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焊接機范文1
關鍵詞：焊接機器人;控制系統;發展趨勢
焊接是一種將材料永久連接，成為具有給定功能的結構的制造技術。焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能，在另一方面，我們不得不承認焊接是一種在相對較差的環境中所進行的一項高危險性工作。焊接是工業生產中非常重要的一種加工手段，焊接質量高低直接影響著產品質量的好壞。焊接機器人是機電一體化的高科技成果，它具有提高焊接質量和勞動生產率、改善工人工作條件、降低工人勞動強度、縮短產品準備周期等特點。隨著我國制造業先進技術的發展，自動化和智能化的焊接工藝逐漸成為一種必然的發展趨勢，焊接機器人在各個方面均能滿足生產需求，所以采用機器人進行工業焊接已經成為焊接技術智能化的重要標志。
一、我國焊接機器人的發展
1.焊接機器人的發展
焊接機器人從研發至今，經歷了三個具有標志性的階段。第一個階段的焊接機器人是一種很難適應外界環境變化的示教再現型機器人，不具備外界信息的反饋能力，操作很簡單，在現代化工業生產中的應用受到很大限制，但仍在一些生產線上應用。在第二個階段的發展中，焊接機器人在工作時借助傳感器獲得的信息，開始具有感知能力。這類機器人可以靈活調整工作狀態，可以在適應環境的情況下完成設定的工作任務。現階段，我們研究的重點對象則是智能型的焊接機器人。這類機器人不但具有前兩個階段焊接機器人的所有功能，甚至還可以進行編程，可以很好地適應外部環境，僅僅通過簡單的操作就能夠完成較為復雜的動作。
2.焊接機器人的發展現狀及趨勢
目前，焊接機器人的工業生產主要應用在汽車、工程機械等大型機械類行業。焊接機器人焊接的產品質量穩定，對工人勞動的環境和條件也有很大的改善，最重要的是能夠提高勞動生產效率。正因如此，焊接機器人的研究方向必然朝著專用化、智能化的方向發展。就目前的形勢來看，人工勞動力成本逐漸上漲，隨著技術的發展，焊接機器人在性能不斷提升的同時價格將逐漸下降，可以說，焊接機器人的應用會越來越廣泛。從機器人技術發展趨勢看，焊接機器人日后將會朝著全數字化、高度集成化、智能化的方向高速發展。智能化的特點體現在參數的在線自調整功能，具有參數記憶功能，以及故障診斷的功能等方面。
二、焊接機器人控制系統的研究
1.焊接機器人的關鍵技術
焊接機器人的重要組成部分包括傳感器、控制器和執行器。其中傳感器的作用日益重要，焊接機器人系統中的激光傳感器和力傳感器等都是相對于早期機器人較為先進的技術，這些傳感器的應用能夠實現焊縫跟蹤和自動定位等，大大提高了焊接機器人的工作性能和對工作環境的適應性。為進一步提高焊接機器人的智能化和適應性，控制系統中還應用了很多其他技術。例如，目前的技術水平還不能達到完全的自主焊接的程度，所以極為需要采用遙控焊接技術。通過遙控焊接，可以使人在離開現場的安全環境中對焊接設備和焊接過程進行遠程監視和控制，從而完成整套的焊接工作。遙控焊接在一些不適合人類親臨現場的環境中就顯得尤為重要了。
2.焊接機器人的控制系統
