By 张伟高级焊接应用工程师 EVST应用工程团队 · · 由 EVST 机器人集成工程部门审核
厚板多道焊接单元将工业机器人与电弧和焊缝跟踪装置相结合，实时将焊枪锁定在接头中心线 ±0.5 毫米以内，从而使多道焊缝从第一道到第一千道都以恒定参数铺设——并且添加外部轴（焊接定位器、移动导轨）可以让一个机器人完成重型结构钢的焊接，而熟练的焊工需要几个小时才能重新定位。 本指南解释了单元背后的接缝跟踪、多道次控制和外部轴决策，以及 EVST 如何为结构钢、工程机械、压力容器和铁路转向架确定范围。
关键外卖
- 熟练的焊工很难招到，而且在厚板的多道焊缝焊接中保持焊接质量的一致性也更难；而带有焊缝跟踪功能的机器人则能确保中心线始终保持在焊接范围内。 ±0.5毫米 （在集成 EVST 的单元上，通过校准弧光 + 视觉跟踪通常可实现）并达到 〜99％ 标准厚板接头的一次合格率（符合 ISO 3834 B 级制造标准的行业典型范围，按项目确定）。
- 当层间温度或编织参数发生漂移时，多层结构就会失效——机器人将两者都保持稳定，因此夹渣、未熔合和底切现象会急剧减少。
- 双轴U型定位器将零件旋转到最佳的重力焊接平面位置；移动导轨延长焊接距离；整个单元可扩展至 最多 16 个外部轴.
- 每个工位有两名熟练焊工失业。 （通常以单班制为基准；因零件组合和检验等级而异），两班制连续运行。
- 工业部门受到严密保护 ISO 10218 在它的细胞内。
本文面向生产经理、焊接工程师和工厂业主，旨在介绍厚板结构焊接自动化。文章主要讨论带外轴的多道厚板接头；不涉及薄板或铝材焊接，因为它们的焊接参数有所不同。
厚板多道焊接涉及哪些方面？
在重型结构钢（例如H型钢、箱形梁、框架、压力容器壳体、铁路转向架）的焊接中，接头很长，钢板很厚，单道焊缝无法完全填满缝隙或达到完全熔透。焊工需要分层焊接：先焊根，再焊填充，最后焊盖，每层焊缝的热输入和位置都需严格控制。在上千个零件的焊接过程中，人手难免会出现偏差：晚班疲劳会导致焊接速度降低，中心线偏移，最终导致检验不合格。之所以需要采用单元焊接，是因为这种接头的重复性太高，单凭人手难以保证焊接质量符合规范，而且焊接质量又至关重要，不能事后通过检验来纠正。
图 1 — 多道焊缝横截面：底部为根焊道，向上依次为填充焊道，顶部为盖面焊道，可见明显的热着色。焊道数和层间参数决定了接头是否通过检验。
厚板焊接自动化何时有利可图——以及何时不利。
决定性因素是 关节复杂性、零件尺寸和检测等级使用此框架：
| 选择多通道机器人单元的时机…… | 重新考虑以下情况…… |
|---|---|
| 钢板厚度足够，需要多次轧制。 | 单道次薄板加工占绝大多数。 |
| 关节很长或在多个部件中重复出现 | 几何形状毫无逻辑地改变了每个部分。 |
| 检验要求始终如一的一次合格率。 | 轻型工作仅进行目视检查 |
| 熟练焊工稀缺或正在老龄化。 | 现有焊机轻松满足生产需求。 |
| 大型部件在每次走纸之间需要重新调整方向。 | 焊工一次性处理的小零件 |
EVST 使用我们工程师称之为“厚板电池”的技术对厚板电池进行示踪 中心线优先法：将焊枪锁定在关节中心线上，实时进行弧线和接缝跟踪，然后在恒定的层间温度和编织条件下逐层构建——因为多道焊接接头因参数漂移而失效的概率远高于因机器人姿态而失效的概率。
手工与机器人厚板多道焊接
