机器人CMT焊接工艺研究机械制造专业.doc

中文摘要 机器人CMT焊接工艺研究 本文利用焊接机器人和福尼斯CMT焊机对镀锌板进行堆焊，搭接和对接，分析CMT机器人焊接焊接得到板材的外观，成型，硬度，气孔产生的原因，焊接变形产生的原因。得到由于冷金属过渡焊接的特殊的抽送丝方式，其焊接热输入量更小，在同样焊接参数下，冷金属过渡焊接比MAG焊的飞溅更少，熔深更小，且硬度值要明显低于MAG焊。但是在搭接镀锌板材时，由于无间隙，电弧力过大，弧长修正系数过大，焊接速度过快等原因，仍会出现气孔，对接时由于板材膨胀收缩不均匀仍会出现焊接变形。 关键词：机器人；冷金属过渡；镀锌板 II 毕业设计说明书（论文）英文摘要 The Research On Welding Process Of Robot By Cold Metal Transfer In this paper, the galvanized sheet was surfaced,lapped,butt connected by welding robot and fronious TPS 5000 CMT welding machine. Analysis the appearance,molding,hardness of the sheet of, and the reasons for the formation of pores, the reasons for the welding deformation.Due to the special wire feeding mode of cold metal transfer welding,there is less welding heat input. Under the same welding parameters,cold metal transfer welding has smaller  penetration and less spatter than the MAG welding,what’s more, the hardness value of CMT welding is significantly lower than the MAG welding. But when lapping the galvanized sheet, due to no gap,too large arc force and arc length correction factor and other reasons, pore always exists, butt welding deformation occurs due to uneven expansion and shrink of the plate. Keywords: Cold Metal Transfer; welding robot; galvanized sheet; 目 录 前 言 1 第一章 绪论 2 1.1焊接机器人 2 1.2 镀锌板 2 1.3冷金属过渡焊接技术 3 1.3.1冷金属过渡技术介绍 3 1.3.2冷金属过渡技术的应用 4 1.4本文研究目的与内容 5 1.4.1研究目的 5 1.4.2研究内容 5 第二章 试验材料和方法 6 2.1 试验仪器与药品 6 2.1.1 试验仪器 6 2.1.2 焊接材料 7 2.2 试验准备 8 2.3试验方法 8 2.3.1机器人CMT堆焊试验 8 2.3.2机器人CMT搭接试验 12 2.3.3机器人CMT对接实验 12 第三章 实验分析 13 3.1 机器人CMT堆焊实验 13 3.1.1 焊缝外观与成型 13 3.1.2焊缝硬度分析 18 3.2 机器人CMT搭接实验 20 3.2.1工艺参数与焊接外观 20 3.2.2焊接气孔的危害 24 3.2.3焊接气孔的预防 24 3.3 机器人CMT对接实验 24 3.3.1 焊接工艺参数与焊缝外观 24 3.3.2 焊接变形危害 29 3.3.3焊接变形的预防 29 3.3.4针对焊接变形的措施 30 本章小结 30 第四章 结论 31 参考文献 32 致 谢 33 33 前 言 近年来镀锌板在工业中应用逐渐增多，在所有应用镀锌板的行业中，汽车工业的自动化程度最高，汽车轻量化需求越来越重要，镀锌薄板的应用也越来越多，但镀锌薄板如何有效的焊接一直困扰着工程技术人员，CMT焊接技术的发展成功解决了镀锌薄板的焊接问题。