自动化焊接技术在机床行业的应用

0. 前言 机床行业是机械工业的一个重要组成部分，是机械工业的“总工艺师”，是国民经济的基础工业。机床产品是制造一切机器的机器，他们的工作精度一般高于被加工机械零件的精度。为此，机床产品的技术水平和服务水平，对机械工业产品生产技术和经济效益的提高起着决定性的作用。 由于机床产品的特殊性决定了机床结构的特殊性。几十年来，铸造结构一直占据着机床结构的主导地位。铸造工艺一直为机床产品的主导工艺。八十年代后，随着机床产品引进技术的不断增加，机床产品结构也越来越多地采用了焊接结构，以焊代铸，以焊代锻，以焊代切割已成为机床制造业总的发展趋势。焊接工艺也已成了机床制造业的重要基础工艺，并从单一的加工工艺发展成了包括原材料预处理、切割落料、成形焊接、焊后检验和焊后处理等一种新兴的综合性工程技术。彻底改变了过去几十年铸造结构“一统天下”的局面，机床制造已离不开焊接。1. 焊接技术在机床行业的发展 焊接技术在机床行业的发展是随着机床产品焊接结构的应用发展而发展起来的。中国机床行业的主导产品主要有金属切削机床产品、锻压机械产品、铸造机械产品、木工机床产品、工具产品、磨具和机床附件产品等。其中，金属切削机床、锻压机械和铸造机械产品是机床行业焊接技术应用的主要领域。从机床产品发展的技术水平看焊接技术在机床行业的发展大致分为三个阶段。1.1 焊接技术作为辅助工艺手段阶段 此阶段从二十世纪50年代到70年代初。此阶段在机床产品开发方面主要是仿制国外机床产品阶段。当时金属切削机床仿制成功的有1Д63型车床，2A125型立式钻床，6H82型万能铣床，1617型卧式车床和262型卧式镗床等150种，约占当时掌握机床品种总数204种的70％；锻压机械主要仿制开发了开式压力机、315吨以下闭式单点压力机、空气锤、300吨以下双盘磨擦压力机、剪切机、四柱万能液压机和滚丝机及自动锻压机等需求量较大的通用锻压机械产品。 此阶段机床产品的结构基本全部为铸造毛坯结构，所以此阶段的焊接技术仅是作为一种辅助工艺手段为产品服务，焊接的重点是铸造结构件的缺陷焊补和产品的油箱、电箱罩壳等一些小型的非主要零件。主要的焊接方法是手工电弧焊，或氧乙炔气焊，靠工人自己掌握，无正规的焊接专业技术人员和工艺措施，没有专门的焊接车间。个别规模较大的企业，焊接与其他铸造车间或产品装配车间合在一起，生产面积有限。1.2 焊接技术的初步应用阶段 此阶段，从二十世纪70年代到80年代初，为焊接技术的初步应用阶段。此阶段机床产品在二十世纪50年代仿制的基础上，开始了高精度精密机床的自行研究与开发。在金属切削机床方面，仅二十世纪70年代陆续向第二汽车厂提供了具有较高水平的7664台机床，满足了第二汽车厂当时所需机床设备的98％以上；在锻压机械方面，为装备第二汽车厂，开发研究制造了115种510台通用专用锻压机械和部分生产线。同时，此阶段各专业定点厂累计掌握了锻压机械品种己有257种。 在此阶段中，随着整体焊接技术的进步，部分企业在自行设计的机床产品结构中开始采用了焊接结构，如济南第二机床厂的800吨以上的机械压力机产品的底座、横梁等大型零件和储气筒零件；齐齐哈尔第二机床厂，1973年开发设计的J81－1250切边压力机首次采用了焊接件，主要结构件零件为底座、立柱和机头，最大焊接零件重量为25吨；1978～1979年该厂又在Z41—30型螺母冷镦机的床身，TA88－200冷挤压机的高压容器零件上，采用了焊接结构。这些焊接结构的采用，促进了机床行业焊接技术的发展。 