焊接优秀毕业论文

对超细晶粒钢在焊接热循环作用下晶粒长大和组织、性能变化的规律进行了研究。400MPa级钢由于不存在第Ⅱ相粒子对晶粒长大的钉扎作用，晶粒长大趋势明显，焊接热输入越大，长大程度越严重。无论是焊接热模拟试件还是焊接接头硬度测试均表明HAZ不存在软化问题，接头拉伸试验断在远离热影响区的母材上。HAZ粗晶区有较多的侧板条铁素体，但缺口冲击功未显示热影响区的冲机韧性低于母材，尽管试件断口分析说明粗晶区的韧性低于母材。 关键词：超细晶粒钢：焊接：晶粒长大：粗织 中图分类号：TG401 文献标识码：A 文章编号：0253-360X（2001）06-01-03 0序言 在国家重大规划基础研究项目"新一代钢铁材料重大基础研究"中，将通过晶粒超细化实现钢材强度韧性提高一倍的目标。对于超细晶粒钢而言，热影响区（HAZ）晶粒粗化导致的性能恶化及不适当焊接热输入导致的HAZ软化将是最主要的问题。研究焊接热循环对母材组织、性能的影响规律及研究适合超细晶粒钢的新型焊接技术和工艺是非常必要的。 日本在其"超级钢"规划中，将超级钢焊接技术作为三个研究主题之一，在800MPa级高强度课题中更将焊接置于极其重要的位置[1,2]。韩国在新世纪高性能结构钢中也非常重视超细晶粒钢的焊接问题[3]，为使焊接接头具有90%以上的母材性能（强度、韧性），从焊接技术、焊接材料和焊接工艺三个方向全面开展工作。 作者对超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大规律进行了初步的研究，进行了脉冲MAG、激光焊等方法对超细晶粒钢的适应性研究，以及利用焊后特殊处理技术提高焊接接头性能的探索性研究工作。 1 试验用超细晶粒钢及试验研究 试验用材为400MPa级课题组在宝钢轧制的SS400热轧钢板，该材料的研究目标是通过晶粒细化使屈服强度提高一倍，板厚3mm，其化学成分和力学性能如表1和表2所示。材料的原始铁素体尺寸为6~8μm。 在本研究中，用焊接热模拟试验研究了焊接热影响区的晶粒长大规律，研究了400MPa级超细晶粒钢的脉冲MAG焊接适应性、热影响区组织及焊接接头力学性能。 2 超细晶粒钢的HAZ晶粒长大趋势和组织及性能 为研究焊接热循环对超细晶粒钢的影响，利用Gleeble-1500焊接热模拟试验机对试验材料进行了焊接热模拟试验，试验设计如下。 （1） 加热峰值温度固定Tp=1350℃改变冷却速度t8/5从3~24S，模拟在不同焊接热输入条件下热影响区粗晶区的组织和性能。 （2） 冷却速度固定t8/5=5s，改变峰值温度Tp从1400~650℃，模拟在同一焊接热输入条件下，焊接热影响区不同部位的组织和性能。 焊接热模拟试验结果如图1所示。图1a为焊接热输入对粗晶区原始奥氏体晶粒尺寸的影响，在峰值温度为1350℃时，随着t8/5逐渐增加，即随着焊接热输入的增加，热影响区粗晶区的原奥氏体粒径不断增加，当t8/5为20s时，奥氏体粒径达到170μm，这说明超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大倾向严重，奥氏体粒径受t8/5的影响很大，在条件允许的情况下，应尽可能采用低热输入焊接，加快焊接冷却速率。图1b为t8/5=5s时峰值温度对原始奥氏体晶粒尺寸的影响，当Tp介于1100~1200℃时，奥氏体粒径明显开始粗化，可把这个温度区间作为SS400钢的粗化温度。当Tp>1350℃时，奥氏体晶粒不再继续粗化，而奥氏体晶粒有所减小，这有可能是因为在奥氏体晶界局部熔化导致晶粒尺寸有所减小。图1c、d为显微硬度测量结果。由上面图表的数据可以得出：随着t8/5增加，热影响区粗晶区的硬度逐渐降低并趋于平稳，当t8/5=3s时，硬度最大。当t8/5=5s时，随着峰值温度Tp的升高，其显微硬度逐渐增加，当Tp=1400℃时，其硬度达到最大。经t8/5=5s，不同峰值温度的焊接热模拟后，SS400钢的整个热影响区硬度都不低于母材，于是可以预言：当t8/5时，SS400钢的热影响区不会出现软化现象。 Fig.1 Welding thermal simulation test results 因超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶的，不能通过热处理手段来恢复，所以焊后HAZ会出现软化，尤其当高热输入时，就更加明显。不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其它因素控制的，如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配等因素。三种规范下的SS400接头拉伸均断在母材，说明至少当t8/5<10s时，SS400钢接头中的HAZ不存在软化问题。从接头的硬度分布（图2）也可看出SS400钢5号接头的热影响区不存在软化问题，这一点与焊接热模拟试验结果一致。

