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兰州工业学院毕业设计(论文)题目Q235钢的焊接性分析及焊接工艺评定系别材料工程学院专业焊接技术及自动化班级焊接11-2姓名学号指导教师(职称)日期2014年3月目录TOC\o1-3\h\z\u摘要1Abstract2第一章绪论
31.1碳钢简述
31.2Q235钢的化学成分分析
41.3Q235的机械性能
41.4本次设计实验技术路线图5第二章Q235钢板的焊接
62.1板材厚度的选择
62.2焊接材料的选择
62.3焊接方法和焊接设备的选定
62.4焊焊前准备
72.
4.1焊接接头形式及坡口准备
72.
4.2工件共建表面的清理
72.5焊接工艺参数的制定
82.
5.1焊条直径
82.
5.2焊接电流
82.
5.3焊接电压
92.
5.4焊接层数
92.6焊接及焊后热处理
102.
6.1防止裂纹的产生
102.
6.2结晶裂纹的产生原因
112.
6.3冷裂纹的防止措施
122.
6.4严格控制氢的来源
122.7焊后热处理
132.8焊接时应注意的要点13第三章Q235金属试样的制备
153.1取样
153.2粗磨
153.3细磨
163.
3.1手工磨
163.
3.2机械磨
173.4抛光
173.5浸蚀19第四章试样组织观察及分析
204.1焊接接头组织
204.2试样的观察
204.3试样的分析21结论25参考文献26致谢27外文文献及译文28兰州工业学院毕业设计(论文)任务书材料工程系2014届焊接技术及自动化专业毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)题目金属材料焊接工艺评定课题内容性质科学研究课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题实验校内(外)指导教师职称工作单位及部门联系方式王明旭教授材料工程院2867483
一、题目说明(目的和意义)毕业设计是本专业教学过程的最后一个重要环节,也是培养学生分析问题和解决问题能力的主要方法,通过毕业设计,要求学生全面综合运用所学基本理论,基本技能和生产实践知识;学习系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领,巩固和加深对所学知识的理解,并且通过毕业设计的实践扩大和补充知识,使认识提高到一个新的水平通过毕业设计的实践,培养调查研究的习惯和工作能力,练习查阅资料和有关标准,查阅工具书或参考书,合理选择实验方法、实验设备,正确操作、分析,并能以实验分析过程和毕业论文表达设计的思想和结果通过毕业设计,不但要提高解决具体问题的独立工作能力,而且应建立正确的设计和科研思想,加强思想性,牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度
二、设计(论文)要求(工作量、内容)
1、总要求要求每个学生根据给定的毕业设计题目独立完成焊材制备,焊接材料、方法及设备的选择,焊接操作,金相试样的制备、腐蚀、观察与图片收集,焊缝形状、质量、力学性能的测试等实验工作量,根据文献及相关的理论知识对实验结果进行分析总结,并得出结论根据结论可进行相应的补充实验,完成毕业设计论文一份,毕业设计完成后进行答辩
2、给定的条件和要求实验设备类型、种类齐全;实验药品齐全;查阅文献,明确毕业设计的意义及目的;严格按照标准及操作规程进行实验
3、确定总体方案分析国内外金属材料焊接的发展和趋势,了解毕业设计任务书给定的条件和用途,可到工厂进行调研、了解焊接结构制造的经验,进行毕业设计可行性分析和论证,最后确定总体方案,并编制技术路线图注技术路线图在论文中要以图表形式出现
4、具体要求
(1)明确所用金属材料的分类及应用
(2)明确所用金属材料的化学成分、力学性能、显微组织等
(3)分析所用金属材料的焊接性各种裂纹、脆化及软化产生的可能性,
(4)明确所用金属材料的焊接工艺要点1)焊接方法及设备
①确定与母材相对应的焊接方法种类及选择依据根据母材的种类(碳钢、合金钢、不锈钢、有色金属等)选择相应的焊接方法(焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊、熔化极氩弧焊、TIG焊等)
②明确所选焊接方法的原理、特点及应用
③明确与焊接方法对应的焊接设备的特点、设备组成及作用根据焊接方法选择相应型号的焊接设备并记录设备型号,并对焊接设备能进行较熟练的操作,对同一种类的焊接设备可采用不同型号进行试焊,对焊缝成形的结果进行比较以确定最佳的焊接设备2)焊接参数的选择
①明确焊接参数对该材料焊接后形成的焊缝的影响,焊接参数主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接电流的种类及极性、焊条及焊丝直径、焊丝伸出长度等
②明确焊接参数的选择方法及依据a.接头的钢材种类与板厚b.焊缝的种类(纵缝、环缝)和焊缝的位置(平焊、横焊、立焊)c.接头的形式(对接、角接、搭接)和坡口的形式(Y形X形U形坡口等)d.焊条或焊丝的种类、型号及直径e.保护气体(CO
2、Ar等)
③焊接热输入(选择依据)
④预热和焊后热处理(如何选择)3)焊接材料的选择
①阐述焊接材料的选择原则
②该题目中对应焊接材料的组成、性质及要求根据题目中规定母材的种类(碳钢、合金钢、不锈钢、有色金属等)选择相应的焊接材料(焊条、焊丝、焊剂、保护气体等)4)阐述可能出现的缺陷及防止措施焊接缺陷如气孔、裂纹、咬边、未熔合等
(5)根据选择的焊接工艺参数施焊1)材料准备
①母材及焊接材料的采购
②母材的尺寸确定、坡口设计、画线、下料等(参考国标)
③母材的焊前清理、打磨
④焊缝位置的选择(尽可能平焊)
⑤焊接材料的处理焊条要进行烘干等2)做好安全防护工作,严格按照操作规程施焊3)待焊缝冷却后对焊缝的成形做出相应的评价,并对焊接参数值及对应的结果进行记录4)变化焊接参数,继续施焊、记录,直到焊缝形状达到要求为止
(6)通过实验,将几次的焊接参数进行对比1)金相试样的制备及观察
①待试样完全冷却后选择焊缝的相应位置截取试样,将毛边磨去做好金相试样制备的准备;
②熟练掌握金相制备的方法,能够熟练操作金相磨制设备,配置相应的腐蚀液,掌握金相腐蚀的技巧;
③熟练操作金相显微镜,能够借助金相显微镜判断金相试样的磨制、腐蚀程度,并能运用金相显微镜拍摄金相照片,并能进行相应的分析2)力学性能测试能够根据国家标准制定试样尺寸,可对试样进行硬度测量,其中按同一种方法焊接出来的焊缝的试样数量为3个,取平均值
(7)实验结果分析根据以上实验过程结果进行判断、分析,能够判断出金相组织的种类、力学性能的好坏,并分析可能的影响因素,得出最佳的焊接参数
(8)编制焊接工艺设计书(焊前)、焊接工艺评定报告(焊后)、加工工艺过程卡(焊后)要求按正规的焊接工艺设计书、焊接工艺评定报告及加工工艺过程卡的格式进行编制,共3份,装订在毕业设计论文内容的相应位置
(9)毕业论文一份,外文翻译一篇,幅面大小为A4,全部由计算机打印
5、撰写毕业设计论文包括内容封面、任务书、摘要、目录、论文正文、总结论、致谢、参考文献、英文翻译(原文+中文翻译)等应阐述整个毕业设计内容,要突出重点和特色,图文并茂,文字通畅毕业论文的页数不少于20页(20页内不含英文翻译,幅面大小为A4,全部由计算机打印)
6、试样的要求实验试样要符合相应国家标准
7、论文撰写格式、装订顺序及要求依毕业设计(论文)规范
三、进度表日期内容1周
3.5周
1.5周毕业设计共6周,安排如下
1、文献查阅及方案论证1周
(1)调查研究、搜集和查阅资料(
0.5周)
(2)总体设计方案的拟定和论证(
0.5周)
2、实验过程
3.5周
(1)实验前期准备(
0.5周)
(2)试样制备(
0.5周)
(3)实验操作、实验记录(2周)
(6)结果分析并得出结论(
0.5周)
3、撰写毕业设计论文
1.5周完成日期
2014.
1.17答辩日期
2014.
3.3~
2014.
3.14
四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量
[1]王宗杰.熔焊方法及设备.北京机械工业出版社,2007年11月.
[2]英若采.熔焊原理及金属材料焊接.北京机械工业出版社,2009年12月.
[3]邓洪军.焊接结构生产.北京机械工业出版社,2012年1月.
[4]英若采.熔焊原理及金属材料焊接.北京机械工业出版社,2009年12月.
[5]刘世荣.金属学与热处理.北京机械工业出版社,1997年6月.
[6]丁德全.金属工艺学.北京机械工业出版社,2008年4月.
[7]杨应龙.17MnNiVNbRe钢焊接性能研究.压力容器,1997,
4.
[8]胡义祥.金相检验实用技术.北京机械工业出版社,2012年6月.
[9]机械工业理化检测人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验.北京中国计量出版社,2011年3月.
[10]杨立军.材料连接设备及工艺.北京机械工业出版社,2009年1月.
[11]宗培言.焊接结构制造技术与装备.北京机械工业出版社,2010年1月.
[12]周浩僧.焊接结构生产及装备.北京机械工业出版社,2008年8月.
[13]贾安东.焊接结构与生产.北京机械工业出版社,2010年1月.
[14]熊腊森.焊接工程基础.北京机械工业出版社,2011年7月.