機器人控制系統是機器人的核心，是根據控制指令以及傳感器所采集的信息來控制焊接機器人完成設定的動作或指令。焊接機器人的控制系統重點研究開放式、模塊化控制系統。同時，開放式機器人控制器也是當前控制系統的主流和發展趨勢。現階段應用最為廣泛的便是伺服控制系統。伺服控制系統是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移或轉角準確地跟蹤輸入的位移或轉角。伺服控制系統的控制柜相對小巧，通過模塊化結構的改變大大提高了系統的可靠性、易操作性及其可維修性。控制系統的性能進一步提高，并且實現了軟件伺服和全數字控制。機器人控制器的標準化、網絡化以及網絡式控制器已成為目前研究的熱點。
三、結語
就我國目前的情況來看，對于焊接機器人控制系統的研究還處于理論大于實際操作的層面，對于很多在實際應用中可能出現的問題考慮并不是很深刻。所以，在我國工業制造的智能化轉變中，這種焊接機器人的研發和應用就顯得尤為重要。另一方面，還要加強對焊接機器人的實際應用，及時發現問題，解決問題?？梢韵胂?，在未來焊接機器人會向著集成化方向發展，具有感知環境變化的適應能力，智能水平大幅提高。
參考文獻：
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焊接機范文2
論文關鍵詞：自動焊接,數學模型,控制
為保證焊接產品質量的穩定性、提高生產效率、適應先進制造技術的發展要求，實現焊接自動化生產已經成為必然的趨勢。本研究課題針對目前在實際生產中復雜空間取消焊縫焊接任務所占比重較大、而且難以人工焊接實現，以及國內相關技術研究較少的現狀，對多功能自動焊接伺服控制技術進行了研究。
1自動焊接開放式數控系統
基于開放式數控系統的焊接數控系統是一個結構開放，功能模塊化、標準化性能強大的焊接數字化系統，將改變傳統的焊接數控系統結構封閉的局面，解決變化頻繁的需求與封閉控制系統之間的矛盾，從而建立一個統一的可重構的系統平臺，增強系統的柔性。同時，自動焊接開放式數控系統具備以下有點：成本低，軟件開發環境完備，軟件資源豐富，可移植性可擴展性互補性均較好等。
本文所設計的自動焊接機床，可焊接多種類型的工件，實時控制系統各模塊之間保留了統一的接口，根據用戶的需要可隨時添加所需的模塊，既滿足了用戶的需要，又提高了該機床的實用性。
2 設計
2.1機床本體的設計
自動焊接機床主要包括機床本體和焊接設備兩部分。機床本體由機械部分和控制柜(硬件及軟件)組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源(包括其控制系統)、送絲機(弧焊)、焊槍(鉗)等部分組成。本研究以復雜空間曲線接縫(如管與管之間以任何角度連接接縫)自動焊接實現為目標，研制開發一臺可實現五軸聯動的多功能自動焊接床的機械及伺服執行機構。
2.2構建伺服控制硬件系統
該機床利用計算機和普通的I/O卡加步進電機和驅動器構成伺服控制系統。采用“通用I/O卡+專用計算機軟件”來實現對步進電機的控制，不僅經濟實惠，而且具有非常好的靈活性和友好的軟件用戶界面，必要的時候可以實現一臺電腦同時對幾十個步進電機的直接控制，或發揮它的網絡功能應用于復雜的工程系統控制。采用通用“I/O卡+專用計算機軟件”控制的步進電機的數量取決于I/O卡的位數和驅動器所需的控制信號數。通常情況下，步進電機驅動器的細分設置由硬件來完成，所以一般的驅動器只需要兩個信號：脈沖信號和正反轉信號，當需要實現軟件方式控制驅動器的細分數時，還需要細分控制信號。系統各部件原理如圖1所示。輸入設備包括鍵盤、控制桿等，通用數字輸入輸出卡采用AC4161型，有16路的輸入輸出通道，因此最多可以同時控制五個步進電機，其中三個采用75BF001型號，分別控制X、Y、Z三個方向的位移，保持轉矩為0.39N*m，最大相電流3A，步距角1.5度，空載啟動頻率為1.75Hz。
