机器人CO2平焊工艺参数对焊缝成型影响规律研究毕业论文
2020-02-19 15:46:53
摘 要
本文将通过研究在使用焊接机器人进行二氧化碳气体保护焊时，各项焊接参数的变化对焊缝成型效果的改变，探索焊接机器人在实际生产过程中的各项实用参数，为焊接机器人更好地投入生产实践提供理论基础。
本文将使用焊接机器人进行平板堆焊试验，探究机器人使用二氧化碳气体保护焊时的对母材的金属熔敷效果，并通过采集到的数据，对各项焊接规范参数在生产中的适宜区间进行推测，并使用焊接机器人在所推测的焊接参数适宜区间内进行平板对接试验，对其接头的力学性能进行研究，探索其成型效果，为机器人焊接参数调节提供理论的数据支持。
关键词：焊接机器人、二氧化碳气体保护焊、力学性能、焊缝成型
Abstract
This paper will research various parameters in robot welding production when using carbon dioxide gas shielding welding to know how they affect weld forming effect.
In this paper, the welding robot is used to carry out the plate surfacing test, and the metal deposition effect on the base metal when the robot uses carbon dioxide gas shielded welding is explored. Based on the collected data, the appropriate interval of each welding specification parameter in the production is estimated. And using the welding robot to carry out the flat docking test in the appropriate interval of the presumed welding parameters, study the mechanical properties of the joint, explore its forming effect, and provide theoretical data support for the robot welding parameter adjustment.
Key words: Welding robots, carbon dioxide gas shielding welding，mechanical property，Weld formation
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 机器人CO2气体保护焊接 2
1.2.1 CO2气体保护焊概述 2
1.2.2 机器人焊接概述 2
1.2.3使用焊接机器人进行CO2气体保护焊 3
第二章 机器人CO2气体保护焊堆焊实验 5
2.1 试验材料 5
2.2 试验仪器及设备 5
2.2.1 YASKAWA MOTOMAN-MA1440 型焊接机器人 5
2.2.2 DK-7745型电火花数控线切割机床 5
2.3 试验方法 6
2.4 试验过程与数据记录 6
2.4.1焊接电流对焊缝成型的影响 6
2.4.2 焊接速度对焊缝成型的影响 8
2.4.3 焊枪角度以及焊枪摆动对焊缝成型的影响 9
2.5 试验结论 11
第三章 机器人二氧化碳气体保护平焊对接及其试样的力学性能试验 12
3.1 试验材料 12
3.2 试验仪器及设备 12
3.3 试验方案及试验过程 12
3.4 试验数据及其分析与结论 14
第四章 结论 18
参考文献 19
致谢 20
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着中国工业化以及现代化的发展，中国制造在世界上的地位也越来越高，其中有着大量的汽车工业、船舶、航空航天、机械加工等诸多制造行业相关领域，而在这些领域之中，钢材的焊接工艺被广泛应用。传统的电弧焊接工艺经过百年的发展，仍因受制于焊接操作者本身身体状况与操作技术的高低，焊接过程存在着效率低、焊接质量不稳定等问题。而在极端恶劣环境如高温、高压、真空、水下等，以及焊接过程中所产生的有害气体、弧光、飞溅等，严重影响着焊接操作者的安全。