[15]张文钺.焊接冶金学.北京机械工业出版社,2008年6月.
[16]李亚江.焊接冶金学——材料焊接性.北京机械工业出版社,2010年10月.
[17]方洪渊.焊接结构.北京机械工业出版社,2010年9月.
[18]陈裕川.焊接工艺设计与实例分析.北京机械工业出版社,2010年1月.
[19]伍玉娇.金属材料学.北京北京大学出版社,2011年8月.
[20]付华,张光磊.材料性能学.北京北京大学出版社,2010年9月.
[21]覃耀春.金属学与热处理.北京机械工业出版社,2011年6月.
[22]胡义祥.周玉.北京机械工业出版社,2011年6月.指导教师签字教研室主任签字主管系领导签字年月日年月日年月日注本任务书要求一式两份,一份系部留存,一份报教务处实践教学科摘要Q235低碳钢在现代工业上应用十分广泛,本文主要针对Q235低碳钢板材的焊接工艺进行设计,通过经济和操作性两个方面的考虑,选用手工电弧焊进行焊接,焊接后变形小,缺陷少,焊接质量良好,当然最重要的是焊接工艺参数设计正确本实验选用J422焊条在10mm厚的Q235钢板上以不同焊接电流80A、120A和160A下进行焊接,焊接层数为两层试验结果表明随焊接电流变大,焊接的引弧性、稳定性、脱渣性及焊缝成形都逐渐变好此外观查到的组织随焊接电流的变大,焊缝区、熔合区、和热影响区组织晶粒逐渐粗化通过实验得出焊接电流在120A下Q235钢具有较高的可塑性,焊接过程中不易产生裂纹,焊接性较好总的来说设计思路正确,构思明确关键词低碳钢;手工电弧焊;焊接接头;焊接质量AbstractQ235iswidelyusedinlowcarbonsteelinmodernindustrythispapermainlydesignedfortheweldingprocessofQ235lowcarbonsteelplatethetwoeconomicandoperationalconsiderationsthemanualarcweldingweldingdeformationsmalllessdefectsweldingqualityisgoodofcoursethemostimportantisthedesignofweldingparameterscorrectly.TheselectionofJ422electrodeinQ235thick10mmsteelplateindifferentweldingcurrent80A120Aand160Aweldingweldinglayeristwo.Thetestresultsshowthat:withtheweldingcurrentincreasesarcstabilitywelddetachabilityandgraduallybecomegoodwelding.Thisappearancechecktotheorganizationwiththeweldingcurrentincreasestheweldzonethefusionzoneandheataffectedzonemicrostructuregraduallycoarsening.Theweldingcurrentin120AplasticityofQ235steelhashighnoteasytocrackintheweldingprocesstheweldingisgoodingeneraltherightdesignideasideasclearly.Keywords: lowcarbonsteel; manualarcwelding;weldedjoints; weldingquality第1章绪论
1.1碳钢简述在钢铁领域,最早泛用的是碳素钢(简称碳钢)碳素钢是指含铁,碳和为了生产技术所需要的正常数量的硅[w(si)
0.5%]锰[wmn
0.8%]以及不可避免的磷和硫等杂质元素的钢碳素结构钢在1988年以前称为普通碳素结构钢,并分类为甲类钢;乙类钢;特类钢三类GB/T700-188国家标准制定时,分等级采用国际标准ISO6301980«结构钢»,对普通碳素结构钢体系进行了改革,以钢的屈服强度表示钢的牌号,并按钢中磷,硫含量高低分质量等级改名为碳素结构钢,标准中有Q195,Q215,Q235,Q255,Q275共五个牌号,牌号中字母Q代表钢的屈服强度,其后数值代表了钢的强度值(mpa)碳钢按碳量划分为1)低碳钢
0.0218%<C<
0.25%主要用在冷加工和焊接机构2)中碳钢
0.25%≤C≤
0.60%主要用于强度较高的构件和机器零件,根据钢的焊接性分析及焊接工艺评定不同强度进行淬火和回火处理3高碳钢
0.6%<C<
2.11%主要用来制造弹簧,工具及耐磨损构件,此类钢一般不做为焊接结构用钢碳素结构钢-普板是一种钢材的材质,在板材里,是最普通的材质,属普板系列过去的一种叫法为A3执行标准外部标准为GB709,内部标准为GB3274-88由于低碳钢含碳量低,锰、硅含量也少,所以,通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好,焊接时,一般不需预热、控制层间温度和后热,焊后也不必采用热处理改善组织,整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施,焊接性优良但在少数情况下,焊接时也会出现困难1采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高,杂质含量多,从而冷脆性大,时效敏感性增加,焊接接头质量降低,焊接性变差2沸腾钢脱氧不完全,含氧量较高,P等杂质分布不均,局部地区含量会超标,时效敏感性及冷脆敏感性大,热裂纹倾向也增大3采用质量不符合要求的焊条,使焊缝金属中的碳、硫含量过高,会导致产生裂纹如某厂采用酸性焊条焊接Q235-A钢时,因焊条药皮中锰铁的含碳量过高,会引起焊缝产生热裂纹4某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量如电渣焊,由于线能量大,会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大,引起冲击韧度的严重下降,焊后必需进行细化晶粒的正火处理,以提高冲击韧度
1.2Q235钢的化学成分分析Q代表的是这种材质的屈服,后面的235,就是指这种材质的屈服值,在235左右并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小Q235A,Q235B,Q235C,Q235D这是等级的区分,所代表的,主要是冲击的温度有所不同而已A,B,C,D,所不同的,指的是它们性能中冲击温度的不同分别为Q235A级,是不做冲击;Q235B级,是20度常温冲击;Q235C级,是0度冲击;Q235D级,是-20度冲击在不同的冲击温度,冲击的数值也有所不同,元素含量A、B、C、D硫含量依次递减;A和B的磷含量相同,C的磷含量次之,D磷含量最少Q235分A、B、C、D四级GB700-88Q235A级含C
0.14-
0.22%Mn
0.30~
0.65Si≤
0.30S≤
0.050P≤
0.045Q235B级含C
0.12-
0.20%Mn
0.30~
0.670Si≤
0.30S≤
0.045P≤
0.045Q235C级含C≤
0.18%Mn
0.35~
0.80Si≤
0.30S≤
0.040P≤
0.040Q235D级含C≤
0.17%Mn
0.35~
0.80Si≤
0.35S≤
0.040P≤
0.035就其脱氧方法而言,可以采用Fbz分别表示为沸腾钢、平镇静钢、镇静钢沸腾钢是脱氧不完全的钢,塑性和韧性较差用这种材料制成的焊接结构,受动力载荷作用时接头容易出现裂缝不宜在低温下工作,有时会产生硬化现象相比之下,镇静钢质优而匀,塑性和韧性都好
1.3Q235的机械性能抗拉强度(σb/MPa)375-500 伸长率(δ5/%) ≧26(a≦16mm) ≧25(a16-40mm) ≧24(a40-60mm) ≧23(a60-100mm) ≧22(a100-150mm) ≧21(a150mm) 其中a为钢材厚度或直径
1.4本次设计实验技术路线图第2章Q235钢板的焊接
2.1板材厚度的选择在设计的过程中办学板材的厚度不能厚,也不能太薄,必须符合现在工业的的大众需求,和现代工业相接轨,所以在这片论文设计中我选用板材厚度为10mm厚的钢板
2.2焊接材料的选择电焊条就是在金属丝(即焊芯)表面涂有适当药皮的手工电弧焊用的融化电极电焊条的选用原则1考虑工件的物理,力学性能和化学成分2考虑工件的工作条件和使用性能3考虑工件的复杂成度,刚度大小,焊接坡口和焊接部位等4考虑经济性和实用性根据以上原则,焊接过程中选用J422焊条焊条使用前应烘干,酸性焊条烘干温度为15~200℃,保温1-2h,在焊接锅炉,压力容器时,烘干后的焊条必须放在保温筒内,随用随取,焊条冷至室温四小时后,必须重新烘干,焊条重复烘干次数不得超过2次
2.3焊接方法和焊接设备的选定低碳钢的焊接性能好,焊接工艺容量大,常用的焊接方法有焊条电弧焊,二氧化碳气体保护焊,埋弧焊及电渣焊等,焊接时依焊件强度等级及工作环境来选择焊接材料在选择焊接方法的过程中,不仅要考虑焊接的性能,还要考虑考虑成本价值,焊接的环境及它的可操作性,综上所述,焊接Q235低碳钢手工电弧焊最为适合,现有焊机ZX7-400N直流弧焊机可供试用图2-1焊机ZX7-400N
2.4焊焊前准备
2.
4.1焊接接头形式及坡口准备焊条电弧焊时,由于焊件结构形状,厚度不同,以及对质量的要求不同,其接头形式及坡口要求也不相同,采用焊条电弧焊焊接低碳钢时,由于熔深较浅,6mm以上钢板对接,需要开v型坡口,或双v型坡口,坡口边缘的加工方法有剪切,刨边,车削,铲削,氧乙炔焰切削,碳弧气刨等方法,应根据母材,焊接接头的质量要求及工厂的加工条件来应用我们选用的钢板厚度为10mm,为方便焊后检验,我们选用对接的焊接方式,钢板两侧开30°坡口,采用车削的方式完成,如图图2-2焊接接头的坡口形式
2.