3 關鍵技術及實現
3.1建立三維空間中的數學模型及插補算法
在機床的硬件平臺搭建后之后，如何控制焊槍及工作臺的精確運動從而實現相貫線焊縫的焊接就成為需重點解決的問題。本文采取了首先建立數學模型，并在保證插補誤差和焊接精度的基礎上，將工件相交而成的連續焊縫采用等時間間隔的插補方法離散成一系列的微小直線段，然后將所獲得的位移量通過精插補算法轉換成可以通過開關量卡發送的脈沖數據，最終控制步進電機驅動執行機構完成對相貫線焊縫的焊接。
以相交圓柱管相貫線接縫焊接為例，數學模型的建立：
設相交兩圓柱管(主管和支管)的半徑分別為R和r，且R>r，如圖2所示，坐標原點O是兩圓柱管軸線的交點，兩圓柱管軸線OV和OW的交角為α。焊接時，工件固定在工作臺上，工作臺沿x、y軸移動，焊槍沿z軸上下移動，同時還可以O′為定點繞X軸和Y軸轉動，通過這五個軸向的運動控制，就可實現相貫線焊縫的自動焊接。由此可得半徑分別為R和r的兩個圓柱管相交所形成的相貫線接縫φ(θ)在O′XYZ坐標系中的方程：
其中，θ是支管上的旋轉角。
完成實時焊接的伺服控制的首要任務就是對焊接軌跡進行插補運算。插補就是按給定曲線生成相應逼近軌跡的方法，其實質是對給定曲線進行數據點的密化。本文采用等長直線段逼近相貫線焊縫，即在保證給定逼近誤差的前提下，用等長直線段代替圓弧段，這種插補方法的計算簡單，雖然加工精度不如采用圓弧段逼近的方式，但卻完全能夠滿足焊接加工的精度要求。
3.2 自動焊接軟件系統平臺的開發
該系統的精插補過程由軟件和硬件共同實現，由軟件計算出控制信號的輸出時間間隔和應該向步進電機發送的高低電平數據，由硬件接口板實現數據的輸出。編制運動控制軟件實現精插補的過程有兩個關鍵環節：一是如何得到比較精確的延時時間間隔；二是如何將單個電機的控制脈沖序列進行合并，最終實現自動焊接機床五個軸的聯動。本研究利用Delphi軟件構建操作軟件系統平臺，以界面友好為設計目標，按照功能進行模塊化設計，實現自動焊接數據處理、制等需要的各種操作。
4 系統精度的分析與改善
本文所設計自動焊接數控機床是采用步進電機作為驅動源，與相應的驅動電路結合組成的開環控制系統。在步進電機驅動系統中，影響伺服精度的主要因素有以下幾個方面： 步進電機誤差、齒隙誤差、導軌誤差及熱變形影響等。
對于步進電機誤差可采取減小步距角的方法來改善。當傳動比一定時，隨著步距角的減小，脈沖當量也隨之減小，從而提高機床的精度。當電機選定之后，驅動器細分電路可進一步降低機床的脈沖當量，當步進電機運行在細分模式下時，步距角顯著減小，轉子達到新的穩定點之后所具有的動量變小，振動變小，提高了步進電機低速段運行的平滑性；在軟件方面，通過對插補周期和插補步長的控制，使步進電機的運行頻率盡量避開其低頻振蕩區間，保證步進電機的運行平穩性。
對于齒隙誤差，主要采取以下兩種改善措施：將中心距設計為可調機構，調節中心距消除齒隙；雙片齒輪加載扭簧消除齒輪本身誤差引起的間隙?？赏ㄟ^提高導軌精度來改善導軌誤差。