为了解决上述问题，多种焊接操作者远离焊接直接工作环境的焊接方法得以提出，常见的有遥控焊接与自动焊接。遥控焊接通过传感器，将焊接过程中的各种信息传达给焊接操作者，而操作者通过传感器数据的变化，对焊接工艺进行即时的调整。而自动焊接，则是在遥控焊接的基础之上，提前对焊接过程中可能出现的情况做出一定的预设，由计算机完成焊接过程的操控，而操作者本人则不直接控制焊接的过程。在遥控焊接与自动焊接中，好的焊接机器人必不可少。焊接机器人可以模拟人类焊接工人的工作姿态，在常规场景下焊接的稳定性和人类焊工相近，甚至更高，而在恶劣环境下的适应性则优于人类焊工。[1]
使用焊接机器人进行工业生产，与传统的焊接方式相比较，有着巨大的优势。在有充足的理论数据支持下，自动焊接在大批量焊接中有着明显更高的效率，与传统的手动或半自动焊接相比，自动焊接更加具有经济性，焊接的稳定性与准确性也得到了充足的保证。由于可以远离焊接部位，焊接操作人员也能比较充分地避免高温、触电、有毒气体、飞溅等伤害，同时这也意味着，为了获得质量更为优良的焊缝接头，可以采用一些在手动或者半自动焊接时可能会对焊接操作人员造成身体伤害的焊接参数。
钢结构质量较轻并且强度相对较高，且成本低廉，所以应用得十分广泛，Q345是一种在建筑、桥梁、船舶以及车辆中应用十分广泛的低合金钢。[2]对Q345钢的CO2气体保护焊接是一种非常实用并且常见的加工方式，在各种加工姿态中，平焊是一种在工业应用中应用比较广泛的焊接姿态，针对平焊的研究是一种非常重要的研究方向。平焊工艺中，电流、电压、焊接速度、焊枪角度、焊枪摆动等参数都会对焊缝成型造成一定的影响。
进行二氧化碳气体保护焊的机器人平焊，探究各焊接参数对焊缝成型的影响，进而找出该焊接方法最合适的焊接参数区间，对焊接机器人更好地应用于工业生产实践有着重要的理论意义。
1.2 机器人CO2气体保护焊接
1.2.1 CO2气体保护焊概述
CO2气体保护焊出现于上世纪50年代，应用广泛，发展迅速。随着焊接电源、焊接工艺以及焊接材料的研发的稳步进行，二氧化碳气体保护焊在生产过程中的应用开始日臻成熟，又因为其生产成本比较低廉的原因，在欧美、日本等发达国家和地区的工业生产中得到更多的推广。而在CO2气体保护焊出现不久的二十世纪五十年代末期，中国国内就已经开始了二氧化碳气体保护焊的研究，但由于各种原因，直到80年代，该焊接方法仍旧并没有得到广泛的应用。然而随着改革开放的进行，部分外资公司进入中国，为了匹配这些公司位于国外的工艺条件要求，国内开始引进国外较为先进的CO2气体保护焊技术以及设备，到现在已经广泛用于低碳钢和低合金钢等各种钢材的焊接。随着时代的发展，现在二氧化碳气体保护焊已经越来越广泛地应用于国内外的钢结构制造行业，特别是石油化工、汽车工业、航空航天、路桥建设等行业。 [3][4]
作为一种基础的加工方法，二氧化碳气体保护焊具有以下优点：①生产效率高，由于其热输入较大，焊丝融化效率高，熔深足够大，相对来说少量焊接次数即可成型，同时也不需要敲渣；②适用范围广，可以用于焊接薄至1mm的板材，也可以使用多层多道焊的方式焊接不计厚度上限的厚板；③焊缝质量好，焊缝的含氢量比较低，不容易产生由氢气引起的裂纹；④焊接成本低，二氧化碳气体是多种化工厂在生产过程中产生的副产品，可以大量且低价地获得；⑤二氧化碳气体保护焊属于明弧焊，便于观察焊接时的，可以更好地调整焊接位置与焊接效果，焊接质量可以更好地保持稳定。[3]
而二氧化碳气体保护焊也存在着合金元素烧损较为严重的问题，这种问题可以通过在焊丝中加入适量的Mn以及Si元素对其进行补偿，而目前市面上比较常见的焊丝如H08Mn2SiA等都会对此进行补偿的焊丝。同时焊接过程中金属的飞溅问题也比较严重，对此一般从焊接控制焊接电源的动特性，或者在保护气体中添加适量的氩气气体来进行控制。而因为保护气体CO2的存在，焊缝中很容易产生气孔，因此控制焊丝中的碳含量是减少气孔的关键。
基于二氧化碳气体保护焊焊缝质量高且稳定，焊接效率较高且经济环保、应用广泛等特点，机器人进行自动焊接时，使用二氧化碳气体保护焊是十分实用、经济且普遍的。