| 因素 | 手工焊接 | 机器人多道焊接 |
|---|---|---|
| 关节位置精度 | 手眼协调能力，疲劳时容易出现偏差 | 通过接缝跟踪锁定到中心线±0.5毫米处 |
| 层参数一致性 | 焊工估算层间温度 | 程序稳定运行；减少炉渣和底切。 |
| 缺陷率（一次验收合格率） | 变量，晚班下降 | 约99%的接缝跟踪和稳定参数 |
| 焊工失业 | - | 每个单元格两个（通常） |
| 连续运行 | 一个班次就感到疲惫 | 两班倒，无操作员漂移 |
| 触及大部件 | 焊工重新定位并重新夹紧 | 定位器旋转；导轨伸展 |
厚板电池的构造
图 2 — 单单元中心线优先焊接法：机器人进行焊接，定位器旋转工件使其处于水平重力位置，移动导轨延伸焊接距离。这三个部件均由单个控制器协调控制外部轴。
三个工程细节决定了电池在数月的生产过程中能否保持性能稳定：
- 实时缝线跟踪。 电弧跟踪和基于视觉的焊缝跟踪技术能够实时将焊枪锁定在焊缝中心线，精度控制在±0.5毫米以内，覆盖整个焊缝。机器人并非仅仅按照预设路径焊接，而是在焊接过程中根据实际焊缝位置进行修正。这是多道焊缝焊接质量的最低标准。
- 多通道参数控制。 单元顺序在可控的层间温度和交错方式下进行根部、填充和盖面焊接；热输入保持稳定。夹渣、未熔合和咬边——这些导致厚板多道次焊接失败的失效模式——在程序保持这些参数恒定时会显著减少。
- 到达关节的外部轴线。 双轴U型定位器将工件旋转到最佳的平躺重力位置，使每次焊接都向下倾斜；移动导轨使机器人沿生产线移动，以完成固定底座机械臂无法触及的较长关节。该单元最多可扩展至16个外部轴，足以满足大型结构框架在一次装配中完成所有焊接的需求。
实践中最常见的错误是将定位器视为可选项：机器人焊接位置刁钻、不平整的工件时速度较慢，且容易积累微缺陷，而同一台机器人焊接旋转工件时则能实现干净利落的焊接。EVST 根据工件的实际尺寸而非类别来确定定位器和导轨的尺寸。
投资回报率：质量、产量和熟练劳动力替代
第一个杠杆是 检验结果将中心线精度保持在±0.5毫米以内，并保持参数稳定，可使一次合格率接近99%，从而避免后续X射线或超声波检测可能造成的返工。其次是： 吞吐量：两班制连续焊接，操作人员不疲劳，在相同的工作单元内提高了产量。第三点是 技术工人流失每个单元可腾出两名焊工，从而缓解合格焊工短缺的问题。投资回报取决于检验等级、零件种类和现有人员配置，EVST 会根据每个项目的具体情况进行调整。
它适用于各个行业
- 结构钢和预制建筑 — H 型钢、箱形梁、柱梁连接；长重复焊接，焊缝跟踪是区分优劣的关键。
- 工程机械和土方机械 — 厚钢板上采用多道焊接工艺的重型框架和底盘。
- 压力容器 — 厚壳上的周向和纵向接缝，检验等级要求非常严格，一致性至关重要。
- 铁路转向架和车辆 — 重复的厚板连接，对一次验收有严格的要求。
同样的逻辑也适用于相同的工作量：在厚度超过单次焊接极限的板材上进行长时间、多道次、完全穿透的焊接。只要满足这三个条件，该单元就能盈利。
电池运行遵循的标准
用于厚板结构焊接的机器人焊接单元根据以下三类标准进行规范：
- ISO 3834 — 金属材料熔焊的质量要求。 ISO 3834-2（综合）、3834-3（标准）和 3834-4（基础）等级规定了单元的 WPS（焊接工艺规程）所要满足的文件、程序鉴定和检验要求。