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。 随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动弧焊机器人工作站, 从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点： 1）稳定和提高焊接质量； 2）提高劳动生产率； 3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作； 4）降低了对工人操作技术的要求； 5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。 因此，在各行各业已得到了广泛的应用。[编辑本段]焊接机器人的组成 焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成。焊接机器人的主要结构形式及性能 世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构，如图2a、b所示。侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人（平行机器人），已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负载100～150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。 上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺取电机通过摆线针轮（RV）减速器（1～3轴）及谐波减速器（1～6轴）驱动。在80年代中期以前，对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机，而80年代后期以来，各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免维修时间大为增长，加（减）速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点（TCP）的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。同时，机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹。点焊机器人的特点 （1）点焊机器人的基本功能 点焊对所用的机器人的要求是不很高的。因为点焊只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。这也是机器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。对于用与变压器分离的焊钳，30～45kg负载的机器人就足够了。但是，这种焊钳一方面由于二次电缆线长，电能损耗大，也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接；另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动，电缆的损坏较快。因此，目前逐渐增多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接，一般都选用100～150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。新的重型机器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能，微机的运算速度和算法都提出更高的要求。 （2）点焊机器人的焊接装备 点焊机器人的焊接装备，由于采用了一体化焊钳，焊接变压器装在焊钳后面，所以变压器必须尽量小型化。对于容量较小的变压器可以用50Hz工频交流，而对于容量较大的变压器，已经开始采用逆变技术把50Hz工频交流变为600～700Hz交流，使变压器的体积减少、减轻。变压后可以直接用600～700Hz交流电焊接，也可以再进行二次整流，用直流电焊接。焊接参数由定时器调节，参见图1b。新型定时器已经微机化，因此机器人控制柜可以直接控制定时器，无需另配接口。点焊机器人的焊钳，通常用气动的焊钳，气动焊钳两个电极之间的开口度一般只有两级冲程。而且电极压力一旦调定后是不能随意变化的。近年来出现一种新的电伺服点焊钳，如图4所示。焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，码盘反馈，使这种焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置。而且电极间的压紧力也可以无级调节。这种新的电伺服点焊钳具有如下优点： 1）每个焊点的焊接周期可大幅度降低，因为焊钳的张开程度是由机器人精确控制的，机器人在点与点之间的移动过程、焊钳就可以开始闭合；而焊完一点后，焊钳一边张开，机器人就可以一边位移，不必等机器人到位后焊钳才闭会或焊钳完全张开后机器人再移动； 2）焊钳张开度可以根据工件的情况任意调整，只要不发生碰撞或干涉尽可能减少张开度，以节省焊钳开度，以节省焊钳开合所占的时间。 3）焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，减少撞击变形和噪声。弧焊机器人的特点 （1）弧焊机器人的基本功能 弧焊过程比点焊过程要复杂得多，工具中心点（TCP），也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。所以，弧焊用机器人除了前面所述的一般功能外，还必须具备一些适合弧焊要求的功能。 虽然从理论上讲，有5个轴的机器人就可以用于电弧焊，但是对复杂形状的焊缝，用5个轴的机器人会有困难。因此，除非焊缝比较简单，否则应尽量选用6轴机器人。 弧焊机器人除前面图2提及的在作“之”字形拐角焊或小直径圆焊缝焊接时，其轨迹应能贴近示教的轨迹之外，还应具备不同摆动样式的软件功能，供编程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，机器人也应自动停止向前运动，以满足工艺要求。此外，还应有接触寻位、自动寻找焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。 （2）弧焊机器人用的焊接设备 弧焊机器人多采用气体保护焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等的焊接电源都可以装到机器人上作电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口。近年来，国外机器人生产厂都有自己特定的配套焊接设备，这些焊接设备内已经播人相应的接口板、所以在图1a中的弧焊机器人系统中并没有附加接口箱。应该指出，在弧焊机器人工作周期中电弧时间所占的比例较大，因此在选择焊接电源时，一般应按持续率100％来确定电源的容量。 送丝机构可以装在机器人的上臂上，也可以放在机器人之外，前者焊枪到送丝机之间的软管较短，有利于保持送丝的稳定性，而后者软管校长，当机器人把焊枪送到某些位置，使软管处于多弯曲状态，会严重影响送丝的质量。所以送丝机的安装方式一定要考虑保证送丝稳定性的问题。焊接机器人的应用 1. 焊接机器人工作站（单元） 如果工件在整个焊接过程中无需变位，就可以用夹具把工件定位在工作台面上，这种系统既是最简单不过的了。但在实际生产中，更多的工件在焊接时需要变位，使焊缝处在较好的位置（姿态）下焊接。对于这种情况，变位机与机器人可以是分别运动，即变位机变位后机器人再焊接；也可以是同时运动，即变位机一边变位，机器人一边焊接，也就是常说的变位机与机器人协调运动。这时变位机的运动及机器人的运动复合，使焊枪相对于工件的运动既能满足焊缝轨迹又能满足焊接速度及焊枪姿态的要求。实际上这时变位机的轴已成为机器人的组成部分，这种焊接机器人系统可以多达7-20个轴，或更多。最新的机器人控制柜可以是两台机器人的组合作12个轴协调运动。其中一台是焊接机器人、另一台是搬运机器人作变位机用。 对焊接机器人工作站进一步细分，可得以下四种： 1.1 箱体焊接机器人工作站是专门针对箱柜行业中，生产量大，焊接质量及尺寸要求高的箱体焊接开发的机器人工作站专用装备。 箱体焊接机器人工作站由弧焊机器人、焊接电源、焊枪送丝机构、回转双工位变位机、工装夹具和控制系统组成。该工作站适用于各式箱体类工件的焊接，在同一工作站内通过使用不停的夹具可实现多品种的箱体自动焊接，焊接的相对位置高。由于采用双工位变位机，焊接的同时，其他工位可拆装工件，极大的提高了焊接效率。由于采用了MIG脉冲过渡或CMT冷金属过渡焊接工艺方式进行焊接，使焊接过程中热输入量大大减少，保证产品焊接后不变形，通过调整焊接规范和机器人焊接姿态，保证产品焊缝质量好，焊缝美观，特别对于密封性要求高的不锈钢气室，焊接后保证气室气体不泄露。通过设置控制系统中的品种选择参数并更换工作夹具，可实现多个品种箱体的自动焊接。 用不同工作范围的弧焊机器人和相应尺寸的变位机，工作站可以满足焊缝长度在2000mm左右的各类箱体的焊接要求。