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焊接机范文1
关键词：焊接机器人;控制系统;发展趋势
焊接是一种将材料永久连接，成为具有给定功能的结构的制造技术。焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能，在另一方面，我们不得不承认焊接是一种在相对较差的环境中所进行的一项高危险性工作。焊接是工业生产中非常重要的一种加工手段，焊接质量高低直接影响着产品质量的好坏。焊接机器人是机电一体化的高科技成果，它具有提高焊接质量和劳动生产率、改善工人工作条件、降低工人劳动强度、缩短产品准备周期等特点。随着我国制造业先进技术的发展，自动化和智能化的焊接工艺逐渐成为一种必然的发展趋势，焊接机器人在各个方面均能满足生产需求，所以采用机器人进行工业焊接已经成为焊接技术智能化的重要标志。
一、我国焊接机器人的发展
1.焊接机器人的发展
焊接机器人从研发至今，经历了三个具有标志性的阶段。第一个阶段的焊接机器人是一种很难适应外界环境变化的示教再现型机器人，不具备外界信息的反馈能力，操作很简单，在现代化工业生产中的应用受到很大限制，但仍在一些生产线上应用。在第二个阶段的发展中，焊接机器人在工作时借助传感器获得的信息，开始具有感知能力。这类机器人可以灵活调整工作状态，可以在适应环境的情况下完成设定的工作任务。现阶段，我们研究的重点对象则是智能型的焊接机器人。这类机器人不但具有前两个阶段焊接机器人的所有功能，甚至还可以进行编程，可以很好地适应外部环境，仅仅通过简单的操作就能够完成较为复杂的动作。
2.焊接机器人的发展现状及趋势
目前，焊接机器人的工业生产主要应用在汽车、工程机械等大型机械类行业。焊接机器人焊接的产品质量稳定，对工人劳动的环境和条件也有很大的改善，最重要的是能够提高劳动生产效率。正因如此，焊接机器人的研究方向必然朝着专用化、智能化的方向发展。就目前的形势来看，人工劳动力成本逐渐上涨，随着技术的发展，焊接机器人在性能不断提升的同时价格将逐渐下降，可以说，焊接机器人的应用会越来越广泛。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人日后将会朝着全数字化、高度集成化、智能化的方向高速发展。智能化的特点体现在参数的在线自调整功能，具有参数记忆功能，以及故障诊断的功能等方面。
二、焊接机器人控制系统的研究
1.焊接机器人的关键技术
焊接机器人的重要组成部分包括传感器、控制器和执行器。其中传感器的作用日益重要，焊接机器人系统中的激光传感器和力传感器等都是相对于早期机器人较为先进的技术，这些传感器的应用能够实现焊缝跟踪和自动定位等，大大提高了焊接机器人的工作性能和对工作环境的适应性。为进一步提高焊接机器人的智能化和适应性，控制系统中还应用了很多其他技术。例如，目前的技术水平还不能达到完全的自主焊接的程度，所以极为需要采用遥控焊接技术。通过遥控焊接，可以使人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成整套的焊接工作。遥控焊接在一些不适合人类亲临现场的环境中就显得尤为重要了。
2.焊接机器人的控制系统
机器人控制系统是机器人的核心，是根据控制指令以及传感器所采集的信息来控制焊接机器人完成设定的动作或指令。焊接机器人的控制系统重点研究开放式、模块化控制系统。同时，开放式机器人控制器也是当前控制系统的主流和发展趋势。现阶段应用最为广泛的便是伺服控制系统。伺服控制系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移或转角准确地跟踪输入的位移或转角。伺服控制系统的控制柜相对小巧，通过模块化结构的改变大大提高了系统的可靠性、易操作性及其可维修性。控制系统的性能进一步提高，并且实现了软件伺服和全数字控制。机器人控制器的标准化、网络化以及网络式控制器已成为目前研究的热点。
三、结语
就我国目前的情况来看，对于焊接机器人控制系统的研究还处于理论大于实际操作的层面，对于很多在实际应用中可能出现的问题考虑并不是很深刻。所以，在我国工业制造的智能化转变中，这种焊接机器人的研发和应用就显得尤为重要。另一方面，还要加强对焊接机器人的实际应用，及时发现问题，解决问题。可以想象，在未来焊接机器人会向着集成化方向发展，具有感知环境变化的适应能力，智能水平大幅提高。
参考文献：
[1]彭园，张华，叶艳辉，乐健.移动焊接机器人控制系统设计[J].
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[2]迟宁.焊接机器人智能控制程序的研究与实现[J].北方工业大
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[3]张小衡，李汶周.焊接机器人系统通信接口分析与设计[J].通
讯世界，2014（19）.