4.2工件共建表面的清理已加工好的坡口及其边缘两侧不小于10mm范围内的油污,铁锈,水分等杂物应清除干净,直至露出金属光泽
2.5焊接工艺参数的制定
2.
5.1焊条直径选择焊接直径时,主要考虑焊件厚度,接头形式,焊缝位置,焊缝层数及允许的热输入等,一般在厚壁焊件的封底焊缝,小口径管对接焊缝和薄板的焊接时应采用Ф
2.5~Ф
3.2mm焊条,其余可采用Ф4~Ф5mm焊条,立焊,仰焊和其他难焊位置焊接时,可采用Ф
3.2~Ф4mm的焊条对根部不要求完全均匀焊透的不开坡口的角接,T型接头,搭接焊缝和背面清除根部封底焊的对接焊缝,其焊条直径见表2-1所示表2-1焊条直径焊件直径焊条直径≤4不超过焊件厚度4~
123.0~
4.012≥
4.0根据以上原则,此次设计焊接过程中我们选用焊条直径为Ф
3.2mm焊条
2.
5.2焊接电流焊接电流只要根据焊条直径和焊接位置来选择,在平焊位置焊接时,可根据下列经验公式选用电流I=Kd式中I-焊接电流(A)d=焊条直径(mm)K=经验因数通常取30~50一般情况下增加电流能增加熔深,提高生产率,但电流过易已造成咬边和严重飞溅,因此应根据施工条件确定电流大小例如环境温度降低时施焊,热能损失大,需加大电流,T型接头或十字接头传热方向多,施焊时电流应比对接接头时大,焊件厚度大时,电流也应相应增加,反之焊接薄板,在立焊,横焊,仰焊位置施焊,则电流应该相应的减小表2-2焊接电流焊条牌号焊接位置焊条直径mm
2.
02.
53.
24.
05.
06.0J422平焊40-7065-90100-140150-210200-260260-320立焊仰焊35-6850-8580-130120-170150-210根据以上原则,此次设计焊接过程中我们选用焊接电流分别为80A、120A、160A三种不同电流进行对比焊接
2.
5.3焊接电压焊接电压对熔深的影响很小,主要影响熔宽,随着焊接电压的增大,熔宽增大,而熔深及余高略有减小,为保证电弧的稳定燃烧及合适的焊缝成型系数,焊接电压与焊接电流保持适当的关系,焊接电流增大时,应适当提高焊接电压,于每一焊接电流对应的焊接电压的变化范围不超过10V焊接电压除对焊缝成型系数有影响外,还会改变熔敷金属的化学成分当焊接电压增加时,焊剂的熔深量增加,熔渣和液化金属的比值增大,过度到熔敷金属中的合金含量所增加在这里的焊接电压为22-26V
2.
5.4焊接层数采用焊条电弧焊焊接中厚板是,应采用多层焊,对于低碳钢,焊接层数的多少对接头质量影响不大,但层数过少,每层厚度较大,则会降低焊缝金属的塑性,易产生缺陷,因此一般按下式选择焊接层数n=∮/d式中n=焊接层数(取整数值)∮=焊件厚度(mm)d=焊条直径(mm)在这里的焊接层数为两层图2-3焊缝宏观形貌
2.
5.5焊接速度焊接速度提高时热输入量减少,使熔深、熔宽有所降低,余高也减少焊速太快,会造成咬边、未熔合;焊速太慢,会造成漫溢焊接速度的高低是焊接生产率高低的重要指标之一从提高焊接生产率考虑,措施之一是提高焊速要保证给定的焊缝尺寸,则在提高焊接速度时要相应地提高焊接电流和焊接电压,这三个量是相互联系的大功率电弧高速焊时,强大的电弧力把熔池金属猛烈地排到尾部,并在那里迅速凝固,熔池金属没有均匀分布在整个焊缝宽度上,形成咬边这种现象限制了焊速的提高,采用双丝焊或多弧焊可进一步提高焊速,并可防止上述相象的产生 同时为了避免焊接速度不同给实验结果带来影响,我们组尽量把速度控制在同一速度内
2.6焊接及焊后热处理
2.
6.1防止裂纹的产生在焊接应力及其它致脆因素共同作用下,焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙,叫做焊接裂纹它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征裂纹是危害最严重的焊接缺陷这主要是因为裂纹两端的缺口效应造成了严重的应力集中,很容易扩展而形成宏观开裂或整体断裂因此,在焊接生产中,裂纹一般是不允许存在的所以要严格控制产生裂纹的因素,以保证较好的焊接质量焊接裂纹的分类
1.焊接热裂纹在焊接过程中,焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹,叫做焊接热裂纹
2.焊接冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下(相对钢来说在Ms温度以下)时产生的裂纹,叫做冷裂纹
3.消除应力裂纹焊件焊后在一定温度范围再次加热时,由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹,叫做消除应力裂纹
4.层状撕裂层状撕裂是指焊接时,在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹Q235低碳钢焊接时,塑形比较好,但操作不当时易产生冷裂纹与焊接热裂纹
2.
6.2结晶裂纹的产生原因焊缝金属在结晶后期出现开裂,原因来自于两方面焊缝金属在结晶后期抗裂能力(以伸长率δ代表)下降和拉伸应变的形成结晶裂纹的产生式由于在焊缝凝固后期存在了液态薄膜,并受拉应力的作用的结果当ε<δmin时不会开裂;ε=δmin时处于临界状态;只有ε>δmin时才会产生裂纹图2-3中的曲线
1、
2、3分别表示上述三种情况防止结晶裂纹的措施主要从冶金和工艺两方面着手,其中冶金措施更为重要1)控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量2)调整熔渣的碱度焊接熔渣的碱度越高,熔池中脱硫、脱氧越完全3)调整焊接参数已得到抗裂能力较强的焊缝成形系数4)调整冷却速度冷速越高变形增长率越大,结晶裂纹倾向也越大5)调整焊接顺序降低拘束应力接头刚性越大,焊缝金属冷却收缩时受到的拘束应力也越大
2.
6.3冷裂纹的防止措施冷裂纹产生的主要因素一是钢中含有的磷杂质以Fe2P和Fe3P的形式存在,Fe3P能与铁形成低熔点共晶,聚集于晶界消弱晶粒建的结合力,使钢在低温或常温下变脆,造成冷裂纹;二是焊接过程中由于化学反应,空气或水的分解等因素,焊缝中溶解了一定量的氢,氢能向焊缝缺陷出流动富集形成氢脆,甚至形成“氢至延迟裂纹”这是冷裂纹中最严重也是最危险的问题;三是焊缝中存在氮、氧原子或化合物也能使金属变脆,引起冷裂纹;四是淬火倾向大的钢或厚板刚性大的焊接由于没有采取预热或缓冷的措施,冷却速度快造成较大的内应力和焊接残余应力,这个应力超过了材料所能承受的力就会产生裂纹
2.