參考文獻
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焊接機范文3
關鍵詞：電阻焊機；同步；參數設定；自動跟蹤
【分類號】：TP261
0 引言
馬口鐵三片罐在食品如飲料、奶粉，化工如殺蟲劑、墻漆等包裝應用廣泛，品種多。電阻焊機系列產品能適應不同產品的生產要求。它主要包括真空吸鐵、推鐵、鐵片成圓、送罐、撥罐和銅線輔助系統等[1][2]。我司現有的電阻焊機，其傳動系統有其共同特點：（1）多電動機協同同步運行；（2）銅線驅動配有氣缸控制運動元件。高速電阻焊機QM-500，伺服和變頻馬達有8只。下面分析研究歐姆龍OMRON的產品MCH71運動控制模塊等對汕輕焊機QM-500高速焊機的控制。
1 控制系統關鍵點一
成圓部分關鍵點：汕輕焊機QM-500，其生產速度500罐/分，即每個罐只有約0.12秒的時間來加工，動作頻率高，真空吸鐵、推鐵、成圓，到后續的送罐、撥罐和銅線驅動等，它們的運動步調要協調一致，也即同步，否則就發生碰撞干涉等。成圓部分真空吸鐵、推鐵的同步，不能沿用低速焊機使用機械凸輪來實現這個控制。
2 控制系統關鍵點二
送罐機構和焊輪速度按照工藝的要求分別恒定在一定的數值。剛從成圓機加工好的罐筒和上一個已被送罐機構送前一步的罐之間有比較大的間隙，也就是送罐機構的輸送鏈爪間需要較長的距離。上下焊輪上的銅線通過很高的電流來焊接罐，當前一個罐離開焊輪時，如果導電的銅線沒有接觸到后一個罐，大電流直接斷開就會產生電弧，所以在送罐機構輸送鏈爪上的罐，通過撥罐機構將罐送到比較靠近前一個罐的位置，當然如果二個罐之間的距離太近，就會把二個罐焊接在一起，所以罐之間還必須保留足夠的間隙約2mm。所以撥罐的作用是調整焊輪左右二個罐之間的間隙。成圓后的罐筒到焊接的關系參見圖二：
3 控制系統關鍵點三
銅線系統分為四部分，分別是銅線壓扁，焊輪驅動，銅線驅動和銅線切斷。分別由4個馬達驅動，需要3個張力反饋控制。銅線壓扁是把銅線壓出來二個平行的平面，這樣銅線通過焊輪時，銅線與焊輪和罐的接觸面積都增大，接觸更可靠。焊輪驅動是驅動焊輪以一定的速度轉動。銅線驅動是因為焊罐時銅線要通過很大的電流，銅線會因為發熱而變長，所以需要做專用的銅線驅動系統來保證銅線的運行。銅線切斷是為了回收銅線再利用，所以把用過的銅線切成小段，方便回收。
4 客戶的應用課題
生產旺季時需要機器24小時連續穩定生產。本機經常用來生產水果等罐頭的罐，在水果成熟期，客戶會收集大量的水果準備生產。如果機器不能穩定達到預期產能，那么水果就會腐爛，所以機器的可靠性要求非常高。機器的實際生產速度要保持不低于65萬罐/每天。機械凸輪使用壽命太短，客戶不使用機械凸輪。
5 控制系統實施課題
1.由于吸鐵和推鐵同步要求，用機械凸輪的控制，存在加工難度大和使用壽命短，嚴重影響了機器的使用，所以使用具有同步電子凸輪等控制功能的多軸運動控制器。
2.PLC 需要控制6個伺服軸，4個變頻器。
3.銅線系統的速度和張力的控制。
4.為簡化機器維護，要求盡量省配線。
6 解決方案
1.系統配置使用MCH71運動控制器，通過MECHATROLINK―II連接伺服；使用NS115連接安川直線伺服系統。如圖三所示：
2.使用DEVICENET現場總線連接變頻器和閥島，減少配線，提高可靠性。如圖四所示：