焊接机范文2
论文关键词：自动焊接,数学模型,控制
为保证焊接产品质量的稳定性、提高生产效率、适应先进制造技术的发展要求，实现焊接自动化生产已经成为必然的趋势。本研究课题针对目前在实际生产中复杂空间取消焊缝焊接任务所占比重较大、而且难以人工焊接实现，以及国内相关技术研究较少的现状，对多功能自动焊接伺服控制技术进行了研究。
1自动焊接开放式数控系统
基于开放式数控系统的焊接数控系统是一个结构开放，功能模块化、标准化性能强大的焊接数字化系统，将改变传统的焊接数控系统结构封闭的局面，解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强系统的柔性。同时，自动焊接开放式数控系统具备以下有点：成本低，软件开发环境完备，软件资源丰富，可移植性可扩展性互补性均较好等。
本文所设计的自动焊接机床，可焊接多种类型的工件，实时控制系统各模块之间保留了统一的接口，根据用户的需要可随时添加所需的模块，既满足了用户的需要，又提高了该机床的实用性。
2 设计
2.1机床本体的设计
自动焊接机床主要包括机床本体和焊接设备两部分。机床本体由机械部分和控制柜(硬件及软件)组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源(包括其控制系统)、送丝机(弧焊)、焊枪(钳)等部分组成。本研究以复杂空间曲线接缝(如管与管之间以任何角度连接接缝)自动焊接实现为目标，研制开发一台可实现五轴联动的多功能自动焊接床的机械及伺服执行机构。
2.2构建伺服控制硬件系统
该机床利用计算机和普通的I/O卡加步进电机和驱动器构成伺服控制系统。采用“通用I/O卡+专用计算机软件”来实现对步进电机的控制，不仅经济实惠，而且具有非常好的灵活性和友好的软件用户界面，必要的时候可以实现一台电脑同时对几十个步进电机的直接控制，或发挥它的网络功能应用于复杂的工程系统控制。采用通用“I/O卡+专用计算机软件”控制的步进电机的数量取决于I/O卡的位数和驱动器所需的控制信号数。通常情况下，步进电机驱动器的细分设置由硬件来完成，所以一般的驱动器只需要两个信号：脉冲信号和正反转信号，当需要实现软件方式控制驱动器的细分数时，还需要细分控制信号。系统各部件原理如图1所示。输入设备包括键盘、控制杆等，通用数字输入输出卡采用AC4161型，有16路的输入输出通道，因此最多可以同时控制五个步进电机，其中三个采用75BF001型号，分别控制X、Y、Z三个方向的位移，保持转矩为0.39N*m，最大相电流3A，步距角1.5度，空载启动频率为1.75Hz。
3 关键技术及实现
3.1建立三维空间中的数学模型及插补算法
在机床的硬件平台搭建后之后，如何控制焊枪及工作台的精确运动从而实现相贯线焊缝的焊接就成为需重点解决的问题。本文采取了首先建立数学模型，并在保证插补误差和焊接精度的基础上，将工件相交而成的连续焊缝采用等时间间隔的插补方法离散成一系列的微小直线段，然后将所获得的位移量通过精插补算法转换成可以通过开关量卡发送的脉冲数据，最终控制步进电机驱动执行机构完成对相贯线焊缝的焊接。
以相交圆柱管相贯线接缝焊接为例，数学模型的建立：
设相交两圆柱管(主管和支管)的半径分别为R和r，且R>r，如图2所示，坐标原点O是两圆柱管轴线的交点，两圆柱管轴线OV和OW的交角为α。焊接时，工件固定在工作台上，工作台沿x、y轴移动，焊枪沿z轴上下移动，同时还可以O′为定点绕X轴和Y轴转动，通过这五个轴向的运动控制，就可实现相贯线焊缝的自动焊接。由此可得半径分别为R和r的两个圆柱管相交所形成的相贯线接缝φ(θ)在O′XYZ坐标系中的方程：
其中，θ是支管上的旋转角。
完成实时焊接的伺服控制的首要任务就是对焊接轨迹进行插补运算。插补就是按给定曲线生成相应逼近轨迹的方法，其实质是对给定曲线进行数据点的密化。本文采用等长直线段逼近相贯线焊缝，即在保证给定逼近误差的前提下，用等长直线段代替圆弧段，这种插补方法的计算简单，虽然加工精度不如采用圆弧段逼近的方式，但却完全能够满足焊接加工的精度要求。
3.2 自动焊接软件系统平台的开发
该系统的精插补过程由软件和硬件共同实现，由软件计算出控制信号的输出时间间隔和应该向步进电机发送的高低电平数据，由硬件接口板实现数据的输出。编制运动控制软件实现精插补的过程有两个关键环节：一是如何得到比较精确的延时时间间隔；二是如何将单个电机的控制脉冲序列进行合并，最终实现自动焊接机床五个轴的联动。本研究利用Delphi软件构建操作软件系统平台，以界面友好为设计目标，按照功能进行模块化设计，实现自动焊接数据处理、制等需要的各种操作。
4 系统精度的分析与改善
本文所设计自动焊接数控机床是采用步进电机作为驱动源，与相应的驱动电路结合组成的开环控制系统。在步进电机驱动系统中，影响伺服精度的主要因素有以下几个方面： 步进电机误差、齿隙误差、导轨误差及热变形影响等。
对于步进电机误差可采取减小步距角的方法来改善。当传动比一定时，随着步距角的减小，脉冲当量也随之减小，从而提高机床的精度。当电机选定之后，驱动器细分电路可进一步降低机床的脉冲当量，当步进电机运行在细分模式下时，步距角显著减小，转子达到新的稳定点之后所具有的动量变小，振动变小，提高了步进电机低速段运行的平滑性；在软件方面，通过对插补周期和插补步长的控制，使步进电机的运行频率尽量避开其低频振荡区间，保证步进电机的运行平稳性。