6.4严格控制氢的来源氢是形成冷裂纹的一个重要因素,在形成冷裂纹的过程中的作用于其溶解度和扩散规律有关由于氢在金属各相中的溶解度不同,其就以过饱和的形式残留于马氏体或贝氏体中,并扩散到应力中或晶格缺陷处结合成分子,形成较高的局部应力,再加上热应力、组织应力的共同作用就可能造成开裂图2-4延迟断裂时间与应力的关系氢致裂纹的延迟,氢逐渐向开裂部位扩散集中,结合成分子并形成一定的压力的过程焊缝中氢的平均浓度越高,则迁移的氢数量越多,迁移速度也越高综上所述氢是形成冷裂纹以及断裂的重要因素,因此,从焊接材料、焊接方法以及工艺等方面严格控制氢的来源,选用低氢钠型、低氢钾型焊条,严格清理待焊处两侧20mm之内的油污等杂质对焊丝、焊条、焊剂在干燥条件下使用,焊丝彻底清理表面的油污等杂质,焊条依照工艺保证烘干(在严格的烘干温度与保温时间内)
2.7焊后热处理焊后进行不同的热处理,可以分别起到起到消除扩散氢、降低和消除残余应力、改善组织或降低硬度等作用焊后常用的热处理制度有消氢处理、消除应力退火、正火和淬火(或淬火+回火)在焊接过程中,由于加热和冷却的不均匀性,以及构件本身产生拘束或外加拘束,在焊接工作结束后,在构件中总会产生焊接应力焊接应力在构件中的存在,会降低焊接接头区的实际承载能力,产生塑性变形,严重时,还会导致构件的破坏因为低碳钢的可焊性良好,通常情况下不会因焊接而引起严重硬化组织和淬硬组织,但是如果用在重要的结构件时,要进行焊后热处理,如果经过热处理以后,接头的金相组织会得到改善,提高了焊接接头的塑性、韧性,从而改善了焊接接头的综合机械性能常用的方法有两种一是整体高温回火,即把焊件整体放入加热炉内,缓慢加热到一定温度,然后保温一段时间,最后在空气中或炉内冷却用这种方法可以消除80%-90%的焊接应力另一种方法是局部高温回火,即只对焊缝及其附近区域进行加热,然后缓慢冷却,降低焊接应力的峰值,使应力分布比较平缓,起到部分消除焊接应力的目的
2.8焊接时应注意的要点低碳钢焊接时一般不需采用特殊的工艺措施,但若在寒冷冬季施焊时,焊接接头冷却速度较快,裂纹倾向较大,尤其焊接厚板面焊缝,厚板多层焊角焊角焊缝或焊接多层焊缝中第一道及最后一道,裂纹倾向就更大,为避免裂纹的产生可采取以下措施1)焊前预热,焊接时保持层间温度2)采用低氢型焊接材料3)厚板单层角焊缝不得过小,表面缺陷的补焊应有正常焊缝尺寸,长度不能过短4)适当增加定位焊缝截面和长度,定位焊时要增大焊接电源,降低焊速,必要是还要预热5)焊接要连续,尽量避免中断,尤其多层焊应尽量连续焊完最后一层6)焊后适当注意缓冷,一般不需要消除应力和回火,但Q235B制作的压力容器,板厚大于34mm时,焊前应预热100℃以上,板厚大于38mm时,要进行消除应力处理,即将焊件均匀地加热到550℃~650℃保温一段时间后随后均匀地冷却至300℃~400℃,最后将焊件移出在炉外空冷第三章Q235金属试样的制备
3.1取样从需要检测的金属材料零件上截取试样称为取样取样的部位和磨面的选择必须根据分析要求而定截取方法有很多种对于软材料可以用锯、车、刨等方法;对于硬材料要用砂轮切割机或线切割机等切割方法;对于硬而脆的材料可以用锤击的方法无论用哪种方法都应注意,尽量避免和减轻因塑性变形或受热引起的组织失真现象试样的尺寸以磨面面积小于400㎜²、高度在15~20㎜之间为宜
3.2粗磨粗磨的目的主要有以下三点
1.修整有些试样,如用锤击法敲下来的试样,形状很不规则,必须经过粗磨修整为规则形状的试样
2.磨平无论用什么方法取样,切口往往不平整,为了将观察面磨平,同时去掉切割时产生的变形层,必须进行粗磨
3.倒角在不影响观察的前提下,需将试样上的棱角磨掉,以免划破砂纸和抛光织物黑色金属材料的粗磨在砂轮机上进行,具体操作方法是将试样牢牢的捏住,用砂轮的侧面磨制在试样与砂轮接触的一瞬间,尽量使磨面与砂轮面平行,用力不可过大由于磨削力的作用往往出现试样磨面的上半部分,其磨削量偏大,故需人为地进行调整,尽量加大试样下半部分的压力,以求整个磨面的均匀受力另外在磨制过程中,试样必须沿砂轮的径向往复缓慢移动,防止砂轮表面形成凹沟必须指出的是,磨削过程会使试样表面温度骤然升高,只有不断地将试样侵入水中冷却,才能防止组织发生变化砂轮机转速比较快,一般为2850r/min工作者不应站在砂轮的正前方,以防被飞出物击伤操作时严禁戴手套,以免手被卷入砂轮机有色金属,如铜、铝及其合金等,因材质很软,不可用砂轮而要用锉刀进行粗磨,以免磨屑填塞砂轮孔隙,且使试样产生较深的磨痕和严重的塑性变形层
3.3细磨粗磨后试样的磨面上仍有较粗较深的磨痕,为了消除这些磨痕必须进行细磨细磨分为手工磨和机械磨两种
3.
3.1手工磨手工磨是将砂纸铺在玻璃板上,左手按住砂纸,右手捏住试样在砂纸上作单向推磨金相砂纸由砂粒的粗到细分为很多种、其规格如下所示表3-1金相砂纸规格金相砂纸编号010203040506粒度序号M28M20M14M10M7M5砂粒尺寸(µm)28~2020~414~1010~77~55~
3.5用砂轮粗磨后的试样要依次由01号磨至05号(或06号)操作时必须注意
①加在试样上的力要均匀,使整个磨面都能磨到
②在同一张砂纸上磨痕方向要一致,并与前一道砂纸磨痕方向垂直待前一道砂纸的磨痕完全消失时才能换用下一道砂纸
③每次更换砂纸时,必须将试样、玻璃板清理干净,以防将粗砂粒带到细砂纸上
④磨制时不可用力过大,否则一方面因磨痕过深增加下一道磨制的困难,另一方面试样表面变形严重会影响组织真实性
⑤砂纸的砂粒变钝以后,磨削作用明显下降时,不宜继续使用,否则砂粒在金属表面产生滚压会使表面变形增加
⑥磨制铜、铝及其合金等软材料时,用力更要轻,可同时在砂纸上滴些煤油,以防脱落砂粒嵌入金属表面用金相砂纸手工磨制时是不能加水的,因为金相砂纸所以粘结剂溶于水但是在干磨过程中,脱落的砂粒和金属磨屑留在砂纸上,随着移动的试样来回滚动,砂粒间的相互挤压以及金属屑粘在砂粒缝隙中,都会使砂纸磨削寿命减短,试样表面层变形严重,摩擦生热还可以引起试样组织变化为了克服干磨的弊端,故发展了手工湿磨的方法,所用砂纸是水砂纸,其规格如下所示表3-2水砂纸规格水砂纸序号24030040050060080010001200粒度(µm)1602002803204006008001000用水砂纸手工磨制的操作方法和步骤与用金相砂纸磨制几乎完全一样,唯一不同的是将水砂纸置于水下边磨边冲,由粗到细依次更换数次,最后磨到1000或1200号砂纸因为水流不断地将脱落的砂粒、磨屑冲掉,故砂纸的磨削寿命较长实践表明,采用湿磨的方法,试样磨制速度快、质量高,有效地弥补了干磨的不足
3.
3.2机械磨目前,普遍使用的机械磨设备是预磨机电动机带动铺着水砂纸的圆盘转动,磨制时,将试样沿圆盘的径向来回移动,用力要均匀,边磨边用水冲水流既起到冷却试样的作用,又可以借离心力将脱落的砂粒、磨屑等不断地冲到转盘边缘机械磨的磨削速度比手工磨快得多,但平整度不够好,表面层变形也比较严重因此,要求较高或材质较软的试样应该采用手工磨制机械磨所用水砂纸规格与手工湿磨相同
3.4抛光抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕,得到光亮无痕的镜面抛光的方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种,其中最常用的是机械抛光机械抛光在抛光机上进行,将抛光织物(粗抛常用帆布,精抛常用毛呢)用水浸湿、铺平、绷紧并固定在抛光盘上启动开关使抛光盘逆时针转动,将适量的抛光液(氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液)滴洒在盘上即可进行抛光抛光时应注意以下几点
①试样沿盘的径向往返缓慢移动,同时逆抛光盘转向自转,待抛光结束时作短时定位轻抛
②在抛光过程中,要经常滴加适量的抛光液或清水,以保持抛光盘的湿度,如发现抛光盘过脏或带有粗大颗粒时,必须将其冲刷干净后再继续使用
③抛光时间应尽量缩短,不可过长,为满足这一要求可分粗抛和精抛两步进行
④抛有色金属(如铜、铝及其合金等)时,最号在抛光盘上涂少许肥皂或滴加适量的肥皂水机械抛光与细磨本质上都是借助磨料尖角锐利的刃部,切去试样表面隆起的部分抛光时,抛光织物纤维带动稀疏分布的极微细的磨料颗料产生磨削作用,将试样抛光目前,人造金刚石研磨膏(最常用的有W
0.
5、W
1.
0、W
1.
5、W
2.5和W
3.5五种规格的溶水性研磨膏)代替抛光液,正得到日益广泛的应用用极少的研磨膏均匀涂在抛光电解抛光,是以被抛工件为阳极,不溶性金属为阴极,两极同时浸入到电解槽中,通以直流电而产生有选择性的阳极溶解,从而达到工件表面光亮度增大的效果机械抛光在抛光机上进行,将抛光织物(粗抛常用帆布,精抛常用毛呢)用水浸湿、铺平、绷紧并固定在抛光盘上启动开关使抛光盘逆时针转动,将适量的抛光液(氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液)滴洒在盘上即可进行抛光抛光时应注意以下几点
①试样沿盘的径向往返缓慢移动,同时逆抛光盘转向自转,待抛光结束时作短时定位轻抛
②在抛光过程中,要经常滴加适量的抛光液或清水,以保持抛光盘的湿度,如发现抛光盘过脏或带有粗大颗粒时,必须将其冲刷干净后再继续使用
③抛光时间应尽量缩短,不可过长,为满足这一要求可分粗抛和精抛两步进行
④抛有色金属(如铜、铝及其合金等)时,最号在抛光盘上涂少许肥皂或滴加适量的肥皂水机械抛光与细磨本质上都是借助磨料尖角锐利的刃部,切去试样表面隆起的部分抛光时,抛光织物纤维带动稀疏分布的极微细的磨料颗料产生磨削作用,将试样抛光目前,人造金刚石研磨膏(最常用的有W
0.
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0、W
1.