3.推鐵控制具體的速度和位置控制曲線見圖五所示：（X表示360度內，Y是360度內送罐鏈平均速度）
4.撥罐位置和速度控制具體如圖六和圖七所示：
5.調試過程中所遇到的問題及解決辦法：
1.MCH支持軟件不能選擇直線馬達。解決辦法：設定一個假想的旋轉型馬達和虛擬的機械齒輪比，使得虛擬的編碼器脈沖數通過計算后，可以和直線馬達的光柵尺反饋的數據相吻合，伺服驅動器里的參數，只能使用安川的軟件進行設定。
2.MCH71的單元處理周期較長，高速運行時凸輪相位嚴重滯后。
解決辦法（1）：盡量優化程序，減少單元處理周期，如減少并行任務數量，禁用一部分的CPU單元的數據刷新，改為用IORD/IOWR指令來訪問MCH的內存區。
解決辦法（2）：因為在運行中負載比較均衡，單元周期造成的同步相位偏差和運行，會存在明顯的按比例放大的關系，所以在控制軟件上根據設定速度預置了不同的提前量即相位差。
七 結論
系列化的低、中和高速電阻焊機產品，機械傳動部分成熟地運用“三化”設計，控制系統部分控制模塊MCH71等的采用，提高了產品的穩定性和壽命，為客戶創建一個更為清晰的控制平臺。簡單模具和必要零件地調整，控制參數地重置，隨時可以生產其它高品質的罐身，也為遠程控制創造了有利條件。
參考文獻：
[1]楊邦英?罐頭工業手冊?北京：中國輕工業出版社，2002。
[2]胡楠?輕工業技術裝備手冊第3卷?北京：機械工業出版社，1997。
[3]汕頭輕工機械廠有限公司?汕輕焊機QM-500全自動罐身焊接機使用說明書?汕頭：汕頭輕工機械廠有限公司，2010。
焊接機范文4
關鍵詞：焊接機器人；標定；工具參數
中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A
1 工具坐標系的標定
機器人工具坐標系是由其末端坐標系決定的，若沒有定義工具坐標系，則機器人末端坐標系被默認為工具坐標系。焊接機器人工作時，在機器人的末端必須固定焊槍。根據焊接工藝和要求的不同，需選擇合適的焊槍。在更換焊槍時，必須重新標定焊接機器人的工具坐標系。機器人的工具坐標系由其末端坐標系與焊槍的位置和姿態決定。機器人工具坐標系{TCF}的標定就是指精確地確定出工具坐標系相對于機器人末端坐標系之間的位置和姿態。
2 確定工具坐標系原點相對于機器人末端坐標系的位置偏移
本文首先三點法來確定工具坐標系的位置參數。機器人各坐標系相互關系如圖1所示。
機器人末端坐標系相對于機器人基準坐標系的轉換關系由機器人的正運動學方程得到。機器人焊槍尖端處坐標系（工具坐標系）相對于機器人末端坐標系的轉換關系為所求，其各個參數是固定不變的，由以下關系式得到：
其中：
上式中
，
表示關節到關節的轉換矩陣，分別表示焊槍坐標系原點相對機器人末端的偏移。本文采用RPY法描述焊槍的空間姿態，RPY法是手部相對末端坐標系軸做3次連續轉動獲得規定姿態的描述方法。其中、P、W、R分別表示焊槍相對參考坐標系連續轉動獲得的姿態，P代表繞Z軸轉動的翻滾角，W代表繞Y軸的俯仰角，R代表繞X軸的偏轉角。
圖2 三點標定位置
三點法就是從不同的方向到達一固定點，同時記錄各關節角度。同時滿足：
式中：
由于工具點相對機器人末端點一定的，即：
三個不同方向的工具到達同一點，則。
由此可得：
α、β、γ滿足且不能滿足。有上式可求出中的。
