工程，除了操作人员的水平因素外，下料、成型和组对拼焊等因素对焊缝质量的影响很大，要实现焊接过程的自动化，焊前各个工序的设备水平必须与之相适应。
业内很多厂家已逐步了解采用拼点工装组对焊件的优越性：焊件相对位置准确，可以减少机加工量；不用划线，可以提高生产效率；产品一致性、互换性好，质量稳定，可以提高产品竞争力。目前影响拼点工装普及的因素一是需要厂家投入资金，二是产品改型时拼点工装需要重新设计调整。有实力的厂家已在使用拼点工装，并从中受益。对拟采用机器人焊接的厂家来说，配套的拼点工装更是必不可少，因此拼点工装的应用将日益广泛。
3.2 新的焊接方法应用将增加
焊接技术发展迅速，新的焊接设备、工艺方法不断涌现，如脉冲气体保护焊机配富Ar气体的无飞溅焊接，焊缝成型美观；T.I.M.E焊接工艺，采用大干伸长来增加熔化焊丝的电阻热，采用多元保护气体，在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式，使其焊丝熔敷率较传统MAG焊工艺提高2～3倍；双丝气体保护焊接，奥地利Fronius公司开发的最新的高速GMA焊接系统，采用两套电源两套送丝系统，送丝速度、焊接电流、焊接电压及两条焊丝燃弧与短路的相对时序关系均可以分别控制。其原理是将二台焊机组合在一起，共用一个喷嘴，采用全数字控制技术，使二个距离很近的电弧互相配合，可以实现打底、盖面焊接一次完成，其最大优势是焊接速度高且焊缝成型美观，例如焊接角焊缝，焊脚高度6～7mm，焊接速度可达1.5m/min，经测算使用成本低于埋弧焊，具有广泛的应用前景。参见图5。
图5 双丝气体保护焊接示意图
4 结束语
在我国工业装备中，工程机械占有重要地位，节能、环保、高效、可靠是未来工程机械发展的一大趋势，现有的工程机械产品将逐步升级换代，在此过程中，工程机械结构件的焊接技术水平也随之不断提高。在未来十年中，我国基础设施建设仍处于发展中，对各种先进的工程机械产品仍保持旺盛的需求状态，希望工程机械行业内的制造厂商，应抓住机遇，采用新技术、新装备，提高制造水平，为我国工业装备水平的提高做出应有的贡献。
参考文献.
1 郑永强. 焊接变位机型式与系列的论述. www.China-Weldnet.com.
2 刘崇. 浅谈组焊件的拼点工装设计方法. 工程机械. 2002（3）
3 王寿福. 焊接技术在铁路机车车辆工业中的应用. 焊接技术. 2004（3）