装载机铲斗焊接模拟仿真与质量控制

第一章 绪论

1.1 研究背景
随着工业化与信息化的深度融合，智能化机器人技术的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。在工程机械行业内，徐工成为了首批焊接柔性生产线的应用公司。中国是目前全球机器人市场增长最快的国家，虽然焊接机器人具有节约人力、降低成本，提高产品的质量与产量，保障工人安全，改善工作条件，减轻劳动强度，提高工作效率等诸多优点。但是，机器人弧焊变形问题变成了一个更加突出、普遍的难题。徐工装载机铲斗为承受动载构件，结构比较复杂，零件制作公差和组装公差范围比较大，组装间隙大，焊脚尺寸从 5mm 到 25mm 变化范围大，焊缝长度从 20mm 到 3000mm不等，需要焊接各种空间圆弧焊缝、狭窄空间焊缝、对接焊缝、搭接焊缝等，并且弧焊机器人的基本功能比点焊机器要复杂得多，工具中心点（TCP），也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、各项焊接参数、焊接过程中的防碰撞功能、水冷却功能、送丝系统的能力、清枪站的作用、寻位的准确性、电弧追踪能力、重复引弧、断弧再引弧都要求精确控制。由于铲斗焊缝密集，且角焊缝偏多，应力集中较大，使用智能化机器人焊接系统焊接效率较高，但是焊接变形严重。目前焊接变形使主刀板平面度受到较大影响，在装载机使用的过程中卸料不彻底，铲斗内容易粘结泥沙等物质。另一个受到严重影响的就是铰接板法兰开档尺寸，铰接板法兰开档用于连接动臂和拉杆，开档尺寸较小不能装配，开档尺寸较大时存在装配间隙，影响装载机质量。由于铲斗拼点质量的不稳定性，以及对机器人系统掌握的程度，在铲斗通焊过程中，产生大量的焊接缺陷，如偏焊、气孔等，通焊完成后，还需要大量的人工对焊接缺陷进行修补。
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1.2 装载机铲斗制造概述
装载机铲斗是由多个零部件焊接而成的结构件，单板零部件是由下料切割、打磨毛刺、调平、折弯、机加工等工序加工而成。其中铰接板法兰和斗底护板提前焊接成小总成。在装载机铲斗生产过程中，首先需要将铲斗各零部件及小总成，在铲斗点焊工装上进行拼装、点焊，其次将拼点成型的铲斗放置到料台上，自动生产线中的 RGV，将工件转运到步进式上料缓存台存放。自动生产线轨道两侧各布置了 12 台机器人焊接工作站，通过 DCS 调度系统，完成工作站上工装对铲斗的自动装夹，并调用对应焊接程序，启动自动焊接。焊接完成后，转到镗专机上对三组铰接孔进行加工，加工后以铰接孔定位，焊接限位块、固定块等小件。针对焊接过程中铲半产生的变形进行测量，低于工艺要求平面度的，需要进行校正工序，以保证铲斗的平面度。
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第二章 装载机铲斗焊接仿真变形研究

2.1 装载机铲斗的结构特点及生产流程
铲斗结构状如斗形（如图 2.1、图 2.2），呈中空敞口状。由于铲斗中空导致结构本身刚度较小，中间敞口区域又没有可靠的约束，如果对其施加向内的力的话就很容易收缩，使主刀板中部向内凹陷。6 块铰接板环绕斗壁板以立板形式坐落在斗壁板上（如图2.1），可以将其简化看做双面焊接的 T 型接头，其变形原因主要为铰接板两侧焊缝先后施焊收缩变形导致。铲斗结构和斗壁板外侧焊缝布置见图（如图 2.2），铲斗主体由较多规格、尺寸不同（厚度 8~53mm）的钢板焊接而成，铲斗焊缝主要集中在斗壁板外侧，主要焊脚尺寸8~10mm，热输入量大，并且焊缝数量多、尺寸长，绕斗壁板外侧一周，焊缝纵向收缩应力大。尤其铲斗底部焊缝密集，不仅有斗底护板绕斗壁板环焊缝的作用更有主刀板及加强筋板区域性交错焊缝产生的大量热输入。机器人连续焊接时，强大的热输入使主刀板及其附近斗壁板区域的屈服强度降低，之后在先施焊焊缝冷却后的残余应力及其自身冷却应力的共同作用下，主刀板产生塑性变形，其中部区域凹陷。除了焊接的影响，铲斗在生产过程（如图 2.3）中也有许多注意点：主刀板、斗侧板等来料的尺寸及公差要求，斗壁板经全自动卷板机加工后的各项尺寸必须满足要求，铲斗在自动定位压紧液压工装（如图 2.2）上拼点时各项尺寸及拼点间隙应满足要求。
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2.2 装载机铲斗变形原因分析
装载机铲斗焊缝形式多为角焊缝，并且焊接变形以角变形居多。焊接角变形机理分析：焊接角变形表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移，角变形是一种面外变形[4]。角变形的三种常见形式：由图可知：铲斗主刀板变形类似于图 2.4 所示角变形，铰接板变形类似于图 2.5 所焊缝角变形。角焊缝所造成的 T 形接头的角焊缝变形由两部分组成：其一是角焊缝使翼缘产生横向收缩而造成翼缘偏转一个角度；其二是角焊缝自身的收缩引起的角变形。角变形的根本原因是横向收缩在厚度方向上的不均匀分布所造成，角变形的大小取决于熔化区的宽度和深度以及熔深及板厚之比，因此角变形沿焊缝长度方向上的分布也与横向收缩类似，在开始时比较小，以后逐渐增大。其实角变形根本的原因还是热源在板厚方向上产生的温度差，可以用板正面和背面温度差来计算，即温度差越大角变形就越大。
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第三章 基于弧焊机器人系统控制焊接质量 ........ 21
3.1 弧焊机器人概述...... 21
3.2 弧焊机器人突出问题系统改善.......... 22
3.2.1 焊枪问题改善..... 22
3.2.2 送丝不畅问题改善.... 25
3.2.3 机器人清枪系统改善....... 29
3.3 铲斗焊接问题改善......... 30
3.4 本章小结 ......... 34
第四章 铲斗工艺改进 ......... 35
4.1 焊接缺陷跟踪分析......... 35
4.2 铲斗工艺改进.......... 37
4.3 本章小结 ......... 55
结论与展望...... 56