3 確定工具坐標系相對于機器人末端坐標系的旋轉量
一旦工具確定了，就可以確定工具坐標系相對于機器人末端坐標系旋轉量的確定方法如下：在工具的某一平面內取第四點確定機器人工具坐標系的原點，取第五點、第六點兩點，如圖3。第四點到第五點的向量方向為XT的方向，由P4、P5、P6三點確定的平面的法向量n為ZT的方向。在這部分操作過程中機器人末端姿態和焊槍的姿態沒有變化，只是位置發生改變。
圖3 標定坐標系
設工具末端在這3點的位置為P4、P5、P6，則，
，，然后分別對進行單位化。
可得到矩陣：
由在四點的各關節角算出在四點時的末端點姿態：
可得工具到末端的姿態矩陣為：
所以工具到末端的位姿轉換矩陣為：
其中
機器人工具坐標系相對于末端坐標系的旋轉量可由上式根據反RPY求出P、W、R。
3 算法的標定結果
由于實際現場應用的焊接焊槍的形狀可能不規則，在建立工具坐標系時需要進行標定，出于對標定算法的驗證，以生產線實際的有尺寸參數的焊鉗進行標定和比較。
有機器人正逆解運動和標定算法得出：
而實際工具端點到法蘭中心的旋轉矩陣和參數為：
從以上兩組數據可以看出，此工具標定算法誤差小，準確和方便等優點。
結語
介紹了焊接機器人的用于工具坐標系標定的六點法，實現了機器人工具坐標系相對于機器人末端法蘭中心的標定。標定工具坐標系的六點法對工具的形狀和尺寸沒用任何限制和約束，該方法不需使用外部測量設備，僅采用機器人關節角和坐標變換計算來求取機器人工件坐標系相對于末端的齊次坐標變換矩陣。通過機器人焊接試驗可以看出所提方法的有效性。
焊接機范文5
關鍵詞：焊接機器人，工程機械，動臂焊接系統，功能與應用
0 前言
焊接生產中，利用先進的裝備和技術來提高產品質量和效率、降低成本，提高市場競爭力是社會和經濟發展的必然趨勢。焊接機器人由于具有生產過程自動化、勞動強度小、生產效率高，產品焊接質量穩定，可持續作業等特點，在工程機械個工業系統中得到了廣泛應用。目前，全世界50%左右的機器人應用于焊接生產中，并逐漸從汽車工業拓展到橋梁、鋼構、工程機械等領域。
我國工程機械行業應用焊接機器人較晚，目前處于引進消化階段。在此，以開元機器人系統有限公司生產的動臂焊接系統為例，具體介紹焊接機器人在現代工業生產中的應用。
1 動臂焊接系統
動臂焊接系統主要用于挖掘機動臂的焊接。由神鋼機器人本體、變位機、移動裝置、焊接裝置、控制系統組成。機器人本體為6自由度關節型，選用山羊AC伺服電機，神鋼公司專為工程機械焊接研發。變位機為一軸雙夾持變位機，可帶動工件轉動到焊接需求位置。移動裝置為機器人Y軸坐標的擴展，變位機和移動裝置可與機器人實行聯動。焊接裝置包括神鋼公司研發的焊接電源、焊槍、送絲機等硬件和焊接專家系統軟件?？刂葡到y控制動臂焊接系統整體運轉并可與外界進行信息交換，使操作者可遠程操控。
2 動臂工件特點
由于挖掘機型號不同，動臂存在多種型號。動臂為厚板拼裝而成，從而造成其焊縫深，坡口大，質量大，裝卡時容易造成位置偏移。焊縫以直線型為主，還包含曲線型和圓型。
3 功能與應用狀況
3.1焊絲接地傳感（接觸傳感）