对于齿隙误差，主要采取以下两种改善措施：将中心距设计为可调机构，调节中心距消除齿隙；双片齿轮加载扭簧消除齿轮本身误差引起的间隙。可通过提高导轨精度来改善导轨误差。
参考文献
[1] 邹增人，焊接材料、工艺及设备手册[M]，北京：化学工业出版社，2001。
[2] 佟欣，焊接自动化技术的开发[J]，焊接技术，2000。
[3] 周骥平，林岗，机械制造自动化技术[M]，北京：机械工业出版社，2001。
焊接机范文3
关键词：电阻焊机；同步；参数设定；自动跟踪
【分类号】：TP261
0 引言
马口铁三片罐在食品如饮料、奶粉，化工如杀虫剂、墙漆等包装应用广泛，品种多。电阻焊机系列产品能适应不同产品的生产要求。它主要包括真空吸铁、推铁、铁片成圆、送罐、拨罐和铜线辅助系统等[1][2]。我司现有的电阻焊机，其传动系统有其共同特点：（1）多电动机协同同步运行；（2）铜线驱动配有气缸控制运动元件。高速电阻焊机QM-500，伺服和变频马达有8只。下面分析研究欧姆龙OMRON的产品MCH71运动控制模块等对汕轻焊机QM-500高速焊机的控制。
1 控制系统关键点一
成圆部分关键点：汕轻焊机QM-500，其生产速度500罐/分，即每个罐只有约0.12秒的时间来加工，动作频率高，真空吸铁、推铁、成圆，到后续的送罐、拨罐和铜线驱动等，它们的运动步调要协调一致，也即同步，否则就发生碰撞干涉等。成圆部分真空吸铁、推铁的同步，不能沿用低速焊机使用机械凸轮来实现这个控制。
2 控制系统关键点二
送罐机构和焊轮速度按照工艺的要求分别恒定在一定的数值。刚从成圆机加工好的罐筒和上一个已被送罐机构送前一步的罐之间有比较大的间隙，也就是送罐机构的输送链爪间需要较长的距离。上下焊轮上的铜线通过很高的电流来焊接罐，当前一个罐离开焊轮时，如果导电的铜线没有接触到后一个罐，大电流直接断开就会产生电弧，所以在送罐机构输送链爪上的罐，通过拨罐机构将罐送到比较靠近前一个罐的位置，当然如果二个罐之间的距离太近，就会把二个罐焊接在一起，所以罐之间还必须保留足够的间隙约2mm。所以拨罐的作用是调整焊轮左右二个罐之间的间隙。成圆后的罐筒到焊接的关系参见图二：
3 控制系统关键点三
铜线系统分为四部分，分别是铜线压扁，焊轮驱动，铜线驱动和铜线切断。分别由4个马达驱动，需要3个张力反馈控制。铜线压扁是把铜线压出来二个平行的平面，这样铜线通过焊轮时，铜线与焊轮和罐的接触面积都增大，接触更可靠。焊轮驱动是驱动焊轮以一定的速度转动。铜线驱动是因为焊罐时铜线要通过很大的电流，铜线会因为发热而变长，所以需要做专用的铜线驱动系统来保证铜线的运行。铜线切断是为了回收铜线再利用，所以把用过的铜线切成小段，方便回收。
4 客户的应用课题
生产旺季时需要机器24小时连续稳定生产。本机经常用来生产水果等罐头的罐，在水果成熟期，客户会收集大量的水果准备生产。如果机器不能稳定达到预期产能，那么水果就会腐烂，所以机器的可靠性要求非常高。机器的实际生产速度要保持不低于65万罐/每天。机械凸轮使用寿命太短，客户不使用机械凸轮。
5 控制系统实施课题
1.由于吸铁和推铁同步要求，用机械凸轮的控制，存在加工难度大和使用寿命短，严重影响了机器的使用，所以使用具有同步电子凸轮等控制功能的多轴运动控制器。
2.PLC 需要控制6个伺服轴，4个变频器。
3.铜线系统的速度和张力的控制。
4.为简化机器维护，要求尽量省配线。
6 解决方案
1.系统配置使用MCH71运动控制器，通过MECHATROLINK―II连接伺服；使用NS115连接安川直线伺服系统。如图三所示：
2.使用DEVICENET现场总线连接变频器和阀岛，减少配线，提高可靠性。如图四所示：
3.推铁控制具体的速度和位置控制曲线见图五所示：（X表示360度内，Y是360度内送罐链平均速度）
4.拨罐位置和速度控制具体如图六和图七所示：
5.调试过程中所遇到的问题及解决办法：
1.MCH支持软件不能选择直线马达。解决办法：设定一个假想的旋转型马达和虚拟的机械齿轮比，使得虚拟的编码器脉冲数通过计算后，可以和直线马达的光栅尺反馈的数据相吻合，伺服驱动器里的参数，只能使用安川的软件进行设定。
2.MCH71的单元处理周期较长，高速运行时凸轮相位严重滞后。
解决办法（1）：尽量优化程序，减少单元处理周期，如减少并行任务数量，禁用一部分的CPU单元的数据刷新，改为用IORD/IOWR指令来访问MCH的内存区。
解决办法（2）：因为在运行中负载比较均衡，单元周期造成的同步相位偏差和运行，会存在明显的按比例放大的关系，所以在控制软件上根据设定速度预置了不同的提前量即相位差。
七 结论
系列化的低、中和高速电阻焊机产品，机械传动部分成熟地运用“三化”设计，控制系统部分控制模块MCH71等的采用，提高了产品的稳定性和寿命，为客户创建一个更为清晰的控制平台。简单模具和必要零件地调整，控制参数地重置，随时可以生产其它高品质的罐身，也为远程控制创造了有利条件。
参考文献：