1.2.2 机器人焊接概述
工业机器人同样也是诞生于二十世纪五十年代，而焊接用机器人正是其中的一种，工业机器人发展到现在经历了三代：第一代示教再现型机器人、第二代离线编程型焊接机器人以及第三代自动编程型焊接机器人。
自焊接机器人诞生以来，就一直有着顽强的生命力。在工业发达国家，焊接机器人广泛应用于汽车工业、航空航天、船舶制造、机械加工等行业，成为先进生产力的重要代表之一，并成为了衡量一个国家制造水平的重要指标。国外的焊接机器人经过多年发展，已经较为成熟了，主要的工业先进国家如日本、德国、美国等都有大量的焊接机器人研发公司。而我国的焊接机器人的研发则比较晚，并且我国的焊接自动化水平较低，就中厚板来说，欧美工业大国已经接近一半使用半自动焊接，三分之一的焊接操作使用自动焊接，即机器人焊接。自“七五”以及“九五”攻关计划以及“863”计划都对我国焊接机器人的发展有着很大的进步，但是仍然和发达国家有着巨大的差距。[5[6][7]然而我国仍旧有绝大多数的机器人来自进口，其中来自日本的机器人占了总共进口的机器人的一半，而另外一半，则是来自欧洲的机器人公司，如德国的ABB、KUKA等。虽然我国的焊接机器人工艺及设备数量一直在飞速发展，但是仍然和工业发达国家有着巨大的差距。在“中国制造2025”计划中，焊接机器人的发展与应用仍然将是一项重点工程，对我国成为工业大国和工业强国有着尤为重要的作用。
使用机器人进行焊接有以下优点：①焊接适应性强，不仅手动或半自动焊接下进行的操作，使用机器人进行自动焊接都可以进行，而且也能适应于各种复杂环境以及恶劣环境，如水下、高温、高压、易触电、缺氧、大量焊接飞溅等环境下的焊接，也可以尝试很多人类焊工无法进行的焊接，更是可以实现小规模焊接中的自动化；[8]②焊接稳定性强，焊接，自动焊接严格按照程序设定进行工作，可以避免人类焊工因长时间劳动而造成的随机性的焊接误差；③生产效率高，经济性更高，在设定出稳定的程序且做好安全保障措施的情况下，焊接机器人可以做到无人值守24小时无休工作，可以省下不少的工人薪酬，同时也可以更容易安排生产计划。[9]
但是机器人焊接也存在着一些问题，在焊接程序与实际焊接条件有一定偏差的时候，会造成焊接失败，程序设置的准确性至关重要。同时，由于其适应性更高，如果机器人焊接时所处的环境更恶劣，如高温下或者大的焊接飞溅下，容易导致焊接效果很差，甚至可能导致焊枪枪头出现损坏，这对机器人的抗损耗性以及易维护性有了更高的要求。
1.2.3使用焊接机器人进行CO2气体保护焊
二氧化碳气体保护焊和机器人焊接都是工业生产中常见的加工方式，将这两种加工方式进行结合，也是工业现代化的要求，对“中国制造2025”计划有着极大的助力，因此，针对机器人二氧化碳气体保护焊的研究，成为了当下的一种很重要的方向。
二氧化碳气体保护焊的工艺过程中，电流、电压、焊接速度、焊枪角度等参数对焊缝成型效果，都有着一定的影响。在人类焊工进行手动或半自动焊接操作时，如果采用了不正确的焊接参数，可以通过外观观察等方法及时进行调整各项参数，以确保焊接的顺利进行和最终焊缝好的成型效果。而在机器人焊接操作时，采用在现在仍然价格相对高昂的第三代智能型机器人通过传感器进行反馈实时进行智能编程完成调整，或者根据实际情况在焊前对焊接参数进行容错率较高的预设，则是当前比较常见的解决方式。
这两种解决方式，都需要对焊接机器人在各个参数下进行足够的实验或者模拟，对焊缝的形貌的研究可以从中提取出很多关于成型效果的信息。由此可以进而获得充分的数据支持，以进行焊接过程的优化，将其与工业生产相结合，为更好地服务于工业生产提供理论支撑。[10][11]
第二章 机器人CO2气体保护焊堆焊实验
2.1 试验材料
本次试验所用材料为牌号为Q345的低合金钢板材，供货状态为热轧状态，考虑到本次试验所使用的焊接方式为平板堆焊，选择使用等离子弧切割机下料，试板的板材尺寸大小为150mm*100mm，试板厚度为12mm的Q345钢板材，但由于表面杂质与锈迹处理，真实板厚介于10mm与11mm之间。本次试验采用的填充材料为牌号为ER50-6的焊丝，焊丝直径为1.2mm。焊丝的化学成分及性能分别如下表2-1所示。
表2-1 ER50-6 焊丝的化学成分(质量分数%)