本文围绕机器人CMT焊接镀锌板过程中容易出现的几个问题展开研究：焊缝外观是否美观，焊缝区域的硬度问题，焊接区域的气孔缺陷问题，焊接过程中的变形问题……本次研究对汽车车身的镀锌薄板的焊接具有一定的现实意义，可实现机器人CMT焊接镀锌薄板少气孔无气孔，少变形甚至无变形，焊接接头美观。冷金属过渡焊接技术可代替传统 MIG/MAG焊进行薄板焊接。 第一章 绪论 1.1焊接机器人 我国在20世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年科技的发展，工业机器人的性能更完善、价格更低，应用越来越普遍。我国在产业转型的过程中，工业机器人的需求在快速增加。利用焊接机器人不仅能稳定和提高焊接质量，保证其均一性，而且可以改善劳动条件，提高劳动生产率，缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资[1]。现在焊接机器人更是遇到难得的发展机遇。一方面，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升，性价比大幅度提高。另一方面，劳动力成本也在不断上升。现在的制造型企业也都在提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力。这都预示着机器人应用和发展前景空间巨大，所以焊接机器人的应用会越来越广泛[2,3]。目前，焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车、航天航空等行业[4]。 1.2 镀锌板 汽车制造行业现在开始广泛应用镀锌薄板材，镀锌成为重要的钢铁防腐方法之一[5]，因为锌可在钢铁表面形成一层致密的具有阴极保护效果的保护层。当镀锌层破损，它仍能通过阴极保护作用来防止铁质母材腐蚀，这种保护效果可延伸到1～2mm无保护层的区域，因此镀锌可以有效地保护到板材的切口以及近焊缝的锌烧损区，防止生锈。 锌的熔点约为420℃，挥发温度为908℃，而低碳钢的熔点为1400-1500℃，这不利于焊接，因为熔池还未形成，新就开始挥发。镀锌板焊接的主要问题有：焊接裂纹及气孔的敏感性增大、锌的蒸发及烟尘、氧化物夹渣及镀锌层熔化及破坏。其中是最主要的问题是焊接裂纹、气孔和夹渣[6]。 镀锌板焊接裂纹 在焊接过程中，熔化的锌浮在熔池的表面或位于焊缝根部。由于铁的熔点远远高于锌，所以铁首先在熔池里面的结晶，液态锌会渗入钢的晶界，导致晶间之间的结合弱化。而且锌和铁形成的脆性化合物可进一步降低焊缝金属的塑性。因此在焊接残余应力的作用下，焊缝金属易沿晶界裂开，萌生裂纹。 影响裂纹敏感性的因素 ①锌层的厚度。锌层越厚，裂纹的敏感性越大。热镀锌钢的锌层较厚，裂纹敏感性较大。 ②工件厚度。焊接拘束应力和工件厚度成正比，工件越厚，裂纹敏感性越大。 ③坡口间隙。裂纹敏感性随着坡口间隙的增而增大。 ④焊接方法。CO2气体保护焊比于手工电弧焊焊接的裂纹敏感性要大。 防止裂纹的方法 ① 焊接开始前，在镀锌板焊接处开坡口，去除坡口附近的镀锌层，同时控制间隙在1.5mm 左右。 ② 选用含 Si 量低的焊接材料。 镀锌板焊接气孔 焊缝附近的锌层在电弧能量的作用下发生氧化（形成 ZnO）及蒸发，并挥发出白色烟尘和蒸气，因此在焊缝中产生气孔的可能性很大。焊接电流越大，锌的蒸发越多，气孔敏感性越大，焊接速度越快，电弧力越大，气孔逃出越困难。 