焊絲接地傳感（接觸傳感）機能，是通過焊絲接觸檢測位置，由此計算工件的偏移糾正量，邊糾正示教位置邊進行動作的機能。在動臂裝夾時，由于工件大，質量重，會或多或少有位置偏移，對于這種情況，可先在程序開始部分加入3方向傳感機能，分別進行x、y、z的3方向的傳感，對于示教位置將示教的檢測點（工件基準點）和根據傳感動作檢測出的檢測點之間的差別，進行加算糾正，從而找正工件裝夾誤差。對于焊縫的偏移，可在程序中加入開始點傳感機能，在焊接中預先檢測坡口的中央位置，其與示教時工件的偏移量作為糾正量，糾正以后的焊接線的位置偏移。對于一些特殊情況則可根據其類型用圓弧傳感、多點傳感等傳感功能糾正。因此利用焊絲接地傳感功能，可以消除動臂在加工，拼裝和裝夾定位帶來的誤差，自動尋找焊縫并識別焊縫的情況，實現順利焊接。
3.2 電弧傳感功能
電弧傳感功能是在焊接過程中采集焊槍擺動到不同位產生的電流值，經過系統的運算來自動追蹤焊縫偏移的功能。論文參考。下向角焊時，500mm焊縫長可以追蹤25mm的焊縫偏移，因此保證了動臂焊接質量。論文參考。
3.3數據庫功能
數據庫功能是事先設定·登錄焊接條件，通過數據庫命令呼出設定的焊接條件的功能。此外，在數據庫中可以設定每層的焊接條件，通過設定必要層數的焊接條件可以進行多層焊接。在動臂焊接中，可直接調用焊接專家系統中的焊接數據庫，直接用于程序中，也可根據用戶本身的工藝要求，從新設定數據庫，從而達到想要的焊接效果。
3.4 多層堆焊功能
多層堆焊功能，是指根據數據庫、自動條件的道次條件,在再生時生成多層堆焊序列程序進行多層堆焊的功能。針對于動臂的大焊縫，深坡口的情況，焊接一層不能填滿焊縫，因此需要多層堆焊功能。動臂示教時，先編輯數據庫，根據焊接工藝將每層每道的參數設定，從而做出新的數據庫。編程時，用程序可直接調出所設定的多道次（2道以上）的數據庫。在執行調出命令時，自動生成多層焊接序列程序，從執行的道次開始執行并讀出相應的數據進行焊接，填充滿焊縫。
3.5坡口寬度跟蹤功能［1］
坡口寬度跟蹤功能是在焊接過程中使用電弧傳感器檢測出坡口寬度，并自動補償擺動條件，焊接速度的功能。在拼裝動臂過程中，人為或夾具的誤差會引起焊縫寬度變化，對于這種變化可以在編程中加入坡口寬度追蹤功能，從而使每層焊接均勻，余高一致，焊縫成型好。
3.6ARCMAN功能
ARCMAN功能是，結合變位機的回轉，機器人在變位機盤面上進行直線、圓弧等動作的功能。（在變位機連動功能中，機器人前端和變位機的回轉沒有關系，在空間中移動到示教的位置。論文參考。）
在焊接固定在變位機上的焊接對象（以下稱作“工件”）時使用的話就很方便。在邊回轉變位機邊進行工件直線部和圓弧部的焊接時，通過使用本功能，可以通過比變位機連動功能少的示教點進行示教，從而得到希望的軌跡（相對于工件的機器人前端軌跡）。并且，由于通過指定速度在盤面上示教的位置之間移動，所以即使在變位機回轉的區間內，通過設定通常的焊接速度命令也可以得到希望的焊接速度。
（在變位機連動功能中，為了得到希望的焊接速度，必須設定從變位機回轉角度計算的連動速度。）
焊接機范文6
變形，進而推導出焊接接頭區域理論溫度；然后通過人工熱電偶試驗測得鋁片表面及鋁片一銅管間的溫度．再結合接頭掃描電鏡圖片進
行驗證，認為焊接接頭的形成是由材料本身的塑性本質、一定的摩擦升溫、工具頭豎直方向壓力3個因素共同作用的結果．整個過程使
接頭區域材料發生充分的塑性變形，破壞并清除氧化物、油污，使焊件材料原子之間發生力的作用而形成金屬鍵合。
關鍵詞：鋁片一銅管太陽能集熱板；超聲波焊接；焊接接頭