焊接速度3－10mm/s，根据箱体基本材料，焊接工艺采用不同类型的气体保护焊。该工作站还广泛用于电力、电气、机械、汽车等行业。 1.2 不锈钢气室机器人柔性激光焊接加工设备是针对不锈钢焊接变形量比较大，密封性要求高的箱体类工件焊接开发的的柔性机器人激光焊接加工设备。 该加工设备是由机器人、激光发生器机组、水冷却机组、激光扫描跟踪系统、柔性变位机、工装夹具、安全护栏、吸尘装置和控制系统等组成，通过设置控制系统中的品种选择参数并更换工装夹具，可实现多个品种的不锈钢气室类工件的自动焊接。 1.3 轴类焊接机器人工作站是专门针对低压电器行业中万能式断路器中的转轴焊接开发的专用设备，推出了一套专用的转轴焊接机器人工作站。 轴类焊接机器人工作站由弧焊机器人、焊接电源、焊枪送丝机构、回转双工位变位机、工装夹具和控制系统组成。该工作站用于以转轴为基体（上置若干悬臂）的各类工件的焊接，在同一工作站内通过使用不同的夹具可实现多品种的转轴自动焊接。焊接的现对位置精度很高。由于采用双工位变位机，焊接的同时，其他工位可拆装工件，极大的提高了效率。 技术指标：转轴直径：Ф10－50mm，长度300－900mm，焊接速度3－5mm/s，焊接工艺采用MAG混合气体保护焊，变位机回转，变位精度达0.05mm。 广泛应用于高质量、高精度的以转轴的各类工件焊接，适用于电力、电气、机械、汽车等行业。如果采用手工电弧焊进行转轴焊接，工人劳动强度极大，产品的一致性差，生产效率低，仅为2－3件/小时。采用自动焊接工作站后，产量可达到15－20件/小时，焊接质量和产品的一致性也大幅度的提高。 轴类焊接机器人工作站 低压电器转轴 1.4 机器人焊接螺柱工作站 机器人焊接螺柱工作站针对复杂零件上具有不同规格螺柱采用机器人将螺柱焊接到工件上。该工作站主要由机器人、螺柱焊接电源、自动送钉机、机器人自动螺柱焊枪、变位机、工装夹具、自动换枪装置、自动检测软件、控制系统和安全护栏等组成，通过自动送钉机将螺柱送到机器人自动焊枪里面，通过编程将机器人在工件上示教的路径，将不同规格的螺柱焊接到工件上。可以采用储能焊接或拉弧焊接将螺柱牢牢的焊接到工件上，保证焊接精度和焊接强度。焊接效率大约3-10个/分钟，螺柱规格：直径3-8mm，长度：5-40mm。 2. 焊接机器人生产线 焊接机器人生产线比较简单的是把多台工作站（单元）用工件输送线连接起来组成一条生产线。这种生产线仍然保持单站的特点，即每个站只能用选定的工件夹具及焊接机器人的程序来焊接预定的工件，在更改夹具及程序之前的一段时间内，这条线是不能焊其他工件的。 另一种是焊接柔性生产线（FMS-W）。柔性线也是由多个站组成，不同的是被焊工件都装卡在统一形式的托盘上，而托盘可以与线上任何一个站的变位机相配合并被自动卡紧。焊接机器人系统首先对托盘的编号或工件进行识别，自动调出焊接这种工件的程序进行焊接。这样每一个站无需作任何调整就可以焊接不同的工件。焊接柔性线一般有一个轨道子母车，子母车可以自动将点固好的工件从存放工位取出，再送到有空位的焊接机器人工作站的变位机上。也可以从工作站上把焊好的工件取下，送到成品件流出位置。整个柔性焊接生产线由一台调度计算机控制。因此，只要白天装配好足够多的工件，并放到存放工位上，夜间就可以实现无人或少人生产了。 工厂选用哪种自动化焊接生产形式，必须根据工厂的实际情况及素要而定。焊接专机适合批量大，改型慢的产品，而且工件的焊缝数量较少、较长，形状规矩（直线、圆形）的情况；焊接机器人系统一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂。柔性焊接线特别适合产品品种多，每批数量又很少的情况，目前国外企业正在大力推广无（少）库存，按订单生产（JIT）的管理方式，在这种情况下采用柔性焊接线是比较合适的。焊接机器人在汽车生产中应用 焊接机器人目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。丰田公司已决定将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。用这种技术可以提高焊接质量，因而甚至试图用它来代替某些弧焊作业。在短距离内的运动时间也大为缩短。该公司最近推出一种高度低的点焊机器人，用它来焊接车体下部零件。这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以MIG焊接工艺为主的受力安全零件，主要构件采用冲压焊接，板厚平均为1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。

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