龙门式激光MAG焊在车顶通长板焊接中的应用

　　生意社12月12日讯(1、理工大学有色金属新材料国家重点实验室，甘肃730050；2中国南车集团四方机车车辆股份有限公司，山东青岛26631)

　　摘要：介绍了美国Jetline公司制造的龙门式激光自动MAG焊机的基本结构、工作原理和基本操作，并制定了龙门焊机焊接轨道车辆车顶通长板的工艺措施。

　　关键词：龙门焊机；激光；激光传感器

　　序言

　　传统轨道车辆客车钢结构车顶板一直沿用分段搭接的方式，焊缝包括中顶板及中顶板弧形搭接焊缝，共20多段，每段长2.9m；中顶板与通长侧顶板的搭接长直焊缝，共计2段，每段长25.5m。采用的焊接方法是手工CO2气体焊，其特点为：速度慢，效率低[1、2]、外观不美观、焊工劳动强度大。为改变这一落后状况，南车四方公司将车顶分段焊接的中顶板改为通长板以减少焊缝的数量，如图1所示。并从美国Jetline公司引进一台龙门式激光自动焊机，用于车顶板焊接，配合通长中顶板涨拉工艺，大大提高了车顶焊接的自动化水平。

　　1结构与原理

　　龙门焊机主要由以下几部分组成：lnvision456型逆变脉冲，塑料公交车拉手注塑模具设计。Miller焊机、JST激光焊缝系统、Lincoln型Miller程控送丝机、Lincoln焊接烟尘吸收装置、冷却系统和龙门架、导轨、电缆等附属装置，如图2所示。

　　龙门焊机焊缝自能由JST激光焊缝系统完成，它主要由工业PC、CCD激光传感器、十字滑块、器、控制器以及连接电缆等组成。工业PC内的SAPEⅡ集成电板是焊缝系统的核心，工作原理如图3所示。

　　由图3可知，焊缝的特征和几何轮廓经传感器中的CCD摄入图像并经处理，送入图像采集卡经过A/D转换成8bit数字信号，以中断传送方式经PCI总线送入SAPEⅡ板的内存。SAPEⅡ板调用图像处理程序进行图像预处理(滤波、增强等)和图像后处理(抽取焊缝中心线、检测特征信号点)，得到偏差信号后，经控制算法得到控制信号，由执行机构控制步进电机作上、下、左、右4个方向的运动，调整焊枪自动对准焊缝。

　　焊接工装夹具设计传感器是焊缝系统最为关键的部件，龙门焊机采用的是由Jetine公司自行研制的型号为MLP10-5的激光传感器注塑模毕业设计，其主要结构为CCD摄像机、激光二极管、镜头、圆柱透镜、带通滤光片和防飞溅罩等组成。其功率大，结构小巧，可与焊枪绑定一起使用，可发出激光条纹的宽度为12mm，调整灵敏度小于等于±0.2mm。激光传感方法不仅能检测出焊缝的中心，获得焊缝的形状和尺寸等特征参量，并且是无接触的；而且激光光强大、频带窄的特点使焊缝更为灵敏准确。如图4所示，激光二极管发出的点光源经过柱状透镜变成一束线光源，垂直投射到工件表面，CCD倾斜接收，同时得到工件表面和高度方向的二维图像信息，送入图像采集卡[3、4]。

　　图5为焊缝发生变化时，激光带在CCD中成像的示意图，a、b、c、d、e依次为焊枪相对于焊缝准确、偏左、偏右、偏高、偏低时的成像示意图。

　　2基本操作

　　龙门焊机的操作是通过控制器来实现的。控制器上有Start、Stop、Laser、Error、Seam5个按钮以及控制焊枪左右和上下移动的开关。焊缝前按下Laser按钮，将激光打开，激光传感器将自动寻找焊缝并传感头距焊缝的，若传感头相对于焊缝过大或过小，超过了传感头的正常范围，控制器面板会弹出错误信息“Failtoseetheseam”，轻拨左右和上下移动开关直至错误信息消除，选择焊缝的连接型式，调整左右和上下偏移量接近于零点。譬如，控制器面板上显示“Y=+0.1mm，Z=-0.3mm”信息表示激光条纹中心点相对于焊缝正确在垂直方向向下偏移0.3mm，在水平方向向左偏移0.1mm。如果想让传感器相对于焊缝始终有这样一个偏移量，请同时按下Laser和Seam按钮台灯顶罩冲压毕业设计，起用传感器的示教(Teach)功能，则该被视为焊枪相对于焊缝的基准。过程中传感器在该观测到焊缝，焊枪不做调整，偏离此，焊枪以此为基准做上下和左右调整，从而实现焊缝的①。