5、W
2.5和W
3.5五种规格的溶水性研磨膏)代替抛光液,正得到日益广泛的应用用极少的研磨膏均匀涂在抛光织物上进行抛光,抛光速度快,质量也好
3.5浸蚀抛光后的试样在金相显微镜下观察,只能看到光亮的磨面,如果划痕、水迹,材料中的非金属夹杂物、石墨以及裂纹等也可以看出来,但是要分析金相组织还必须进行浸蚀浸蚀的方法有很多种,最长用的是化学浸蚀法,利用浸蚀剂对试样的化学溶解和电化学浸蚀作用将组织显露出来纯金属(或单相均匀固溶体)的侵蚀基本上为化学溶解过程位于晶界处的原子和晶粒内部原子相比,自由度较高,稳定性较差,故易受侵蚀形成凹沟晶粒内部被浸蚀程度较轻,大体上任保持原抛光平面在明场下观察,可以看到一个个晶粒被晶界(黑色网络)隔开化学浸蚀的方法虽然很简单,但是只有认真对待才能制备出高质量的试样将抛光后的试样用水冲洗,并同时用脱脂棉擦净磨面,然后用滤纸吸去磨面上过多的水,吹干后用显微镜检查磨面上是否有划痕、水迹等,同时证明未经过浸蚀的试样时无法分析组织的经检查合格的试样可以放在浸蚀剂中,抛光面朝上,不断观察表面颜色的变化,这是蚀法也可以用沾有浸蚀剂的棉花轻轻擦拭抛光面,观察表面颜色的变化,此为擦拭法待试样表面被浸蚀得略显灰暗时即刻取出,用流动水冲洗后在浸蚀面上滴些酒精,在用滤纸吸去过多的水和酒精,迅速用吹风机吹干,完成整个制备试样的过程如果试样浸蚀不足,可以重复浸蚀如果试样浸蚀过深,则必须重新进行磨光、抛光,在加以适当浸蚀浸蚀后的试样在显微镜下观察时,如果发现表面变形层严重影响组织的清晰度时,可采用反复抛光、浸蚀的办法去除变形层第4章试样组织观察及分析
4.1焊接接头组织 焊接接头由焊缝和焊接热影响区组成,焊接时母材热影响区上各点距离焊缝的远近不同所以各点所经历的焊接热循环不同,就会出现不同的组织,从而体现不同的性能,根据焊缝热影响区组织的不同可以大致分为四个区域熔合区、过热区、相变重结晶区、不完全相变区 熔合区附近,焊缝与母材不规则结合,形成了分界面,非自发晶核会依附在这个表面上以柱状晶的形态向焊缝中心生长,形成的柱状晶区在过热区金属处于过热状态,奥氏体经晶粒发生严重长大,冷却后会得到粗大的组织,导致硬度下降,相变重结晶区的金属由于发生重结晶,空气中冷却后会形成均匀细小的铁素体和珠光体组织,此区的塑性和韧性都比较好,不完全重结晶区只有一部分组织发生了相变重结晶过程,而始终未溶入奥氏体的铁素体,在加热时会发生长大,变成较粗大的铁素体组织,所以该区域金属的组织是不均匀的,晶粒大小不一,一部分是经过重结晶的晶粒细小的铁素体和珠光体,力学性能也不均匀
4.2试样的观察在金相显微镜(如图4-1)下观察焊接接头的晶相组织,具体操作如下 1)首先了解显微镜各个主要部件的作用及所有位置 2)打开显微镜开关 3)把试样分成几个有代表性区域同一区域下用先低倍(4×)物镜进行调试,即转动粗调手轮,将载物台将至最低位置,然后从目镜中观察的同时缓慢转动粗调手轮使载物台慢慢上升,待看到组织出现,即停止粗调进行微调,调至组织清晰为止 4)然后用高倍的物镜观察,轻轻转动物镜座,将所需物镜转到试样下方,再稍微调整即可清晰 5)调节孔径光栏至最佳位置,可提高映像的清晰度 6)寻找相应的组织区进行观察,并分别进行拍照存档 7试样不动,旋转物镜到10×、40×,重复以上
3、
4、
5、6的步骤8)移动试样换个区域,重复以上
3、
4、
5、
6、7的步骤a)b)图4-1金相显微镜
4.3试样的分析Q235组织包括铁素体和珠光体组织,其中暗色为珠光体组织,亮色为铁素体组织焊缝区受热严重,且了冷却速度快,可能生成粗大马氏体组织焊缝区组织主要有灰白色马氏体和黑色马氏体、粒状贝氏体组成下图4-3为焊接速度和焊接电压一定情况下,焊接电流在80A焊接下的金相组织a)母材80A200×b)焊缝80A200×c)熔合区80A200×d)热影响区80A200×图4-2焊接电流在80A下的金相组织图a)为Q235钢母材的组织图,块状多面体组织为铁素体,黑色多面体为珠光体,铁素体和珠光体较为均匀分布着图b)为焊缝区,晶粒比较小;在热影响区,组织的晶粒有所长大,显微组织变得粗大而分布呈现树枝状图c)为熔合区,由于焊缝与母材组织相近,熔合线只能从组织差异处依稀分辨出,图上方为焊缝,晶内为针状铁素体、粒状贝氏体及少量珠光体图下方为热影响区,晶内铁素体针状分布,并有粒状贝氏体、珠光体图d)为焊缝热影响区主要有铁素体、珠光体、少量贝氏体和马氏体组成,且晶粒较小下图4-3为焊接速度和焊接电压一定的情况下,焊接电流为120A焊接下的金相组织a)母材120A200×b)焊缝120A200×c)熔合区120A200×d)热影响区120A200×图4-3焊接电流在120A下的金相组织图a)为Q235钢母材的组织图,块状多面体组织为铁素体,黑色多面体为珠光体,铁素体和珠光体较为均匀分布着图b)为焊缝区金属中组织成块状分布,晶粒比较均匀化;在热影响区,组织的晶粒有所长大,显微组织变得粗大而分布呈现树枝状图c)为熔合区组织形貌图上方为焊缝,白色铁素体沿柱状晶界分布,少量无碳贝氏体由晶界向晶内生长,晶内为针状铁素体、粒状贝氏体及少量珠光体图下方为热影响区,少量块状铁素体沿原奥氏体晶界分布,晶内铁素体针状分布,并有粒状贝氏体、珠光体图d)为焊缝热影响区主要有铁素体、珠光体、少量贝氏体和马氏体组成,且晶粒大小不一应给是不完全重结晶区下图4-4为焊接速度和焊接电压一定的情况下,焊接电流为160A焊接下的金相组织a)母材160A200×b)焊缝160200×c)熔合区160A200×d)热影响区160A200×图4-4焊接电流在160A下的金相组织由图4-4明显可以看出在这一电流下焊接接头的组织的粗化现象图a)为母材,黑色多面体为珠光体,铁素体和珠光体较大图b)为焊缝,其中晶粒粗大有气孔、夹渣等焊接缺陷出现图d熔合区,该区域金属的组织是不均匀的,晶粒大小不一,一部分是经过重结晶的晶粒细小的铁素体和珠光体,力学性能也不均匀,且有焊接缺陷出现,可以看出焊接质量较上一焊接电流下明显有所下降图d为热影响区近末端,图左上角为完全正火区,近等轴状晶粒,铁素体和珠光体中间区为不完全正火区,铁素体与珠光体不均匀分布,保留母材原始带状分布趋向图右下角为母材,铁素体与珠光体带状分布明显结论从以上金属显微组织照片中可以观察到,在焊速和电压一定的情况下,随焊接电流变大,焊接的引弧性、稳定性、脱渣性及焊缝成形都逐渐变好此外观查到的组织随焊接电流的变大,焊缝区、熔合区、和热影响区组织晶粒逐渐粗化由于焊接接头各区域经历的热循环不同,出现以上代表性的各种组织,焊缝金属在熔化焊时,同样经历重新熔化、结晶、凝固、转变过程,其组织特征呈现出铁素体转变珠光体、马氏体以及魏氏体组织焊接电流大时,焊接线能量大,冷却速度较小,晶粒来得及长大,最终硬度较大,焊接电流小时,焊接线能量小,冷却速度较大,焊缝组织中柱状晶细长,对焊接接头的热影响区而言,电流增大时,单位时间输人的热量高,熔池温度高,高温停留时间长,焊件所受的热影响较大,因此出现相应区域内晶粒随之增大的现象焊接电流小时,枝晶细小,硬度高;但焊接电流大时,粗大的树枝晶会降低焊缝区的塑性但过大的焊接电流使焊缝形状系数变小,焊缝树枝晶对向生长,容易产生结晶裂纹总之,通过实验得出手工电弧焊焊接Q235钢时焊接电流在120A下焊接过程中不易产生裂纹,焊接性较好参考文献
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[17]方洪渊.焊接结构.北京机械工业出版社,2010年9月.致谢毕业设计是我们作为学生在学习阶段的最后一个环节,是对基础知识和专业知识的一个综合应用,是一种综合的在学习、再提高的过程,这一过程对我的学习能力和独立思考及工作能力也是一个培养在大学的学习过程中,毕业设计是一个重要的环节,是我们步入社会参与工作的一次极好的演示,也是对我们自学能力和解决问题能力的一次考验在完成毕业设计期间我尽量把毕业设计和实际工作有机的结合起来,实践与理论相结合这样更有利于自己能力的提高在完成毕业设计的这段时间里,我的收获很多完成此次毕业设计让我综合性的把自己三年所学的基础知识和专业知识得到了再次的巩固,更重的是对自身能力的再次提高在此感谢学校给我们这次将三年所学的知识综合应用的机会,让我们回首三年的点点滴滴再次诚挚感谢指导老师王老师的精心指导与帮助,我才能很好的完成此次设计其次感谢在此期间给我帮助与鼓励的同学在这数日的进行过程中感受很深,除了辛苦之外就是让我明白了,许多东西不能只在外表琢磨,最重要的东西往往在你没有看到的地方,在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦虽然这个设计做的也不太好,但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富,使我终身受益王国峰2014年3月WeldrobotapplicationpresentconditionAccordingtoincompletelystatisticsthewholeworldabouthasintheindustrialrobotofservicenearlyhalfofindustrialrobotsisusedformultiformweldtoprocessrealmweldrobotofapplicationinmainlyhavetwokindsofmethodsmostwidespreadlythenorderHanandelectricityHuHan.Whatwesaysweldingrobotisinfactweldingtoproducerealmtoreplaceaweldertobeengagedintheindustrialrobotofweldingthetask.Theseweldtohaveplentyoftodesignforbeingacertaintoweldawayexclusivelyintherobotofbutmajorityoflyweldrobotinfactisaningeneraluseindustrialrobottopackupacertainweldtoolbutconstitute.Inmanytaskenvironmentsasetrobotevencancompleteincludeweldatinsideofgraspathingporterageinstallweldunloadtoanticipateetc.varioustasksrobotcanrequestaccordingtotheprocedurewithtaskpropertyandautomaticallyreplacethetoolontherobotwristthecompletioncorrespondsoftask.Thereforecomeuptosayfromacertainmeaningthedevelopmenthistoryofindustrialrobotisthedevelopmenthistorythatweldsrobot.Knowtoallweldtoprocesstorequestthatwelderhavetohavewell-trainedoperationtechnicalabilityabundantfulfillmentexperiencestabilityofweldlevel;ItisstillakindoflaborconditionbadmanysmokeanddusthottheradiationisbigriskGaoofwork.Theemergenceoftheindustrialrobotmakespeoplenaturallythoughtoffirstthehandicraftthatreplaceapersonwithitweldsandeasesthewelderslaborstrengthcanalsopromisetoweldqualityandexaltationtoweldanefficiencyatthesametime.HoweverweldagainwithotherindustryprocessprocessdifferentforexampleelectricityHuHanprocessindrivewelderpiecebecauseofpartheatmeltwithcooloffcreationtransformtheHansewsofthetrackwillthereforetakeplacetochange.HandicraftHantheexperiencedweldercansewpositionaccordingtotheactualHanobservedbyeyesadjustmentHaningoodtimethepositioncarriageofthegunandrunaboutofspeedtoadapttothevarietythattheHansewsatrack.HowevertherobotwanttoadapttothiskindofvarietyhavetothepositionandstatusofgunthatwanttoseethiskindoftochangethenadopthomologousmeasuretoadjustHanlikepersonfirstfollowwhilecarryingouttosewactuallytotheHan.BecausetheelectricityHuweldstohaveinprocessstrongarclightgiveorgetanelectricshockHunoisesmokeanddustandRongdroptransitionunsteadyandcausableHansilkshortcircuitbigelectriccurrentstrongmagneticfieldetc.complicatedenvironmentfactorofexistencetherobotwantstoexamineandidentifiesawithdrawingofthesignalcharacteristicneededforsewingHananddontseemtobeindustrialtheotherinthemanufacturingtoprocesstheexaminationofprocesssoeasilythereforeweldingtheapplicationofrobotistousedfortogiveorgetanelectricshocktheprocessofHuHaninthebeginning.Actuallyindustrialrobotatweldedtheapplicationofrealmtoproduceon-lineelectricresistancetoorderaHanbeginningfromthecarassembleattheearlieststage.ThereasonliesintheprocessthattheelectricresistanceordersHanoppositemoresimplecontrolconvenientandnotneedHantosewatrackfollowtotheaccuracyoftherobotandrepeatthecontrolofaccuracyhavelowerrequest.OrdertheHanrobotassemblestoproduceagreatdealofon-lineapplicationtoconsumedlyraisetherateofproductionthatthecarassembleweldsandweldqualityinthecaratthesametimeagainhaveagentlecharacteristicsforweldingthenwant~onlychangeprocedurecanproduceinthesameon-linecarryonassembletoweldtodifferentcarstype.BEborntillthebeginningofthis80sincenturyfromtherobottherobottechniqueexperiencedadevelopmentprocessoflongtermslowness.90salongwiththerapiddevelopmentofcalculatortechniquemicro-electronicstechniqueandnetworktechnique...etc.therobottechniqueisalsoflownsoonadevelopment.Themanufacturinglevelcontrolspeedandcontrolaccuracyanddependablesexetc.ofindustrialrobotcontinuouslyraisesbutmanufacturingcostandpriceofrobotcontinuouslydescend.IssocialinthewestwithcontraryrobotpriceBEthepersonslaborforcecostcontainsthetrendtocontinuouslyincrease.UnitedNationsEuropeanEconomicCommitteeUNECEstatisticsesfromthevarietycurveof1990-2000yearsoftherobotpriceindexnumberandlaborforcecostindexnumber.Amongthemtherobotpriceof1990indexnumberandlaborforcecosttheindexnumberisallreferencetobeworth100goto2000laborforcecostindexnumberis140increased40%;Butrobotunderthesistuationthatconsideraqualityfactorthepriceindexnumberislowerthan20lowered80%underthesistuationthattakenoaccountofaqualityfactorthepriceindexnumberofrobotisabout40lowered60%.Heretherobotpricethattakesnoaccountofaqualityfactormeansactualpriceoftherobotofnowwithcomparedinthepast;Andconsiderthatthequalityfactormeansbecausetherobotmaketheexaltationofcrafttechniquelevelmanufacturingqualityandfunctionofrobotevenifwantalsoundertheconditionofequalpricecomparehighbeforethereforeifpressedthepastrobotequaledqualityandfunctiontoconsiderthepriceindexnumberofrobotshouldbemuchlower.Canseefromherenationalinthewestbecausetheexaltationoflaborforcecostbringsnotsmallpressureforbusinessenterprisebuttheloweringofrobotpriceindexnumbercoincidentallyexpandsapplicationtobringachancefurtherforitagain.Reducetheequipmentsinvestmentofemployeeandincrementrobotwhentheirexpensesattainssomeonebalancepointthebenefitofadoptionrobotobviouslywantstocomparetoadoptthebenefitthattheartificialbringsbigitontheotherhandcanconsumedlyraisetheautomationlevelofproducingtheequipmentsandraisetolaborrateofproductionthusatthesametimeagaincanpromotetheproductqualityofbusinessenterpriseraisethewholecompetitionabilityofbusinessenterprise.Althoughrobot1timeinvestsalittlebitgreatlyitsdailymaintenanceandconsumeismoreoppositethanitstoproducingfarissmallerthancompletingtheartificialexpensesthatthesametaskconsumes.Thereforefromfarsightedseetheproductioncostofproductalsoconsumedlylowers.Buttherobotpricelowertomakesomesmallandmediumenterprisesinvesttopurchaserobottobecomeeasytoaccomplish.Thereforetheapplicationofindustrialrobotissoonflownadevelopmentineverytrade.AccordingtotheUNECEstatisticsthewholeworldhas750000in2001settheindustrialrobotisusedforindustrymanufacturingrealmamongthem389000inJapan198000inEU90000inNorthAmerica73000atrestnation.Gotoattheendof2004thewholeworldtohaveatleastintheindustrialrobotofserviceabout
1000000.BecausetherobotcontrolstheexaltationofspeedandaccuracyandparticularlygiveorgetanelectricshockthedevelopmentthattheHuspreadsafeelingmachinetocombinetoweldintherobotingetanapplicationmaketherobotgiveorgetanelectricshocktheHanofHuHantosewatracktofollowandcontrolaproblemtosomeextentandgetverysolutiontherobotweldsinthecartomakethemediumapplicationordersHantosoondevelopintothecarzerofromoriginallymoresinglecarassemblepartsesandelectricityHuwithinassembleprocessHan.RobotsgivingorgettinganelectricshockthebiggestcharacteristicsofHuHanisgentlecanimmediatelypasstoweaveadistanceatanytimeachangetoweldatrackandweldsequencethereforemostbeapplicabletoquiltwelderpiecethespeciesvarietyisbigtheHansewshortbutmanyproductwithcomplicatedshape.Thisattherightmomentagaincharacteristicsaccordingtocarmanufacturing.Beingtherenewalspeedoftheparticularlymodernsocialcarstyleisveryquickadoptingthecarproductionlineofrobotmaterialcannicelyadapttothiskindofvariety.MoreoverrobotsgivingorgettinganelectricshockHuHannotonlyusedforacarmanufacturingindustrybutalsocanusedforothermanufacturingindustriesthatinvolvetogiveorgetanelectricshockHuHanlikeshipbuildingmotorcyclevehicleboilerheavytypemachineetc..ThereforetherobotgivesorgetsanelectricshocktheapplicationofHuHangraduallyextensiveontheamountgreatlyhaveexceedtherobotorderthepowerofHan.Alongwithcarreducinginweightmanufacturingthetechnicalexpansionsomehighstrongmetalalloymaterialsandlightmetalalloymaterialislikealuminummetalalloyandmagnesiummetalalloy...etc.getanapplicationinthematerialinthecarstructure.Thesematerialsweldingusuallycannotsolvewiththeweldingoftraditionmethodhavetoadopttolatelyweldamethodandweldacraft.AmongthemGaopowerlaserHanandagitationrubHanetc.tohavetodevelopapotentialmost.ThereforerobotandGaopowerlaserHanandagitationrubcombiningofHantobecomeinevitabletrend.BelikethepublicinShanghaitowaitdomestictomosthavethecarmanufacturerofrealstrenghtinfactattheirnewcartypemanufacturingprocessinhavealreadyingreatquantitiesusedrobotlasertoweld.GiveorgetanelectricshockHuHantocomparewithrobotrobotlasertheHanoftheHansewstofollowaccuracytohavehigherrequest.AccordingtothegeneralrequesttherobotgivesorgetsanelectricshocktheHanofHuHanincludeGTAWandGMAWtosewtofollowaccuracytocontrolin1|oftheelectrodeortheHansilkdiameter2inathavetheconditionthatfillthesilkundertheHansewtofollowaccuracytoloosenappropriately.ButtolaserHanthelaserprojectslightuponthelightspotintheworkpiecesurfacewhileweldingdiameterusuallyat
0.6inisfarersmallthanHansilkdiameterbeusuallybiggerthan
1.0butthelaserweldusuallyandnotaddtofillHansilkthereforethelaserisweldingifonlythespotpositionhasalittlebitdeviationthenwillresultintobepartialtoHanandleakHan.ThereforetherobotlaserofthepublicinShanghaiscarcarcrestHaninadditiontopackintheworktongsupadoptmeasuretopreventfromweldingtotransformstilljusttherobotlaserHangunfrontinstalledthehighaccuracylaserofSCOUTcompanyinGermanytospreadafeelingmachinetousedforHantosewafollowingoftrack.Thestructureformofindustrialrobotisalotofincommonuselyhaverightangletositmarktypeflexibletypeandcrawlalongtype...etc.bymarktypemanyjointsbymarktypesurfaceofspherebymarktypepillarnoodlesaccordingtodifferentusestillatcontinuouslydevelopmentin.ItismanyrobotsofjointtypesofthemimicrypersonsarmfunctiontoweldwhatrobotcanadoptadifferentstructureformaccordingtotheappliedsituationofdissimilaritybutuseatmostcurrentlythisbecausethearmvividofmanyjointtyperobotsisthebiggestitcanmakespacepositionandcarriageofHangunadjustintoarbitrarilythestatusweldbysatisfyingademand.Theoreticallyspeakthejointofrobotismanymorethefreedomdegreeisalsomanymorethejointredundancydegreeisbigmoreandthevividisgoodmore;Butalsogoagainstthesittingofkineticscontrolofmarkingthetransformationandeachjointpositionforrobottobringcomplexityatthesametime.BecauseweldtousuallyneedintheprocesswiththespacerightanglesittomarktheHanontherepresentativeworkpiecetosewpositionconversionfortheHanguncarrythespacepositionandcarriageofdepartmentandpassrobotagaingoagainstthekineticscomputeaconversionfortothecontrolofroboteachjointanglepositionbutthesolutionofthistransformationprocessusuallyisntuniquetheredundancydegreeisbigsolvemoremanymore.Howselectbyexaminationsthesteadythatthequitethecheesesolutionweldstoexerciseintheprocesstotherobotveryimportant.Differenttreatmentofsystemtothisproblemoftherobotcontroldoesntexertahomology.Isgeneraltocometospeakhave6controlsrequestofpositionsandspacecarriagesthattherobotsofjointsbasicallycansatisfyaHangun3amongthosefreedomsdegreeXYZspacepositionusedforcontrolingaHanguntocarryadepartmentanother3freedomdegreesABCareusedforthespacecarriagethatcontrolsaHangun.Thereforecurrentlyweldrobotmajorityas6jointtypes.ForsomeweldsituationworkpiecebecauseofleadingbigorthespaceisseveralwhattheshapeistoocomplicatedmaketheHangunofweldingtherobotcannotarriveappointedHantosewpositionorHanguncarriagehavetopassthefreedomdegreeofthewayincrementrobotofincreasing1~3exteriorstalksatthistime.Usuallyhavetwokindsofwayofdoings:OneistheorbitthattherobotBepackedtotomovesmallcarorDragongateupthehomeworkspaceofextensionrobot;Twoistolettheworkpiecemoveorturnmakeworkpieceupofweldthehomeworkspacethatthepartgetsintorobot.Alsohaveofadopttwokindsofabove-mentionedwaysatthesametimelettheweldingofworkpiecepartandrobotsallbeplacedinthebestweldposition.Weldtheplaitdistanceofrobotmethodcurrentlystillwithon-lineshowandteachawayTeach-inislordbutwovetheinterfaceratioofdistancemachinetohavemanyimprovementsinthepastparticularlyistheadoptionofLCDsketchmonitorandmakeandweldtheplaitdistanceoftherobotinterfacelatelygraduallyfriendlyoperationmoreeasy.HoweverrobotplaitdistanceHanssewingthekeypointonthetracktosittomarkpositionstillhavetopasstoshowtoteachthewayhowtoobtainthendepositthesportinstructionofprocedure.ThissewstracktosomeHansofcomplicatedshapestosayhavetocostagreatdealoftimetoshowtoteachandloweredtheuseefficiencyofrobotthusandalsoincreasedthelaborstrengthofweavingthedistancepersonnel.Themethodthatsolvescurrentlyincludes2kinds:OneisshowtoteachaplaitdistancejustroughobtainafewHanstosewafewkeysonthetracktoorderthenspreadafeelingmachineusuallyisgiveorgetanelectricshockHutospreadfeelingmachineorlasersenseofvisiontospreadafeelingmachinethroughthesenseofvisionofweldingtherobotofautofollowtheactualHansewatrack.Althoughthiswaystillcansnotgetawayfromtoshowtoteachaplaitdistancethiswaycanseasetoshowthestrengthofteachingtheplaitdistancetosomeextentandraisestoweaveadistanceefficiency.ButbecauseofthecharacteristicsofelectricityHuHanthesenseofvisionofrobotspreadsafeelingmachinebenotsewformstoallapplytoallHans.Twoisthewaythatadoptsacompletelyoff-lineplaitdistancemaketherobotwelddrawingupofprocedureandHantosewatracktosittomarkadjustingofobtainingofpositionandproceduretotryalltocomputeinasettoindependentlycompleteonboarddontneedparticipationofrobot.Robotoff-lineplaitdistanceasearlyasseveralyearsagohavejustinordertobeingsubjectedtorestrictionofthecalculatorfunctionatthattimeoff-lineplaitdistancesoftwarewithtextoriginallywayislordwoveadistancemembertoneedtoacquaintwiththeallinstructionsystemsandphrasingofrobotalsoneededtoknowhowmadesurethatthespacepositionthattheHansewsatracksitsamarkthereforewoveadistanceworktonotandeasilysavetime.Alongwithexaltationandcalculatorofthecalculatorfunction3Dsketchtechnicaldevelopmentpresentrobotoff-lineplaitdistancesystemmajoritycanunderthe3DsketchenvironmentmovementtheplaitdistanceinterfaceamityconvenienceandobtainingHantosewasittingoftracktomarkpositionusuallycanadoptthewayofconjectureshowtoteachvirtualTeach-inusingamousetoeasilyclicktheweldingofworkpieceinthe3Dvirtualenvironmentthepartcanimmediatelythespaceacquiringthesitamark;InsomesystemscansewdirectlybornHanofpositiontosewatrackthroughtheHanthatdefineinadvanceintheCADsketchdocumentthentheautomaticallybornrobotprocedurecombinestodownloadrobottocontrolsystem.Thusandconsumedlyraisedtheplaitdistanceoftherobotefficiencyalsoeasedthelaborstrengthofweavingthedistancemember.Currentlyitisinternationaltotherehavebeenusinganoff-lineplaitdistanceofrobotaccordingtothecompanyofcommonPCmachineonthemarketsoftware.ItislikeWorkspace5andRobotStudio...etc..Figure9showdevelopbyoneselfforthewriterofaccordingtoPCof3Dcanseetoturnanoff-lineplaitdistanceofrobotsystem.ThesystemcanIRB140robotsaimingatABBcompanycarryonanoff-lineplaitdistancetheHanintheproceduresewsatracktopassconjecturetoshowtoteachtoacquireandcanlettherobotpressthetrackintheproceduretoimitatesportinthe3Dsketchenvironmentexamineitsaccuracyandrationalitywiththis.Theprocedurewovencanpassanetworkdirectlythedownloadtotherobotcontroller.Theindustrialrobotofourcountry75scienceandtechnologiesoffendapasstostartstartingfromthe80scurrentlyalreadybasiccontrolarobotoperationofthedesignmanufacturingofthemachinetechniquecontrolsystemhardwareandsoftwaretodesigntechniquekineticsandtracktoprogramatechniquegavebirthtopartsofrobotkeydollarsparepartdeveloptosprayapaintHuHanandorderrobotssuchasHanassembleandporterage...etc.;TherobotofHuHanhasalreadyappliedintheHanofcarmanufactorytopackon-line.Buttotalofcometoseeourcountryofindustrialrobottechniqueanditengineeringapplicationoflevelandabroadthanstillhavecertaindistancesuchas:Credibilitylowoutsidethecountryproduct;Therobotapplicationengineeringstartsalittlebitlateandapplyrealmnarrowproductionlinesystemtechniqueandabroadthanhaveamargin;Theappliedscaleissmalldidntformrobotindustry.Therobotofthecurrentourcountrytheproductionisallrequestthatappliesadoorlistdoorthesingletimere-designthespeciesspecificationismanysmallbatchquantityzeropartsesareingeneralusetoturndegreelowprovideagoodsperiodlongthecostisnotloweitherandthequalitycredibilityisunsteady.Consequentlyandurgentlyneedtosolveindustrytoturnanex-keytechniqueforexpectingBetotheproductcarryonprogramingcompletelymakegoodseriestoturningeneraluseturnthemoldpieceturnadesignandactivelypushforwardindustrytoturnprogress.3weldrobotdevelopmenttrendTheinternationalrobotboundariesareenlargingaresearchcarryonrobotcurrentlytotaltechnicalresearch.Thedevelopmenttrendseesfromtherobottechniqueweldrobotsimilartotheotherindustrialrobotcontinuouslyturntotheintelligenceanddiversifyadirectiontodevelop.Isconcretebuttalkperformanceinasfollowsafewaspects:
1.Therobotoperatesmachinestructure:PassalimiteddollartheanalysisandmoldTaianalyzeandimitatetheusageoftruedesignetc.moderndesignmethodandcarryoutrobotoperationorganizationofexcellentturnadesign.Questhighstrengthlightqualitymaterialraisealoadfurther|holdwithdignityaratio.ForexampletakeGermanysKUKAcompanyastherepresentativesrobotcompanyhavealreadymergedrobottheparallelogramstructurechangetoopeningchainstructureandexpandtheworkscopeofrobottheapplicationoflightqualityaluminummetalalloymaterialaddconsumedlyraisethefunctionofrobot.TheRVthatinadditionadoptsaforerunnerdeceleratesamachineandcommunicatesservoelectricalengineeringmakerobotoperationmachinealmostbecomedontneedsupportsystem.Theorganizationfacingmoldpieceturnsandcanweightoreachadirectiondevelopment.ForexampletheservoelectricalengineeringinthejointmoldpiecedeceleratemachineandexaminesystemChristianTrinitytoturn;Fromjointmoldpiececonnectapolemoldpieceisconstructedrobotthewholemachinewiththereorganizationmethod;Theabroadhasalreadyhadthemoldpiecethedisguisetogotogetherwitharobotproducttoaskcity.Thestructureoftherobotisgettingclevercontrolsystemsmallerandsmallertwosjustturnadirectiondevelopmenttowardtheintegralwhole.TheadoptionmergesorganizationandmakesuseofarobottechniquerealizationGaoaccuracymeasureandprocessthisistherobottechniquetonumbercontroltechniqueofexpandcarriedoutrobotandnumbertocontroltechniqueintegralwholetoturntolayfoundationforfuture.ItalianCOMAUcompanycompanieslikeJapanFANUCetcdevelopedthiskindofproduct.