从二十世纪70年代后期开始，有条件的企业开始组织建立了独立的焊接车间，增加了车间起重设备和完善了焊接工艺手段。如济南第二机床厂1975年建立了焊接车间，当时车间面积为5275平方米，最大起重能力为50吨，焊接工艺手段也从简单的手工电弧焊，发展到埋弧焊、电渣焊和半自动切割落料及射线探伤检验手段。从而说明机床行业的焊接技术应用，一开始就步入了综合性的工程技术领域，为第三阶段机床产品的技术引进奠定了基础。1.3 焊接技术的主导工艺阶段 该阶段，从二十世纪80年代初引进技术开始至今。此阶段，机床行业通过引进国外先进设计制造技术，促进了高档先进机床产品的快速发展。如在金属切削机床方面，北京第一机床厂与日本日立精机公司合作生产了Ｋ型铣床，并成功地开发了新系列的数控铣床，同时与联邦德国瓦德里希·柯堡公司合作生产了数控龙门铣床；济南第一机床厂与日本山崎铁工所合作生产马扎克卧式车床，济南第二机床厂与法国BMO公司合作开发了4×10ｍ大型龙门横梁移动式五面加工中心和Φ200大型数控落地铣镗床及2.4×13ｍ大型龙门移动式五面加工中心；武汉重型机床厂与联邦德国希士．弗罗利普公司合作，生产了具有国际水平的加工直径1.4～2.5米的立式车床，镗杆直径Φ260ｍｍ以上的落地铣镗床等重型机床。在锻压机械方面，济南第二机床厂率先引进了美国VERSON全钢机械压力机公司的8个系列35个品种的重型、超重型机械压力机的设计、制造、检测全套技术，开始了重型、超重型锻压设备的引进、吸收、消化阶段。随后，1981年黄石锻压机床厂引进了比利时液压剪板机和折弯机系列产品的图纸和制造技术。1986年齐齐哈尔第二机床厂引进了日本小松集团公司的机械压力机制造技术。1991年，上海锻压机床厂与德国SCHULER合作，为上海大众汽车厂提供了14台600吨闭式四点多连杆机械压力机。1992年齐齐哈尔第二机床厂又与德国阿尔夫特合作引进了多连杆压力机制造技术，等等。通过引进、消化吸收，使我国重型，超重型锻压设备设计能力、制造水平有了迅速提高，基本接近和达到了国际当代先进水平。目前，国内锻压行业已开发掌握的锻压设备达440多种，已开发的重型机械压力机，单机能力达到了3000吨，液压折弯机，单机能力达到了4000吨，并具备了开发制造单机能力4500吨以上超重型机械压力机和大型多工位压力机的能力。 引进技术促进了机床行业焊接结构的应用。如济南第二机床厂，1981年前自行设计的机械压力机产品，焊接结构件仅占14％，刨床产品焊接结构不到1％，1981年引进压力机产品的焊接结构件比例达44.3％。引进技术后自行消化设计的机械压力机产品焊接结构比例最高达到了67.1％。其引进的数控机床产品的焊接结构也达到了60％。天津锻压机床总厂，1975年采用的焊接结构产品的品种数量仅为８种，不到47％。1991年突破了44种，占品种总数的66％以上。 机床产品焊接结构的应用，改变了过去那种铸造毛坯一统机床结构天下的局面，焊接技术也逐渐发展成了机床行业的主导工艺，其主要体现在以下几个方面：（1）部分骨干企业建立了具有一定规模的焊接车间或金属结构厂，并建立了完整的焊接管理体系。吸收消化了引进产品的焊接工艺标准，贯彻了国家专业标准，制定了企业标准。（2）完善了焊接工艺流程，使之从单一的加工工艺发展成了从原材料预处理、切割落料、成形、焊接、焊后检测和焊后处理等一整套的新兴综合性工程技术。（3）数控精密切割和计算机编程套料技术得到了应用，并改变了传统的手工切割落料，减少了机械加工，实现了“以割代刨”，“以焊代切削”。　（4）推广应用了CO2气体和富氩气体保护焊或埋弧焊等先进、高效新工艺。焊接工作量在骨干企业突破了50％以上，个别企业达到80％以上。（5）普遍采用了Ｘ射线探伤和超声波无损探伤检测等手段，稳定了焊缝的内在质量。（6）推广了振动时效新工艺，达到了降低和均化焊接结构残余应力的目的，减少了焊接件的变形，稳定了精度。（7）焊接技术人员和焊工队伍得到了不断壮大，走上了正规化管理，大部分企业实行了焊工持证上岗。另外，“八五”期间建立了具有行业代表意义的焊接样板厂点，为促进机床行业焊接技术的发展起到了推动作用。2. 机床行业焊接技术的应用　　机床行业的焊接技术的应用是随着国外引进产品技术发展起来的。同时，国内焊接技术的发展也促进了机床行业焊接技术的应用。目前，在机床行业中应用的主要焊接技术有以下几个方面:2.1钢板预处理技术应用 机床行业的钢板预处理生产线，是1993年由济南第二机床厂开始使用的，它是在造船行业、重机行业、矿山行业使用的基础上开始的。该预处理生产线是由该厂和青岛第三铸造机械厂联合开发制造，其主要工艺流程为：钢板校平、预热、抛丸除锈、自动喷漆、烘干，全长60米。主要技术参数为：钢板校平厚度8～40mm，校平宽度３ｍ；预处理钢板厚度8～160mm，有效宽度3ｍ；处理结构件最大规格为1500（宽）×800（高）；预处理速度为０～4m/min；年处理能力为４万吨/年；采用了PC自动控制和手动控制两种方式。该钢板预处理生产线, 解决了原材料的锈蚀、氧化皮等不良因素，提高了数控切割落料质量和机床产品的外观质量。 2.2数控切割技术应用 1982年由济南第二机床厂开始将国产数控切割机应用于钢板零件的切割落料之中，1988年开始应用了计算机自动编程套料技术，使钢板利用率由70％提高到74％；1992年济南第一机床厂引进了美国等离子数控切割机和激光数控切割机，开始了机床行业数控等离子和激光切割的应用，使厚度为0.5～8mm的薄钢板切割精度达到了0.5～1mm。“七五”期间，济南第二机床厂开发研究了厚钢板数控精密切割技术，使厚钢板数控精密切割厚度达到了275mm，该项目获得了机械部机床行业“七五”工艺成果一等奖。1993年，济南第二机床厂通过引进数控水下氧气等离子切割机，使机床行业数控等离子碳钢切割厚度由8ｍｍ提高到了25mm，减少了中厚板的切割变形，提高了中厚钢板零件的切割精度和切割质量。2.3气体保护焊等高效率焊接技术的应用 随着国外技术的引进，1981年由济南第二机床厂首先应用了Φ1.6实芯ＣＯ2 气体保护焊技术替代美国VERSON全钢机械压力机公司的Φ2.4药芯富氩气体保护焊工艺，对压力机大型焊接件焊接工艺进行了攻关，并取得成功。该项目获得了机械部科技进步成果三等奖。1986年齐齐哈尔第二机床厂应用了Φ1.2实芯富氩气体保护焊技术，解决了压力机大型焊接件的焊接问题，并用丝极氩弧铜堆焊技术，对活塞、气缸等工件表面铜层堆焊，替代我国传统的铜套获得成功。1992年济南第一机床厂在机床的薄板罩壳结构件上首次应用了Φ0.8实芯CO2 气体保护焊。“七五”期间，济南第二机床厂还将CO2气体保护焊应用到了压力机拉紧螺栓的加长焊接上，该项目获机械部机床行业“七五”工艺成果二等奖。目前，气体保护焊等高效率焊接技术，己广泛应用于机床床身、齿轮、偏心体、摇杆轴、缸体、焊后不加工的管路法兰和罩壳等零件，己成为机床行业焊接的主要工艺之一。