第四章 铲斗工艺改进

4.1 焊接缺陷跟踪分析
通过深入现场跟踪，记录所有位置产生的焊接缺陷，将其归类总结如下，从焊接程序及来料控制方面分析原因，提出解决措施，见表 4.1：上述改进措施主要包括以下几方面：保证来料尺寸及表面质量，确保点焊质量，改进机器人寻位方法，优化焊接参数。改善后缺陷数明显下降，焊接质量得到提高。但要想巩固现阶段的改进成果，彻底消除焊接缺陷，提升焊接质量及生产效率，必须采取更科学更系统的解决办法。因此，从人、机、料、法、环方面入手，从源头找出影响铲斗焊接质量及效率因素，全面改善。测试结果发现，在转动过程中工装确实发生了滑动现象，这足以解释为何采取船型位姿态焊接的角焊缝经常出现偏焊、气孔等缺陷。由于铲斗自动线为柔性化设计，要求工装能适应不同型号产品，因此待工件装上工装后，长度方向需要采用液压方式向两侧拉紧并固定。油缸压力设计值为 8MPa，将其升至 10MPa 后不能解决该问题，因此考虑改进工装结构。改进后的工装由双向拉紧改为单向拉紧，拉紧一侧增加靠板。经验证，改进后工装没有发生明显滑动现象，从源头上降低了焊接缺陷数。原通焊机器人变位夹紧工装为两侧均采用液压方式固定铲斗左右位置，且仅左边一侧有固定块（如图 4.5），铲斗在变位翻转时，液压工装不能保证铲斗左右方向位置固定，铲斗发生滑动，，造成偏焊及气孔等缺陷。

结论

本文对装载机铲斗在弧焊机器人通焊过程中的焊接变形和焊接缺陷作为主要研究对象，通过模拟仿真、焊接试验和弧焊机器人系统特点分析，研究了降低装载机铲斗焊接变形和焊接缺陷的工艺规范和工艺措施，得到如下结论：
（1）采用固有应变法和弹塑性有限元法相结合的方法对装载机铲斗焊接过程进行模拟仿真。模拟出结构件的整体变形趋势，找到对变形影响较大的焊缝，然后采用弹塑性有限元法重点对这些焊缝精确模拟。对焊接顺序提出了改进方法，预测结构件变形趋势。
（2）在焊接试验及焊接仿真的基础上，对铲斗上各个区域的焊缝进行逐一仿真，针对仿真结果又逐一进行现场试验，通过焊接机器人编程调整焊接顺序，统计各个区域焊缝对主刀板焊接变形的影响，制定出获得铲斗变形量最低的合理工艺规范，使铲斗变形量降为最低。
（3）针对装载机铲斗结构的复杂性，弧焊机器人在生产应用中存在着一些突出问题：焊接缺陷严重，机器人故障率、停机率高。结合国内外几种弧焊机器人的设计原理，对弧焊机器人系统及生产工艺进行了系统的改善，如：机器人送丝系统改进，清枪系统优化，机器人编程的改善等，获得较好的效果。
（4）结合焊接仿真结果和弧焊机器人系统的寻位特点，对铲斗的结构形式、焊接顺序都进行了优化，并制定了详细的拼点作业指导书、通焊作业指导书，同时通过加强对操作者的培训等措施的大力推进，使得铲斗铰接板开档变形得到了控制，通焊后不需校正，杜绝了下道工序装配过程的问题反馈；使铲斗主刀板的焊接变形减小 30%~50%，焊后校正时间减少 50%。铰接板开档尺寸控制在合格尺寸范围内。焊接缺陷减少了60~80%提高了产品质量，并且同步提升了生产效率。
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参考文献（略）