[1]杨邦英・罐头工业手册・北京：中国轻工业出版社，2002。
[2]胡楠・轻工业技术装备手册第3卷・北京：机械工业出版社，1997。
[3]汕头轻工机械厂有限公司・汕轻焊机QM-500全自动罐身焊接机使用说明书・汕头：汕头轻工机械厂有限公司，2010。
焊接机范文4
关键词：焊接机器人；标定；工具参数
中图分类号：TP274 文献标识码：A
1 工具坐标系的标定
机器人工具坐标系是由其末端坐标系决定的，若没有定义工具坐标系，则机器人末端坐标系被默认为工具坐标系。焊接机器人工作时，在机器人的末端必须固定焊枪。根据焊接工艺和要求的不同，需选择合适的焊枪。在更换焊枪时，必须重新标定焊接机器人的工具坐标系。机器人的工具坐标系由其末端坐标系与焊枪的位置和姿态决定。机器人工具坐标系{TCF}的标定就是指精确地确定出工具坐标系相对于机器人末端坐标系之间的位置和姿态。
2 确定工具坐标系原点相对于机器人末端坐标系的位置偏移
本文首先三点法来确定工具坐标系的位置参数。机器人各坐标系相互关系如图1所示。
机器人末端坐标系相对于机器人基准坐标系的转换关系由机器人的正运动学方程得到。机器人焊枪尖端处坐标系（工具坐标系）相对于机器人末端坐标系的转换关系为所求，其各个参数是固定不变的，由以下关系式得到：
其中：
上式中
，
表示关节到关节的转换矩阵，分别表示焊枪坐标系原点相对机器人末端的偏移。本文采用RPY法描述焊枪的空间姿态，RPY法是手部相对末端坐标系轴做3次连续转动获得规定姿态的描述方法。其中、P、W、R分别表示焊枪相对参考坐标系连续转动获得的姿态，P代表绕Z轴转动的翻滚角，W代表绕Y轴的俯仰角，R代表绕X轴的偏转角。
图2 三点标定位置
三点法就是从不同的方向到达一固定点，同时记录各关节角度。同时满足：
式中：
由于工具点相对机器人末端点一定的，即：
三个不同方向的工具到达同一点，则。
由此可得：
α、β、γ满足且不能满足。有上式可求出中的。
3 确定工具坐标系相对于机器人末端坐标系的旋转量
一旦工具确定了，就可以确定工具坐标系相对于机器人末端坐标系旋转量的确定方法如下：在工具的某一平面内取第四点确定机器人工具坐标系的原点，取第五点、第六点两点，如图3。第四点到第五点的向量方向为XT的方向，由P4、P5、P6三点确定的平面的法向量n为ZT的方向。在这部分操作过程中机器人末端姿态和焊枪的姿态没有变化，只是位置发生改变。
图3 标定坐标系
设工具末端在这3点的位置为P4、P5、P6，则，
，，然后分别对进行单位化。
可得到矩阵：
由在四点的各关节角算出在四点时的末端点姿态：
可得工具到末端的姿态矩阵为：
所以工具到末端的位姿转换矩阵为：
其中
机器人工具坐标系相对于末端坐标系的旋转量可由上式根据反RPY求出P、W、R。
3 算法的标定结果
由于实际现场应用的焊接焊枪的形状可能不规则，在建立工具坐标系时需要进行标定，出于对标定算法的验证，以生产线实际的有尺寸参数的焊钳进行标定和比较。
有机器人正逆解运动和标定算法得出：
而实际工具端点到法兰中心的旋转矩阵和参数为：
从以上两组数据可以看出，此工具标定算法误差小，准确和方便等优点。
结语
介绍了焊接机器人的用于工具坐标系标定的六点法，实现了机器人工具坐标系相对于机器人末端法兰中心的标定。标定工具坐标系的六点法对工具的形状和尺寸没用任何限制和约束，该方法不需使用外部测量设备，仅采用机器人关节角和坐标变换计算来求取机器人工件坐标系相对于末端的齐次坐标变换矩阵。通过机器人焊接试验可以看出所提方法的有效性。
焊接机范文5
关键词：焊接机器人，工程机械，动臂焊接系统，功能与应用
0 前言
焊接生产中，利用先进的装备和技术来提高产品质量和效率、降低成本，提高市场竞争力是社会和经济发展的必然趋势。焊接机器人由于具有生产过程自动化、劳动强度小、生产效率高，产品焊接质量稳定，可持续作业等特点，在工程机械个工业系统中得到了广泛应用。目前，全世界50%左右的机器人应用于焊接生产中，并逐渐从汽车工业拓展到桥梁、钢构、工程机械等领域。
我国工程机械行业应用焊接机器人较晚，目前处于引进消化阶段。在此，以开元机器人系统有限公司生产的动臂焊接系统为例，具体介绍焊接机器人在现代工业生产中的应用。
1 动臂焊接系统
动臂焊接系统主要用于挖掘机动臂的焊接。由神钢机器人本体、变位机、移动装置、焊接装置、控制系统组成。机器人本体为6自由度关节型，选用山羊AC伺服电机，神钢公司专为工程机械焊接研发。变位机为一轴双夹持变位机，可带动工件转动到焊接需求位置。移动装置为机器人Y轴坐标的扩展，变位机和移动装置可与机器人实行联动。焊接装置包括神钢公司研发的焊接电源、焊枪、送丝机等硬件和焊接专家系统软件。控制系统控制动臂焊接系统整体运转并可与外界进行信息交换，使操作者可远程操控。
2 动臂工件特点
由于挖掘机型号不同，动臂存在多种型号。动臂为厚板拼装而成，从而造成其焊缝深，坡口大，质量大，装卡时容易造成位置偏移。焊缝以直线型为主，还包含曲线型和圆型。
3 功能与应用状况
3.1焊丝接地传感（接触传感）
