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《天津大学》 2009年
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弧焊机器人金属快速成形研究

杜乃成  
【摘要】: 近年来,弧焊金属快速成形技术已经成为材料加工与先进制造技术领域的研究热点之一。弧焊金属成形具有成本低,效率高等优点,但是由于弧焊过程中可调参数多、焊接熔池形状可控性较差、热循环复杂等因素的存在,使弧焊金属成形在成形精度及性能方面尚存在不足。本文从系统组成、过程控制及成形工艺等方面进行了弧焊金属成形应用基础研究,该研究对于金属弧焊快速成形的应用具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文以MOTOMAN HP6弧焊机器人为主体建立一个弧焊快速成形系统,结合MIG焊铝合金加工成形工艺,主要开展了以下研究: 1)本文开展了弧焊机器人金属快速成形系统方面的研究,以系统组成、过程控制及离线编程为重点,在弧焊机器人金属成形系统的软、硬件方面进行了设计;建立了机器人MIG焊金属成形系统,该系统主要由机器人、MIG焊机以及红外线点测温传感监测系统构成;根据弧焊金属成形特点,提出了层间、道间焊缝路径规划方案;设计并初步实现了机器人弧焊成形加工的离线编程,解决了离线规划数据与MOTOMAN机器人作业程序的转换问题; 2)进行了弧焊金属成形过程中温度监测分析研究。弧焊金属快速成形是通过叠层堆焊进行的,热循环过程比一般焊接过程复杂得多。因此,为了提高金属弧焊成形尺寸的精度,选用Optris CT20红外测温仪建立了红外线点测温扫描温度监测系统;通过回归(拟合)预测方法在线预测工件初始温度(即层间、道间温度)在空冷条件的变化; 3)以热输入及工件初始温度为主要的变量,就其对成形特征尺寸的影响采用径向基函数神经网络方法进行拟合分析。由焊缝成形特征尺寸熔宽B、熔深H、余高h的E-T0拟合曲面可见,B、H及h均随E的增加而增加,而对于工件预热温度T0则表现不同趋势,B、H随T0的增加而增加,h随T0的增加而减小。热输入及工件预热温度是影响铝合金电弧成形特征尺寸的重要因素; 4)对铝合金MIG焊成形过程中熔滴过渡形式、热输入及工件初始温度是影响弧焊金属成形影响规律进行研究,提出了短路过渡形式与喷射过渡形式相结合的铝合金弧焊组合熔滴过渡成形工艺;该工艺发挥了短路熔滴过渡及喷射熔滴过渡各自的特点,将两种过渡形式有机地结合起来,与单一的喷射过渡相比,既提高了弧焊金属成型焊道尺寸的稳定性,又降低了成形焊道的平均热输入; 5)本研究对于机器人铝合金弧焊成形试样进行了接头组织分析、维氏硬度及表面应力等性能测试。研究结果表明,焊缝中心的平均硬度均大于熔合线部位的硬度;在相同热输入的情况,短路过渡形式的Mg含量较高,随着成形工艺热输入的增大,短路过渡与喷射过渡形式的试样,Mg含量均呈下降趋势。采用组合过渡形式,在获得较高熔敷率的同时,减少了Mg的损失,有利于铝合金成形焊道的晶粒细化及接头强度提高。
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