2.4振动时效技术应用: 振动时效新工艺是二十世纪60年代发展起来的新型工艺技术，该工艺具有适用性强，节约能源，减少环境污染，缩短生产周期，提高生产效率等优点。济南第二机床厂，1981年开始将此工艺推广应用到引进产品的焊接件上，取得了较好效果。黄石锻压机床厂在“七五”期间对振动时效工艺进行了深入的研究与应用, 并获得了机械部机床行业“七五”工艺成果二等奖。目前，该工艺在机床行业得到了普遍应用。2.5焊接自动化、机械化技术的应用 机床行业焊接自动化除CO2半自动焊以外，主要体现在埋弧自动焊的应用上，主要应用于钢板的拼焊和压力容器的筒体焊接上。济南第二机床厂，1993年通过引进美国的焊缝自动跟踪系统和焊接电源，改造了1988年购置的国产十字操作架自动埋弧焊设备，实现了18mm厚以下压力容器筒体、封头不开坡口对接双面自动跟踪埋弧焊，取得了园满成功。焊接机械化，主要是焊接变位机的应用，1981年济南第二机床厂，在引进产品的焊接齿轮上开始了变位机的应用研究，但没有得到推广，仅将该变位机改造作了齿轮辐板的自动切割设备。1988年以后，焊接变位机相应在上海锻压机床厂、营口锻压机床厂、黄石锻压机床厂得到了应用，提高了焊接机械化程度。另外，1998年济南二机床集团有限公司在与日本小松的合作中成功的将变位机应用于40GrMo高合金齿轮的焊接中。2.6.丙烷高效节能环保切割气体的应用 丙烷等液化切割气体是国家“八五”、“九五”推广的高效节能环保型气体。1993年济南二机床集团有限公司开始对丙烷液化气体的工业应用进行了研究，经过大量的对比试验，1998年用C3系列液化燃气全面替代了乙炔气体，大大降低了生产成本，提高了生产安全性和切割质量，配以新型燃气割嘴，提高了生产效率。2.7无损探伤技术的应用 机床行业无损探伤技术的应用, 首先是从机床产品容器类零件的主要焊缝开始的。如1975年济南第二机床厂在建立焊接车间的同时，就建立了射线探伤室。1989年按国家标准建立完善了压力容器质量保证体系，全面贯彻了GB150《钢制压力容器》标准和JB4730《压力容器无损检测》标准。 二十世纪90年代初机床行业开始应用超声波探伤技术对机床产品主要结构件的主要焊缝进行20％抽检，执行了国标GB11345－89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》。检查的主要零件焊缝有压力机底座、横梁、滑块的主立板焊缝；立柱、滑块导轨焊缝；横梁的轴套焊缝；底座、横梁、工作台的上下面对接焊缝和全部的拼接板焊缝及齿轮周边焊缝。2.8集中供气技术的应用 CO[sub]2[/sub]气体的供气方式，在机床行业的焊接生产中也得到重视。目前，国内众多厂家基本都采用单瓶单机供气，这种供气方式不仅限制了生产规模的扩大，同时对焊接生产管理和焊接质量都有较大影响。CO2气体的集中供气，提高了焊接生产效率，同时也使CO2气体纯度提高了0.4～0.6%，气体水份含量下降0.25%，保证了焊接质量，在机床行业的焊接生产中也得到应用。如1992年济南二机床集团有限公司在组建新的金属结构厂的同时，建造了CO2气体集中供气装置。该装置总工作压力0.15MPa，中间贮存筒容量2m3，可向全厂120多台CO2焊机连续稳定供气，当时年焊接生产能力12000吨，到2002年满足了年焊接生产能力15000吨的需求。3. 机床行业焊接新技术的应用展望 随着焊接技术和机床技术的飞速发展，焊接新技术在机床行业应用也具有广阔的前景。机床行业的焊接结构也正在寻求探索应用焊接领域的新技术、新材料。 