- ISO 14732 — 金属材料全自动焊接的焊接人员资格认证。 涵盖机器人焊接单元的操作人员和调节人员资格认证；是许多欧盟和OEM规范的要求。
- AWS-D1.1 — 结构焊接规范：钢。 北美结构钢标准，包括预认证焊接工艺规程 (WPS)、资格测试和检验规则。美国大多数结构钢和桥梁工程都采用 D1.1 标准。
- ISO 10218 — 机器人安全。 工业机械臂在其单元内按照 ISO 10218-1（机器人）和 ISO 10218-2（系统集成）进行防护运行。
接缝跟踪和多道次参数控制是帮助达到这些标准的工具——它们不能替代焊接工艺规程 (WPS)、操作员资格或检验计划。
常见问题解答
厚板接缝跟踪的精度如何？ 弧光和视觉接缝跟踪技术可将焊枪实时锁定在 EVST 集成单元的接缝中心线上 ±0.5 毫米的范围内（在校准跟踪下通常可实现；会因表面状况、装配和程序而异），并在焊缝铺设过程中校正到实际接缝，而不是仅仅依赖于编程路径。
为什么首次通过率能达到 99%？ 因为中心线漂移和参数漂移——这两种失效模式——都被消除了。接缝跟踪解决了前者；程序控制的层间温度和织纹控制解决了后者。两者结合起来，每次多道次的接缝铺设方式都相同。该数值是符合 ISO 3834 B 级标准的行业典型范围；实际速率需根据具体项目而定。
我需要定位器和移动导轨吗？ 定位器的成本几乎总是通过提高良率来体现：将零件旋转到重力水平位置可以减少微缺陷，并加快机器人焊接速度。移动导轨的成本则通过提高作业范围来体现——当接头长度超过机器人的工作范围时，就需要用到它。当定位器和移动导轨都适用时，例如在大型结构框架上，该单元最多可扩展至 16 个外部轴。
它遵循哪些标准？ 工业部门的运作受到严密保护 ISO 10218 在其单元格内；焊接工艺规程按项目设定。 ISO 3834 , ISO 14732 or AWS-D1.1 根据客户的检验等级要求。跟踪是一种帮助达到这些标准的工具，而不是替代标准本身。
它适用于不同零件类型之间的切换吗？ 是的——新增零件需要更改程序和夹具，而焊接工艺库则包含可重复使用的焊接程序。焊缝跟踪功能可以校正零件系列内的装配偏差，但几何形状的阶跃变化则需要重新编程。
把它带进你的工厂
厚板多道次机器人焊接将重型制造车间中最难、最难操作的接头焊接转变为稳定、两班制、符合检验标准的流程——将焊枪锁定在中心线，保持参数恒定，并利用外部轴实现固定底座机械臂无法触及的操作。最终选择取决于板材厚度、接头长度和检验等级，而非机器人品牌。 埃夫斯特 采用中心线优先法设计厚板焊接单元，并将焊接机器人、焊缝跟踪系统、双轴U型定位器和移动导轨集成到一个单元中——请参阅我们的指南。 如何选择机器人行走轨道, 焊接定位器选择 和 机器人+轨道+定位器单元协调或者与 EVST 讨论厚板电池的可行性研究。
关于作者 - 张伟 是公司的高级焊接应用工程师 EVST应用工程团队他拥有超过12年的机器人焊接单元集成经验，涉及厚板结构钢、工程机械、压力容器和铁路车辆等领域。他负责根据接头的复杂性、检测等级和焊接范围进行单元范围界定，并运用上述中心线优先法，针对每个零件的焊接包络，确定焊缝跟踪、多道程序控制、定位器和移动导轨轴的尺寸。技术准确性已由EVST机器人集成工程团队审核；数据为典型可实现范围，并非保证值，具体尺寸根据项目而定。 更正和更新：请参见最后更新日期。