镀锌板焊接锌的蒸发及烟尘 用电弧焊焊接镀锌钢板时，焊缝周围的锌层在电弧能量的作用下氧化成 ZnO 并蒸发，形成很大的烟尘。这种烟尘中主要成分为ZnO和Zn颗粒，对人的呼吸系统的刺激性很大，所以，焊接时的通风措施必须良好。 镀锌板焊接氧化物夹渣 焊接电流较小时，加热过程中形成的ZnO不易逃出，易形成ZnO夹渣。ZnO比较稳定，其熔点为1800℃。 1.3冷金属过渡焊接技术 1.3.1冷金属过渡技术介绍 CMT焊接技术是一种无焊渣飞溅的新型焊接工艺技术，这种技术主要采用外加回抽力促进熔滴发生短路过渡，同时在电压电流的波形控制方面进行了改进[7]。同传统的MIG/MAG焊相比，CMT焊有几点明显的不同，即将送丝的运动同熔滴过渡过程相结合，且熔滴过渡时电压和电流几乎为零，可大幅降低热输入量，另外焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，从而避免了普通短路过渡方式引起的飞溅。 CMT焊接过程是当电弧引燃后，在熔滴与熔池接触并形成短路的瞬间，焊机即检测到短路信号，焊机给与控制信号给送丝机，送丝机回抽焊丝，利用送丝机外加的机械回抽力，熔滴过渡到熔池，图 1-1为CMT技术焊接的抽拉丝过程： 图1-1 冷金属过渡抽拉丝过程 因为冷金属过渡技术可以使短路过渡时的电流特别小甚至到零，所以这减少了焊接热在被焊接件中的传导。 1.3.2冷金属过渡技术的应用 CMT作为一种新型的熔化极气体保护焊接技术，凭借其工艺特点，在汽车制造，轨道客车制造，压力容器制造，电气元件制造，航空航天飞机制造都有着广泛的应用前景，CMT 焊接技术在工艺应用类型上主要有以下三个方面： （1）CMT焊接技术可以应用于钢/铝，镁/铝等异种材料焊接； （2）CMT焊接技术可用于各种材料表面熔敷以及模具修复； （3）CMT焊接技术可用于焊接薄板甚至超薄金属板材。 由于CMT焊接技术大大减少了热输入，焊接变形相对于传统MIG/MAG 也会减少很多。而且CMT还具有熔滴过渡稳定，无飞溅，高焊速和较强的搭桥能力的特点。Jair Carlos Dutra等人利用机器人CMT技术焊接镁合金表明机器人冷金属焊接可提供良好的焊接速度，良好的抗拉强度和塑性[8]。 哈尔滨工业大学采用高速CCD摄像机建立CMT焊接时的电弧形态和熔滴过渡视觉传感系统，同时通过电流传感器和电压传感器建立电流电压波形采集系统，以此来分析CMT焊接时的能量输入特点和熔滴过渡行为[9]。 1.4本文研究目的与内容 1.4.1研究目的 弧焊机器人配合CMT焊接方法，在汽车焊装生产中具有很好的应用前景。本课题研究CMT焊接工艺特点及弧焊机器人CMT焊在车身生产中应用工艺。实现将焊缝余高降低，并消除焊接气孔缺陷，降低打磨和抛光焊缝带来的粉尘污染，改善操作人员的工作环境，降低焊接变形，减少车身返工时间。 1.4.2研究内容 1）利用同样的焊接参数对镀锌板进行堆焊，控制焊接电流，焊接参数，对比冷金属过渡焊接技术和传统MIG焊接技术的飞溅以及外观成型的不同，得出较优参数。 2）利用冷金属过渡技术搭接镀锌板，研究气孔的产生原因。 3）研究CMT技术对接后的试板，分析焊接变形产生原因。 4）对实验数据进行分析、总结，得出结论。 第二章 试验材料和方法 2.1 试验仪器与药品 2.1.1 试验仪器 1） ABB1520型焊接机器人； 图2.1 ABB1520型焊接机器人 ABB1520机器人系统包括机器人本体，机器人控制柜、控制编程器三部分。 ABB1520机器人系统具有先进的制造工艺和运动曲线的动态模型,具有下列优点：具有合理的机械结构和紧凑化设计；包含6个自由度,AC伺服马达，可以使机器人本体在6个方向上进行自由移动，具有绝对位置编码器，可准确测量移动距离；具有的特定的负载和运动惯量的设计，可使得速度和运动特性达到最优化，ABB机器人的摆臂速度最高可达2m/s；机器人本体控制器之间使用电缆连接，灵活性很好。 机器人控制柜具有下列优点：基于Windows操作系统系统的开放好，短时间内可完成多种