3.1 药芯焊丝在机床数控产品上的应用 药芯焊丝具有气渣联合保护效果，其焊缝成型美观、飞溅少，含铁粉药芯焊丝熔敷效率较高，具有优于实芯气体保护焊的许多优点。 金属切削机床特别是数控金切机床，精度要求高，外观造型漂亮。为此，要求焊接结构外观焊缝尺寸小、光滑美观。使用药芯焊丝具有较大的优势。济南二机床集团有限公司，近几年在应用药芯焊丝方面进行了探索，如为日本三凌重工株式会社和日本本简株式会社，采用Φ1.6药芯焊丝CO2气体保护焊，焊接生产的卧式滚齿机机身和数控龙门铣镗床床身、数控落地铣镗床的立柱，焊接质量优于实芯CO2气体保护焊，得到日方专家的认可，顺利通过了日方的质量检查验收。3.2 细丝气体保护焊的应用 近几年，Φ0.8细丝气体保护焊在机床行业应用的趋势已越来越强。随着机床产品的技术进步，对机床的外观造型和质量要求也越来越高。过去机床产品采用手工电弧焊接的薄板罩壳零部件，已基本都不能满足现有机床产品外观质量的要求，特别是数控机床。现在都在寻求探索，采用激光切割、Φ0.8细丝气体保护焊。济南一机床集团有限公司，从1990年初开始应用激光切割和Φ0.8细丝CO2气体保护焊，焊接生产机床罩壳零部件，外观质量满足了数控机床高水平的要求。3.3焊接机械化、自动化的应用方案 实现焊接机械化、自动化是机床行业应用焊接新技术的重要途径。机床产品焊接结构多为复杂的箱型结构，在目前的焊接生产中大都采用整体组装、整体焊接的工艺方法，实现自动化焊接较为困难。若将机床产品焊接结构的组装、焊接合为一道工序，配以机械化工装和变位机，实现自动化焊接是完全可行的。3.3.1.焊接齿轮的自动化焊接方案 重型锻压设备产品的传动齿轮，其结构组成主要有辐板、齿圈和偏心轮轴。该焊接齿轮的齿圈材料为45# 或40CrMo材料，焊接前需预热，焊后要保温处理。自动化焊接可采用变位机，先将齿圈与辐板预组装在一起，固定在变位机上。然后，将变位机连续旋转，用火焰预热器将工件预热到200～350℃，再将变位机自动调整到45°角位置，用自动焊，进行自动跟踪焊接，并使角焊缝焊脚高度达到设计焊缝尺寸要求。同时，对内圈焊缝也进行自动焊接。 自动化焊接此类零件，将显著提高工作效率，减少工人劳动强度，减少预先炉内预热、焊后保温等辅助工时。同时，也保证了焊接质量。3.3.2箱型零件的自动化焊接方案 机床产品焊接结构多为复杂的箱型结构，结构内布置众多加强筋板，这使自动化焊接较为困难。若将箱型零件从设计上进行改进，在焊接翻转机上一边组装一边焊接，则自动化焊接是完全可行的。如机械压力机的立柱，先将底板夹紧在大型焊接翻转机的组装平台上，然后组装拉紧螺栓支撑板，各类加强筋板等。采用十字操作自动焊接机，焊接拉紧螺栓支撑板内角焊缝。采用龙门式自动焊接机，焊接各类筋板角焊缝、外表面焊缝等。可一次完成组装焊接工作，将减少了两零件背对背组装工序，提高了焊接生产率。4. 结束语 机床行业焊接技术的发展是随着机床产品技术的发展而发展起来的。八十年代后，机床行业产品技术的引进，对机床行业焊接技术的发展起决定性的作用。随着机床产品焊接结构越来越多地应用，彻底改变了过去几十年铸造结构“一统天下”的局面。以焊代铸，以焊代锻，以焊代切割已成为机床制造业总的发展趋势。机床制造已离不开焊接。 目前，机床行业焊接技术的发展也正朝着高效、自动方向发展。机床行业焊接新技术的应用具有广阔前景，大力推广应用新的、先进的焊接工艺和方法，是我们每个焊接工作者的责任，愿焊接新技术早日在机床行业推广开来，得以普遍应用。