焊接机器人应用现状 据不完全统计,全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域,焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式,即点焊和电弧焊我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的,而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的在多任务环境中,一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务,机器人可以根据程序要求和任务性质,自动更换机器人手腕上的工具,完成相应的任务因此,从某种意义上来说,工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史 众所周知,焊接加工要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平;它还是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接,减轻焊工的劳动强度,同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率 然而,焊接又与其它工业加工过程不一样,比如,电弧焊过程中,被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形,焊缝的轨迹会因此而发生变化手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度,以适应焊缝轨迹的变化然而机器人要适应这种变化,必须首先像人一样要“看”到这种变化,然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态,实现对焊缝的实时跟踪由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在,机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容易,因此,焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的 实际上,工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的原因在于电阻点焊的过程相对比较简单,控制方便,且不需要焊缝轨迹跟踪,对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量,同时又具有柔性焊接的特点,即只要改变程序,就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接 从机器人诞生到本世纪80年代初,机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程到了90年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也得到了飞速发展工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高,而机器人的制造成本和价格却不断下降在西方社会,和机器人价格相反的是,人的劳动力成本有不断增长的趋势联合国欧洲经济委员会UNECE统计从1990年至2000年的机器人价格指数和劳动力成本指数的变化曲线其中把1990年的机器人价格指数和劳动力成本指数都作为参考值100,至2000年,劳动力成本指数为140,增长了40%;而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20,降低了80%,在不考虑质量因素的情况下,机器人的价格指数约为40,降低了60%这里,不考虑质量因素的机器人价格是指现在的机器人实际价格与过去相比较;而考虑质量因素是指由于机器人制造工艺技术水平的提高,机器人的制造质量和性能即使在同等价格的条件下也要比以前高,因此,如果按过去的机器人同等质量和性能考虑,机器人的价格指数应该更低 由此可以看出,在西方国家,由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力,而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机减少员工与增加机器人的设备投资,在两者费用达到某一平衡点的时候,采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大,它一方面可大大提高生产设备的自动化水平,从而提高劳动生产率,同时又可提升企业的产品质量,提高企业的整体竞争力虽然机器人一次性投资比较大,但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小因此,从长远看,产品的生产成本还会大大降低而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举因此,工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展根据UNECE的统计,2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域,其中
38.9万在日本、
19.8万在欧盟、9万在北美,
7.3万在其余国家至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万 由于机器人控制速度和精度的提高,尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用,使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决,机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊机器人电弧焊的最大的特点是柔性,即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序,因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品这正好又符合汽车制造的特点尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快,采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化 另外,机器人电弧焊不仅用于汽车制造业,更可以用于涉及电弧焊的其它制造业,如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等因此,机器人电弧焊的应用范围日趋广泛,在数量上大有超过机器人点焊之势 随着汽车轻量化制造技术的推广,一些高强合金材料和轻合金材料如铝合金、镁合金等在汽车结构材料中得到应用这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决,必须采用新的焊接方法和焊接工艺其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力因此,机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成为必然趋势事实上,像上海大众等国内最具实力的汽车制造商在他们的新车型制造过程中已经大量使用机器人激光焊接 和机器人电弧焊相比,机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高根据一般的要求,机器人电弧焊包括GTAW和GMAW的焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的1/2以内,在具有填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽但对激光焊而言,焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在
0.6以内,远小于焊丝直径通常大于
1.0,而激光焊接时通常又不加填充焊丝,因此,激光焊接中若光斑位置稍有偏差,便会造成偏焊、漏焊因此,上海大众的汽车车顶机器人激光焊除了在工装夹具上采取措施防止焊接变形外,还在机器人激光焊枪前方安装了德国SCOUT公司的高精度激光传感器用于焊缝轨迹的跟踪 工业机器人的结构形式很多,常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等,根据不同的用途还在不断发展之中焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式,但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人,这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大,可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态,以满足焊接需要理论上讲,机器人的关节愈多,自由度也愈多,关节冗余度愈大,灵活性愈好;但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态,再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制,而这一变换过程的解往往不是唯一的,冗余度愈大,解愈多如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同 一般来讲,具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求,其中3个自由度XYZ用于控制焊枪端部的空间位置,另外3个自由度ABC用于控制焊枪的空间姿态因此,目前的焊接机器人多数为6关节式的 对于有些焊接场合,工件由于过大或空间几何形状过于复杂,使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态,这时必须通过增加1~3个外部轴的办法增加机器人的自由度通常有两种做法一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上,扩大机器人本身的作业空间;二是让工件移动或转动,使工件上的焊接部位进入机器人的作业空间也有的同时采用上述两种办法,让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置 焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式Teach-in为主,但编程器的界面比过去有了不少改进,尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更加易然而机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取,然后存入程序的运动指令中这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说,必须花费大量的时间示教,从而降低了机器人的使用效率,也增加了编程人员的劳动强度目前解决的方法有2种 一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点,然后通过焊接机器人的视觉传感器通常是电弧传感器或激光视觉传感器自动跟踪实际的焊缝轨迹这种方式虽然仍离不开示教编程,但在一定程度上可以减轻示教编程的强度,提高编程效率但由于电弧焊本身的特点,机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用 二是采取完全离线编程的办法,使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成,不需要机器人本身的参与机器人离线编程早在多年以前就有,只是由于当时受计算机性能的限制,离线编程软件以文本方式为主,编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法,还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标,因此,编程工作并不轻松省时随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展,如今的机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行,编程界面友好、方便,而且,获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”virtual Teach-in的办法,用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标;在有些系统中,可通过CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹,然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统从而大大提高了机器人的编程效率,也减轻了编程员的劳动强度目前,国际市场上已有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件如Workspace
5、RobotStudio等图9所示为笔者自行开发的基于PC的三维可视化机器人离线编程系统该系统可针对ABB公司的IRB140机器人进行离线编程,程序中的焊缝轨迹通过虚拟示教获得,并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动,以此检验其准确性和合理性所编程序可通过网络直接下载给机器人控制器 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;应用规模小,没有形成机器人产业 当前我国的机器人生产都是应用户的要求,单户单次重新设计,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程
3、 焊接机器人发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研究从机器人技术发展趋势看,焊接机器人和其它工业机器人一样,不断向智能化和多样化方向发展具体而言,表现在如下几个方面 1.机器人操作机结构 通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,实现机器人操作机构的优化设计 探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比例如,以德国KUKA公司为代表的机器人公司,已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构,拓展了机器人的工作范围,加之轻质铝合金材料的应用,大大提高了机器人的性能此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机,使机器人操作机几乎成为免维护系统 机构向着模块化、可重构方向发展例如,关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市 机器人的结构更加灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展 采用并联机构,利用机器人技术,实现高精度测量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展,为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础意大利COMAU公司,日本FANUC等公司已开发出了此类产品 。