焊丝接地传感（接触传感）机能，是通过焊丝接触检测位置，由此计算工件的偏移纠正量，边纠正示教位置边进行动作的机能。在动臂装夹时，由于工件大，质量重，会或多或少有位置偏移，对于这种情况，可先在程序开始部分加入3方向传感机能，分别进行x、y、z的3方向的传感，对于示教位置将示教的检测点（工件基准点）和根据传感动作检测出的检测点之间的差别，进行加算纠正，从而找正工件装夹误差。对于焊缝的偏移，可在程序中加入开始点传感机能，在焊接中预先检测坡口的中央位置，其与示教时工件的偏移量作为纠正量，纠正以后的焊接线的位置偏移。对于一些特殊情况则可根据其类型用圆弧传感、多点传感等传感功能纠正。因此利用焊丝接地传感功能，可以消除动臂在加工，拼装和装夹定位带来的误差，自动寻找焊缝并识别焊缝的情况，实现顺利焊接。
3.2 电弧传感功能
电弧传感功能是在焊接过程中采集焊枪摆动到不同位产生的电流值，经过系统的运算来自动追踪焊缝偏移的功能。论文参考。下向角焊时，500mm焊缝长可以追踪25mm的焊缝偏移，因此保证了动臂焊接质量。论文参考。
3.3数据库功能
数据库功能是事先设定·登录焊接条件，通过数据库命令呼出设定的焊接条件的功能。此外，在数据库中可以设定每层的焊接条件，通过设定必要层数的焊接条件可以进行多层焊接。在动臂焊接中，可直接调用焊接专家系统中的焊接数据库，直接用于程序中，也可根据用户本身的工艺要求，从新设定数据库，从而达到想要的焊接效果。
3.4 多层堆焊功能
多层堆焊功能，是指根据数据库、自动条件的道次条件,在再生时生成多层堆焊序列程序进行多层堆焊的功能。针对于动臂的大焊缝，深坡口的情况，焊接一层不能填满焊缝，因此需要多层堆焊功能。动臂示教时，先编辑数据库，根据焊接工艺将每层每道的参数设定，从而做出新的数据库。编程时，用程序可直接调出所设定的多道次（2道以上）的数据库。在执行调出命令时，自动生成多层焊接序列程序，从执行的道次开始执行并读出相应的数据进行焊接，填充满焊缝。
3.5坡口宽度跟踪功能［1］
坡口宽度跟踪功能是在焊接过程中使用电弧传感器检测出坡口宽度，并自动补偿摆动条件，焊接速度的功能。在拼装动臂过程中，人为或夹具的误差会引起焊缝宽度变化，对于这种变化可以在编程中加入坡口宽度追踪功能，从而使每层焊接均匀，余高一致，焊缝成型好。
3.6ARCMAN功能
ARCMAN功能是，结合变位机的回转，机器人在变位机盘面上进行直线、圆弧等动作的功能。（在变位机连动功能中，机器人前端和变位机的回转没有关系，在空间中移动到示教的位置。论文参考。）
在焊接固定在变位机上的焊接对象（以下称作“工件”）时使用的话就很方便。在边回转变位机边进行工件直线部和圆弧部的焊接时，通过使用本功能，可以通过比变位机连动功能少的示教点进行示教，从而得到希望的轨迹（相对于工件的机器人前端轨迹）。并且，由于通过指定速度在盘面上示教的位置之间移动，所以即使在变位机回转的区间内，通过设定通常的焊接速度命令也可以得到希望的焊接速度。
（在变位机连动功能中，为了得到希望的焊接速度，必须设定从变位机回转角度计算的连动速度。）
焊接机范文6
变形，进而推导出焊接接头区域理论温度；然后通过人工热电偶试验测得铝片表面及铝片一铜管间的温度．再结合接头扫描电镜图片进
行验证，认为焊接接头的形成是由材料本身的塑性本质、一定的摩擦升温、工具头竖直方向压力3个因素共同作用的结果．整个过程使
接头区域材料发生充分的塑性变形，破坏并清除氧化物、油污，使焊件材料原子之间发生力的作用而形成金属键合。
关键词：铝片一铜管太阳能集热板；超声波焊接；焊接接头
中图分类号：tg453、9 文献标识码：a
当前金属管板式太阳能集热板大多采用铜管一铜片的组
合，这种组合虽然有利于材料的焊接， 易于制造，但成本较
高，不利于普及。而铝的密度小，价格比铜低，工业上经常用
铝代铜．因此用铝片代替铜片作为太阳能集热板的吸热板可以
大大降低成本。虽然铝的导热性能不及铜，但在[，！]材料很薄的情
况下并不影响整体效果．这种新的组合也是金属管板式集热板
的发展趋势。然而，铜铝属于不同种金属，它们之间存在电极
电势差，铜的线膨胀系数比铝的大0．5倍。再加上熔点的差异、
铜铝间易形成金属间化合物等原因．容易引起铜铝接头电化学
腐蚀，同时铜铝变形不一致也容易产生裂纹、夹杂层或出现脆
性金属间化合物等．这些缺陷将会降低接头强度。
为克服铜一铝焊接时所出现的缺点， 一般采用铜一铝压力
焊。如摩擦焊ⅲ、超声波焊 ]、真空扩散焊 等焊接方法．获
得电气性能、抗老化性能、抗腐蚀性能、使用寿命都比较理想
的焊接接头。jiromaru tsujino ．tetsugi ueoka等日本学者
长期从事金属超声波焊接研究，对超声波焊接过程中的一系列
问题作了比较全面的探讨．如：频率和压力变化对焊接质量的
影响[31， 实测得到铜铝焊接温度超过436℃ ，同时对铜、铝、
金等金属的焊接性能进行了深入而细致的研究 ，认为超声波
焊接对各种塑性良好的金属材料来说，只要选择合适的设备和
工艺参数，都可能获得良好的焊接接头。james e krazanowski
通过透射电镜(tem)研究焊接区域组织。认为金属超声波焊
接机理是一个金属粘合的过程，而扩散和再结晶等物理冶金反
应在接头成形机理中并不起主要作用[9]。本文从铜铝材料性能
分析人手，推导焊接区域温度， 同时结合实测温度和焊接区域
