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大厚板高强钢双面双弧焊新工艺及机器人自动化焊接技术

张华军  
【摘要】:在船舶、高压容器和重型机械等领域广泛使用大厚板高强钢焊接结构,目前,我国这种大厚板高强钢焊接结构一般采用手工电弧焊和半自动焊,工艺落后,生产效率低下,产品一次合格率低,工人劳动强度大。寻找新的高效焊接工艺方法,并进而实现机器人自动化焊接是当务之急,为此,本文研究了一种大厚板高强钢双面双弧焊新工艺,打底焊用双面双脉冲TIG焊,填充焊用双面双MAG焊,此工艺去除了清根工序,生产效率大大提高,在此基础上,进一步研究了双机器人自动化焊接技术,对双机器人协调和多层多道焊道排布及路径规划等关键技术进行了系统的研究。 首先,对大厚板高强钢双面双弧焊新工艺进行了深入的实验研究。双弧焊的温度场、应力场和组织性能等方面研究结果表明,与传统的单弧焊相比,双弧焊的温度场呈双峰结构,前电弧对后焊道有预热作用,而后电弧对前焊道有后热作用,这种相互热作用可降低焊缝冷却速度,从而改善焊缝组织和减小淬硬倾向,同时降低了残余应力,改善了冲击韧性和提高了抗冷裂性能,力学性能实验结果进一步证明了大厚板高强钢结构采用双面双弧焊工艺是可行的。该新工艺简化了工序,大大提高了生产效率和改善焊接质量,适合于机器人自动化焊接。 为了进一步了解双面双弧焊新工艺的热物理特性和优化工艺,对双面双弧焊热物理动态过程进行数值模拟研究。采用了计算机并行处理、多任务加载和串状带热源模型等技术,解决了大厚板多层多道摆动焊接过程数值模拟的网格数多、工作步多、多热源、摆动焊等问题,实现了双面双弧焊三维有限元模拟,计算结果表明,单双弧焊残余应力分布规律大致相同,双面双弧焊的横向应力比单弧小100MPa以上,纵向应力小50MPa以上,双弧焊的残余变形仅是单弧焊的1/4。另外,道间应力和变形演变规律表明,在多层多道焊中,打底焊道是最关键的。因此,本文进一步研究了预热温度对双弧焊打底焊道的温度场影响,结果表明,不预热双TIG焊的临界拘束应力比预热100℃单弧焊的高,说明双弧焊可降低预热温度,甚至可能实现不预热焊接。进一步分析了弧间距和焊接参数对双弧焊的温度场和应力变形场的影响规律,建立了弧间距与角变形的关系模型,选择适当的弧间距和调整前后电弧功率可获得较小的应力和变形。 其次,在上述工艺研究成熟的基础之上,为使之焊接过程自动化、机器人化,进一步研究了双机器人自动化焊接技术。采用OPC Server和Motocom32实现Kuka机器人和Motoman机器人间的通讯,提出了一种基于用户坐标系的主从协调控制算法,实现双机器人主从协调运动。并进一步设计了双机器人分离协调控制系统,实现双机器人的异步和同步焊接任务。 针对厚板多层多道摆动焊在线示教困难费时,开发出了基于图形离线示教的多层多道摆动焊路径规划模块。提出了一种自定义型多层多道焊路径规划数学模型,用户可自行设计焊接层数、道数和焊接参数,系统可自动规划出每道焊接路径焊枪的位置、姿态和摆幅等参数,从而快速准确地获得机器人多层多道焊离线示教程序,进而提高大厚板多层多道焊机器人编程效率。 最后,对双机器人多层多道焊进行验证性的实验,采用分离协调控制模式,利用离线编程获得双机器人多层多道焊机器人程序,在在线纠偏功能辅助下,实现了双面双机器人自动化焊接。焊接结果表明,采用双面双弧机器人焊接可大大提高生产效率,改善焊接质量,降低工人劳动强度。对提高我国大厚板高强钢焊接的高效化和自动化技术,促进船舶、高压容器和重型机械等制造水平具有重要意义。


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