　　3工艺制定

　　根据龙门焊机的工作特点，结合车顶的设计结构，为龙门焊机正常的工作，制定了使用龙门焊机时的配套工艺措施。

　　3.1通长板供料尺寸精度要求

　　通长板供料的尺寸精度，通长板平面度小于等于1mm/m2局部直线度小于等于5.0mm/cm，侧顶板上边缘平面度小于等于1mm/m2，局部直线度小于等于5.0mm/cm；控制车顶骨架弯梁的成形质量，要求弯梁的翼腹面垂直度小于等于90°，弯梁甩头小于等于10mm，通长板两端各留出300mm拉伸工艺余量。

　　3.2通长板装配质量要求

　　配备与龙门焊机配套的焊接工装，通长板的装配精度，定位夹紧车顶，车顶放正放平；龙门焊机柔性不足，送丝机构不能根据焊缝的形态自动调节送丝速度，焊接速度一旦设定，焊接过程中也不能做调整，如果板与板之间闪缝过大，焊缝会出现欠丝，要求两通长板板间装配缝隙小于等于1.0mm；限于机动十字滑块有效行程为120mm，要求通长板整车方向上的倾斜小于等于60.0mm；由于焊点对焊缝以及焊缝成形的影响较大，必须控制焊点尺寸，要求焊点尺寸高度小于等于3.0mm，直径小于等于10.0mm，弯梁与顶板密贴，以拉伸时顶板受力均匀，车顶不易发生变形。

　　3.3通长板焊接工艺

　　由于焊缝对油漆等有机物质十分，焊缝经常出现气孔、夹杂等缺陷，焊前2h内将焊缝两侧打磨光亮，并采用φ(Ar)80%+φ(CO2)20%干燥混合气体。采用合理的焊接顺序，焊前施以反变形以减少车顶上翘变形。焊后不要马上将固定车顶的工装夹具卸开，应间隔一定时间待车顶完全冷却后再卸。

　　由于车顶龙门焊机焊接速度较慢，单位时间空间的焊缝热输入量很大，焊后车顶钢结构的上翘变形很大，严重时可造成顶板与骨架梁焊缝崩裂，采用合理的焊接规范参数以及施焊顺序至关重要。表1是龙门焊机用于车顶焊接的规范参数，通长车顶板材质为耐候钢09CuPCrNi-B，板厚为2.0mm。图6为通长板的3种接缝形式，依次为船形焊、类仰焊、平焊。

　　为控制焊接变形，将整个车顶3条通长焊缝分为3段，先焊车顶中心中顶板与中顶板的对接焊缝，具体施焊顺序⑴、⑵、⑶，倒向焊接以减少焊接变形；再同时焊车顶两侧中顶板与侧顶板的两条船形或类仰形搭接焊缝，施焊顺序⑷、⑸、⑹，同样采用倒向焊接，如图7所示。施焊前要仔细观察焊缝装配质量和打磨质量。

　　3.4龙门焊机工作要求

　　焊前检查龙门焊机各器件工作是否正常，按照使用要求说明书定期更换易损器件，冷却管和吸尘管的正常运行；定期检查更换激光传感器的防飞溅罩以及滤光片，防飞溅罩的正常工作和滤光片的清洁；MLP10-5型传感器来说，其左右最大的偏移量范围为-6.0-+6.0mm，透镜有效工作高度范围为-15-+20mm，焊枪相对于基准不得超过传感器的工作范围。

　　表2是采用龙门焊机前后车顶焊缝成形、焊接效率、所耗焊材和焊接成本的一些数据对比。

　　经过表2对比发现，采用龙门焊机后焊缝成形得到很大改善，焊接效率得到很大提高，焊接成本有效降低，经济效益显著。

　　4常见故障及解决措施

　　常见故障及解决措施见表3。

　　5结论

　　a、采用龙门焊机焊接车顶通长板焊缝，提高了焊接质量，降低了生产成本。b、实现激光自动，提高了生产效率，降低了劳动强度。c、针对于车体总组装时车顶雨檐下:条通长仰焊缝施焊不好，工人劳动强度大且焊缝成形不良，增设悬臂式激光自动焊机。

　　参考文献：

　　[1]中国机械工程学会焊接学会。焊接手册·材料的焊接[M]：机械工业出版社，1992[2]周振丰。金属焊接性[M]：机械工业出版社，1994[3]鞠益兰，程金松6结构光式激光视觉传感器的焊缝系统[J]电焊机，2002，32(5)：9-11[4]孙立新，韩炜，刘冰清，等6结构光焊缝检测传感器设计理论的研究[J]光学学，2003，23(2)：225-230

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