收稿日期：20__—04—12：修回日期：20__—07—07
基金项目：广州市科技攻关重点项目(20__ z3一do101)
扫描电镜图片探讨铜一铝超声波焊接机理。
1 焊接试验及过程分析
超声波焊接设备包括：超声波发生器、换能器、聚能器
(变幅杆)和工具头等，如图l所示。焊接参数见表1。
图1 超声波焊接设备
表1 焊接参数
汽缸
动块
导轨
频率 功率 工具头转速 焊接压力 振幅 铝片厚度 铜管厚度
f／khz fi，kw (r·min-‘) p／mpa a／1．zm 占l／mm null
15 3 44—49 0．4 、 30 n2 1．0
铝片一铜管太阳能集热板的焊后样品如图2所示。
图2 铝片一铜管太阳能集热板焊后样品
welding technology vo1．36 no．5 oct．20__ ·试验与研究· 15
1．1 材料处理
铜和铝极易在空气中被氧化，在光亮清洁的表面就已经有
约200个分子厚度的氧化膜存在，而且氧化膜也是由晶体组成，
本身也存在不饱和的分子，能够吸引对称性较弱的极性分子
(如水分子、有机物分子等)，形成一层油污和水气膜，这些物
质的存在导致表面凹凸不平，使材料原子问距离增大，难于进
行焊接。
1．1．1 铜管表面套拉与翅化
根据金属超声波焊接机理，对材料表面要求高，针对上述
铜管表面状态，需要击碎、破坏、清除铜管表面油污及氧化膜
使其暴露出纯净的金属表面，主要有两步：
第一步，铜管的表面套拉，套拉过程如图3所示。
套拉方向
图3 套拉过程示意图
其作用有：①全面刮削铜管表面．比较彻底地破坏表面氧
化膜暴露出纯净的金属表面；② 由于进行的是冷加工．可以适
当提高铜管硬度，有利于随后的焊接及增加变形抗力以保证在后
续的挤压中维持圆管形状；③将铜管的直径缩口至需要的尺寸。
第二步，利用专用工具头，表面具有微翅结构，如图4a所
示，在铜管表面预先滚压一次，进一步破坏和清除待焊部位的
表面氧化膜。且在铜管表面加工出微翅结构，如图4b所示。
(b)铜表面微翅结构
图4 袭面有微翅结构的工具头及其预滚压铜管后形成的铜表面翅化结构
其作用主要有：①增大铝片和铜管的接触面积，增加机械
嵌合的可能性；②增大接触区域粗糙度，增大摩擦，增加析热
量，从而形成局部高温，有利于焊接；③ 破碎、清理旧表面，
振动滚压出新鲜表面，为金属键合形成接头提供条件。
1．1．2 铝片处理
铝片薄，只能用钢丝刷清除其表面氧化膜，使铝片与铜管
之间通过新鲜表面充分贴合，为原子力起作用提供条件。
1．2 焊接接头形成
铝片一铜管超声波金属焊接过程如图1所示，工具头在汽
缸压力作用下，其表面微翅压入铝片后与铝片发生摩擦．然后
带动铝片以频率，相对铜管振动，在铝片与铜管间剧烈摩擦，
焊接接头区域温度升高，材料发生塑性变形。材料塑性变形、
铝片与铜管间的高频振动摩擦、工具头竖直方向的压力三因素
共同作用，破坏并清除金属表面的油污和氧化物，使彼此的纯
净表面暴露并贴合，在贴合面形成牢固的接头。
2 焊接影响因素讨论分析与试验测定
超声波焊接振动幅度只有几 m到几十 m，而且铜铝的塑
性良好，其振动摩擦作用区域小，很难用直接测温法准确测定
焊接温度；而间接测温， 即通过分析焊接接头组织的扫描电镜
图片(sem)或透射电镜(tem)图片，根据接头组织推断焊
接过程所能达到的温度的方法也受到了限制，这是因为sem图
片难于准确判定组织结构，而tem样品难于制作。
由于测温方法上的限制，各研究者所得结果相差较大．使
得超声波金属焊接温度的作用成为一个有争议的问题，同时学
者对超声波焊接机理也有不同看法。本文先从理论推导出焊接
区域材料主要发生塑性变形而非弹性变形，后通过摩擦力做功
理论推导出焊接区域理论温度，同时通过人工热电偶试验测出
焊接区域实测温度，并结合试验测定焊接接头区域显微硬度．
综合分析超声波金属焊接机理。
2．1 焊接时材料的变形情况分析
从图4b材料表面翅化后形态可以看到．焊接区域铜管表面
产生很大的塑性变形，振动摩擦和材料塑性变形能够破坏、挤
压、清除金属表面氧化 物和油污，这对超声波焊接是非常有利
的。
从图5a e 实测应力一应变关系曲线和图5b理论应力一应变
关系曲线可以看出，材料弹性应变小于0．5％ ，本文以0．5％计
算：
f=f ， (1)
式中：fn为材料厚度，1．2 mm；8为应变，o．5％。
可见， 弹性变形约为6 m，而工具头振动幅度a为3o
m，所以振动摩擦影响区域主要发生塑性变形， 这可以从图
4b的铜管表面翅化后的sem图片看出，工具头的纵向振动不但
16 ·试验与研究· 焊接技术 第36卷第5期20__年10月
在铜管表面压出新鲜表面，而且在纵向摩擦力的作用下，工具
头表面微齿挤出的材料被翻了过来，发生了大的塑性变形，这
对焊接是非常有利的。
量
-
z
b
0．002 0．004 0．006 0．008 0．010
6(％)
(a)工业铝实测应力一应变曲线
6(％ )
(b)铝等塑性材料理论应力一应变关系曲线
图5 工业铝的实测及理论应力一应变关系曲线
2．2 摩擦做功方程
由华南理工大学机械工程学院在超声波焊接方面的研究 11]．