化学成分 | C | Mn | Si | S | P | Cu | 其他 |
标准范围 | 0.06-0.15 | 1.40-1.85 | 0.8-1.15 | ≤0.035 | ≤0.025 | ≤0.50 | ≤0.50 |
2.2 试验仪器及设备
2.2.1 YASKAWA MOTOMAN-MA1440 型焊接机器人
本次试验所搭建的焊接机器人系统包括焊接电源、机器手臂、控制柜、焊枪焊丝系统、示教编程器以及二氧化碳气瓶及气体传输系统。
本试验中使用的焊接机器人为安川机器人公司生产的MOTOMAN-MA1440型六轴垂直多关节机器人，总质量为130kg，可抬起质量为6kg，合成轴速度可达2150°/s，可搭载各种伺服焊枪以及传感器，意味着其可以作为第三代智能编程型焊接机器人使用。而其流线型手臂的设计使得其不容易与焊件产生干涉，使得其适应更多的焊接姿态。而在本次试验中，只使用其示教再现的第一代焊接机器人功能完成。
此机器人使用的电源输入380V、50Hz或60Hz的工业交流电，输出电流为200V。
2.2.2 DK-7745型电火花数控线切割机床
本次试验过程中，焊接的试样使用由正太数控机床有限公司电火花线切割机床进行切割操作，以获得平整而未经焊后热处理的焊缝平面，使得在经过处理后，更加容易进行对熔合线以及热影响区的观察。
该型号的线切割机最大加工范围为450mm*550mm，适用于各种厚度的试样的切割工作，切割过程中通过钼丝与工件之间形成电火花瞬间熔化工件的受切割部位完成切割操作，而顺着钼丝流下的线切液的作用则是及时降低温度，压制电弧，避免电火花四射造成对工件的破坏以及对钼丝的烧损，保障了整个切割过程的进行。
该线切割机使用计算机离线编程实现数控功能，在完成对试样外形的规划后，计算机可以根据外观自动完成切割路径的规划。在切割过程中如果出现了断丝或者短路等异常情况，经传感器反馈，计算机也会对其进行控制，保障切割机及工件的安全。
2.3 试验方法
为了给之后的机器人平板平焊对接试验提供前期的焊缝成型效果参数，本试验中使用机器人示教编程，在12模式（即针对碳钢的短路过渡模式）对之前所下料的试板进行平板堆焊，在给定区间的不同焊接参数下进行平焊操作，对获得的焊缝截面进行使用金相砂纸进行打磨，之后进行抛光以及使用4%浓度的硝酸酒精溶液腐蚀操作，使得焊缝截面的熔敷金属外观以及熔合线清晰可见，最后使用刻度尺以及开源易用的ImageJ计算机软件测量该焊接参数下得到的熔深、熔宽、余高等焊缝成型参数，使用计算机分析计算该焊缝的熔敷金属的面积，分析比较，得出其特征曲线。
熔深与焊缝的承载能力有很大的关系，而熔深和熔宽的比例影响着气体的排出以及熔池的成型效果，而余高可以避免焊缝熔敷金属所产生的缺陷，同时也表征着焊缝中所增加的部分。[12][13]
由于试验中所使用的焊接机器人规定，电压参数以及送丝速度与电流参数有一定的固定的关系，在给定电流参数的情况下，电压参数、送丝速度按照对应的百分比来计算，同样是是一个固定的值，故在本试验中，不会独立地讨论电压参数、送丝速度对焊缝成形规律的影响，而是通过针对不同电流参数对此进行研究。
2.4 试验过程与数据记录
2.4.1焊接电流对焊缝成型的影响
人类焊工操作二氧化碳气体保护焊的20mm厚度以下薄板堆焊操作的时候，选择的电流一般不超过400A，而常见区间则集中在100A至400A左右。
在试验过程中，针对焊接电流，设置了从70A开始，直至350A，每隔20A进行一次焊接操作，默认的焊接速度为30cm/min，焊枪垂直于板材表面。焊接电流和焊接电压以及送丝速度参数对应参数如下表2-2所示。
可以看出，在焊接速度恒定时，随着焊接电流增大，焊接电压逐渐增大，送丝速度也会随之增大。送丝速度增加的原因是在焊接电流、电压增大的情况下，热输入会增大，焊丝和母材的融化速度会增加，送丝速度的适度增加会稳定电弧，也有利于提供足够的金属填充熔池，由此可以推测随着焊接电流加大，熔深、余高、熔宽和熔敷金属面积都会增大。
选择焊接后的部分试样处理后进行ImageJ软件检测，测算得其熔深、熔宽、余高以及熔敷金属面积参数如下表2-3所示（熔敷金属截面积指的是对比焊前，截面积中多出的面积；而母材熔化面积，指的是焊后母材所熔化的面积。下同）。
可以看出，随着电流增大，各项参数的变化趋势符合上面所推测的。