可得到焊接区域的温升公式为：
at-4afw ~’at一
， (2)
cpn
式中，a为振幅，mm；f为频率，khz； 为能量吸收率，
为摩擦系数；p为压强，mpa；at为焊接时间，s；c为比热
容，j／(kg·℃)；p为材料的密度，g／cm ； 为受影响厚度，mm。
将公式(2)运用到铝片一铜管的超声波焊接，计算焊接
区域温度，由于铜管和铝片厚度小。其对密度、比热容等影响
非常小，所以铜片一铜管焊接和铝片一铜管焊接不会有非常大
的差异。假定焊接时摩擦振动影响区域厚度h是分别从焊缝向
铝片和铜管壁各取1／2 (即： = (0。1+0．5)mm=0．6 mm，即热
影响区为0．6 mm)， 同时铝密度2．78 g／cm ，约为铜密度8．96 g／cm
的1／3，铝的比热容为0．88 j／(kg·℃)， 而铜的比热容为
0．385 j／(kg·℃)．将比热容及密度也按比例折算为合成比热
容、合成密度。
由公式(2)得：
at-4afrtu~
．
at
一
． (3)
c1— 1-zhl一2
式中：c _2为材料合成比热容，取值410 j／(kg·℃)；p1-2为材料
合成密度，取值7，8 g／cm ；h1-2为振动摩擦影响材料厚度之和，
0．6 mm；助压强，通过换算可得到p=20 mpa；at为等效点焊
时间。s。
p可以通过焊点的面积为4 minx4 mm．工具头汽缸压强为
0．4 mpa．汽缸直径为32 mm换算得到，焊接区域的压强为汽
缸压强的50倍，所以助20 mpa。
焊接行程为1 886 mm．而连续滚动焊接可看成是点焊叠
加，焊接时间通过测定为18．76 s。可以通过将工具头压下，而
不做直线运动测出点焊接头是面积为4 mmx4 mm的正方形．
计算其点焊时间￡为0．04 s。
由式(3)，代入各相关参数得：
a／’-730 rgt。 (4)
超声波焊接过程中能量吸收率 和摩擦系数 很难准确测量，
但肛的范围可以通过试验手段得到， 同时结合相关文献查到
铜一铜表面清洁度较高时为1，4．而在一般情况下为0，2左右。
之所以产生这种差异．主要是因为在清洁铜一铜摩擦副的情况
下，铜的塑性好，导致摩擦系数非常大；但在一般情况下，铜
的表面容易发生氧化而覆盖一层氧化物，氧化物硬度大，且有
一定的性能．使摩擦系数大为降低，铝一铜的摩擦系数无
资料可查．只能以测量和类比计算为准。
本试验中，由于铜管表面预先经过滚压， 自然表面全部挤
压翻滚一次而露出新鲜表面．同时铝片也经过了清洗并在焊前
进行了打磨处理，这就和焊接时的条件接近，所以铝片一铜管
之间的摩擦系数应取较大值。通过摩擦系数测定试验，推导出
摩擦系数介于0，5—0．8之间。
能量吸收率 值可以和切削时切削区域情况类比确定，切
削时有70％一90％的热量集中在切削区域，金属超声波焊接时
工具头和焊件金属紧密贴合，焊接区域与切削区域情况相似。
工具头与铜铝间的振动摩擦影响范围小，铜铝均为理想塑性
材料，工具头则可以看成是理想的弹性体。超声波从工具头
传出到铝片铜管接触界面处． 由于铜铝材料的大塑性变形，
超声波在界面处不能远距离传递，大部分的能量以体积变形、
材料内部温升等形式被接头区域材料所吸收，因此吸收效率
为0．7—0．9。
从上面的分析可知，能量并不能远距离传递，其影响区域
非常小．主要集中在铜铝塑性材料的表层，振动摩擦影响不到
深层区域， 式(4)中， 为0．5—0．8， 为0、7~0．9，所以 为
255 525℃ (室温为24—26℃)．即焊接区域理论温度推导为
280 550℃
weldinz technolo~ vo1．36 no．5 oct．20__ ·试验与研究· 17
2．3 试验温度测定
直接法测温试验按如下方法设计：在铝片表面布置一个热
电偶，焊接时，工具头直接从热电偶探头上滚压过，此时所测
温度为焊接时工具头和铝片之间振动摩擦在铝片表面所达到的
温度，测量结果如图6a所示，在室温为24～26℃条件下测得最
高温度为392℃ ，最低温度为284℃ 。选用相同的工艺参数，
相同的材料进行测试。在焊接接头形成区域的铝片一铜管间布
置一个热电偶，其所测得最高温度为144℃ ，最低温度仅44℃ ，
整个温度一压强曲线如图6b所示。
汽缸压强 pa 汽缸压强 pa
(a)铝片表面温度一汽缸压强曲线 (b)焊接接头区域温度一汽缸压强曲线
图6 温度一汽缸压强曲线
2．4 焊接区域显微硬度测定
在显微硬度计上进行焊接接头显微硬度测定。母材铜的硬
度为hv90～92．9，而铝的显微硬度为hv42～47。从铜管内表面
开始测，其所测得硬度值分布如图7所示。
宝
越
罄
揠
叫
到铜管内壁的距离l／mm
m7 样品横截面显微硬度分布
从图7中可见，最高硬度hv942在焊接接头界面处， 当压
痕菱形刚好落在铜铝两侧时，铜边缘发生塑性变形而拱起，导
致测量上的困难，而铝在交界面边缘处发生塌边， 出现碎状，
并且可以看到结合面处出现微小裂纹。结果还显示出，远离结
合面处，铝侧的硬度值也还是比较大，分析认为这是由于焊接
工具头表面微齿高度为0．6 mm，而铝片厚度只有0．2 mm，焊
接时，微齿从铝片表面压穿铝片，而且接触到铜管表面，在焊
接时发生了大的塑性变形，而且由于温度的影响。在铝侧生成
了一定量的a120，， 而a120，的硬度较大，并且同时存在一定的
铝的加工硬化所造成的。
3 超声波焊接机理分析探讨
超声波焊接接头区域呈现复杂和多样的显微组织，有关焊
接过程中所能达到的焊接温度是多少，及焊接过程中起主导作
用的是焊接温度、机械嵌合、物理冶金反应还是金属原子之间
的键合都存在争议。下面结合试验数据和相关理论，对铜一铝
超声波焊接机理进行分析讨论。
3．1 焊接区域温度分析与讨论
焊接温度对金属超声波焊接过程有重要影响，从试验测
得铝片上表面最高温度为392℃ 。铝片铜管接头区域最高温
度只有144℃ 。从理论温度计算来看，其最高温度为550℃ ，
均没有达到焊件材料的熔点(铝的熔点为660．4℃ ， 铜的熔
点1 083℃ )。文献[4]认为， 焊接区域温度不低于436℃ ，
该值与本文试验测得的铝片上表面温度及理论推导温度较为
接近。所以， 可以认为，试验测得的温度(392℃)为焊接
区域真实温度。
3．2 机械嵌合、物理冶金反应
较多的压焊专家认为。材料间的嵌合有助于材料原子间
的相互靠近，说明焊接也是塑性变形的结果，这种嵌合结构
在金属超声波焊接接头形成过程中具有重要作用。但从图8
铜一铝接头过腐蚀sem图片来看，与铝结合处，铜管表面为一
微小片面，看不到明显的材料彼此间机械嵌合， 而看到铜管
表面还残留有未腐蚀的绒状铝存在，表现出明显的相互间贴
合。所以本文认为机械嵌合对金属超声波焊接有一定的作
用，但不起主要作用。
图8 铜一铝焊接接头过腐蚀扫描电镜图
james e krazanowski通过经典扩散理论分析认为，焊接过
程中原子的扩散距离不到一个原子直径 。从上述显微硬度测
定来看，铜在远离焊接接头区域的硬度和母材是一样的，但是
在接近接头区域时其显微硬度显著增大， 接头区域达到
l8 ·试验与研究· 焊接技术 第36卷第5期20__年lo月
hv942， 同时有细小裂纹存在， 在铝侧还看到破碎的铝存在，
这表明生成了金属间化合物。李亚江等人在研究铜一铝扩散焊
时，界面出现硬度峰值hv780，分析认为明显存在金属间化合
物[8]。扩散焊接时间越长．铜铝焊接过程越容易出现金属间化
合物，但超声波焊接持续时间短，金属间化合物可能只是在焊
接后才在接头区域形成，而非焊接过程中出现。因此分析认为
物理冶金反应在焊接后出现，对接头的形成作用不明显。
3-3 金属键合过程
从材料表面的状态分析可见．正是由于表面的凹凸不平和
表面氧化物的存在，使得焊接难以进行。从压焊的机理可知，
当材料表面原子贴近到0．3—0．5 nm范围． 即3—5个原子的距离
时，原子之间的作用就能够发生，并在压焊的接头形成过程中
起主导作用。超声波的作用机理和压焊有较大的相似性，在弹
塑性理论推导过程中可以看到，铜铝的塑性变形只有6 m，
而超声波的振动幅度为3o m，铜铝塑性好，铜的显微硬度为
hv90—92．9。铝的显微硬度为hv42～47，焊接工具头的硬度为
hrc58 62，相差较大。焊接时，工具头在焊接过程中压穿铝
片．达到铜管表面，带动铝片和铜管摩擦，同时工具头在竖直
方向压力作用下。使得铜管表面和铝片同时发生充分的塑性流
动，将氧化物、油污等挤出焊接接头形成区域，或将氧化物碎
片通过铜和铝的充分塑性流动而压人铜铝材料里层，使之不能
停留在接头形成界面层。让纯净的金属材料原子之间能够相互
接近到原子作用力范围内。从james e krazanowskit ]的透射电
镜图片中看到碎片和孔洞的存在，原因就是焊接时由于材料接
触界面金属的塑性流动，使得表面氧化层有的被挤出，而有的
卷入基体材料，如果金属氧化物和母体材料的接触性不好，就
可能使得在存有氧化物碎片的地方留下孔洞。
超声波能够将能量传递给材料，能够降低材料原子的活
化能。在焊接过程中，焊接温度或压力并不单独决定焊接接
头的形成， 而是焊接温度、焊接压力、材料本身的塑性共同
决定了接头的形成。压力、温度、材料本身的塑性综合决定
了材料原子的能量状态，从而决定了材料的塑性流动等性
能， 只要3个因素综合作用， 能够使得焊接材料原子间相互
接近no．3—0．5 nm的距离，原子问作用力能够起到主导作用，
焊接接头的形成就是可能的。在图8中有许多绒状铝还粘连
在铜管的表面，可以看到焊接区域铜和铝接触界面处的粘连
状态。但要达到这种状态，材料的塑性流动是充分的，各个
接头的形成条件可能并不相同，但是，材料本身的塑性、压
力和焊接温度相互协调。能够使得材料发生塑性流动， 界面
充分贴合，从而形成接头。
4 结论 ．
(1)从理论推导和试验实测得到焊接温度均达不到焊件材
料的熔点。
(2)焊接接头形成过程中。物理冶金反应对焊接接头的形
成并不起主要作用。
(3)铜一铝超声波焊接是由材料本身的塑性、一定的摩擦
升温和工具头竖直方向压力共同作用下．在材料发生充分的塑
性流动及氧化物、油污等阻碍材料焊接的物质被破坏、清除或
压人母体材料的基础上发生的焊接材料原子之间由于原子间作
用力而形成金属粘合的过程。
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