中圖分類號：tg453、9 文獻標識碼：a
當前金屬管板式太陽能集熱板大多采用銅管一銅片的組
合，這種組合雖然有利于材料的焊接， 易于制造，但成本較
高，不利于普及。而鋁的密度小，價格比銅低，工業上經常用
鋁代銅．因此用鋁片代替銅片作為太陽能集熱板的吸熱板可以
大大降低成本。雖然鋁的導熱性能不及銅，但在[，！]材料很薄的情
況下并不影響整體效果．這種新的組合也是金屬管板式集熱板
的發展趨勢。然而，銅鋁屬于不同種金屬，它們之間存在電極
電勢差，銅的線膨脹系數比鋁的大0．5倍。再加上熔點的差異、
銅鋁間易形成金屬間化合物等原因．容易引起銅鋁接頭電化學
腐蝕，同時銅鋁變形不一致也容易產生裂紋、夾雜層或出現脆
性金屬間化合物等．這些缺陷將會降低接頭強度。
為克服銅一鋁焊接時所出現的缺點， 一般采用銅一鋁壓力
焊。如摩擦焊ⅲ、超聲波焊 ]、真空擴散焊 等焊接方法．獲
得電氣性能、抗老化性能、抗腐蝕性能、使用壽命都比較理想
的焊接接頭。jiromaru tsujino ．tetsugi ueoka等日本學者
長期從事金屬超聲波焊接研究，對超聲波焊接過程中的一系列
問題作了比較全面的探討．如：頻率和壓力變化對焊接質量的
影響[31， 實測得到銅鋁焊接溫度超過436℃ ，同時對銅、鋁、
金等金屬的焊接性能進行了深入而細致的研究 ，認為超聲波
焊接對各種塑性良好的金屬材料來說，只要選擇合適的設備和
工藝參數，都可能獲得良好的焊接接頭。james e krazanowski
通過透射電鏡(tem)研究焊接區域組織。認為金屬超聲波焊
接機理是一個金屬粘合的過程，而擴散和再結晶等物理冶金反
應在接頭成形機理中并不起主要作用[9]。本文從銅鋁材料性能
分析人手，推導焊接區域溫度， 同時結合實測溫度和焊接區域
收稿日期：20__—04—12：修回日期：20__—07—07
基金項目：廣州市科技攻關重點項目(20__ z3一do101)
掃描電鏡圖片探討銅一鋁超聲波焊接機理。
1 焊接試驗及過程分析
超聲波焊接設備包括：超聲波發生器、換能器、聚能器
(變幅桿)和工具頭等，如圖l所示。焊接參數見表1。
圖1 超聲波焊接設備
表1 焊接參數
汽缸
動塊
導軌
頻率 功率 工具頭轉速 焊接壓力 振幅 鋁片厚度 銅管厚度
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
鋁片一銅管太陽能集熱板的焊后樣品如圖2所示。
圖2 鋁片一銅管太陽能集熱板焊后樣品
welding technology vo1．36 no．5 oct．20__ ·試驗與研究· 15
1．1 材料處理
銅和鋁極易在空氣中被氧化，在光亮清潔的表面就已經有
約200個分子厚度的氧化膜存在，而且氧化膜也是由晶體組成，
本身也存在不飽和的分子，能夠吸引對稱性較弱的極性分子
(如水分子、有機物分子等)，形成一層油污和水氣膜，這些物
質的存在導致表面凹凸不平，使材料原子問距離增大，難于進
行焊接。
1．1．1 銅管表面套拉與翅化
根據金屬超聲波焊接機理，對材料表面要求高，針對上述
銅管表面狀態，需要擊碎、破壞、清除銅管表面油污及氧化膜
使其暴露出純凈的金屬表面，主要有兩步：
第一步，銅管的表面套拉，套拉過程如圖3所示。
套拉方向
圖3 套拉過程示意圖
其作用有：①全面刮削銅管表面．比較徹底地破壞表面氧
化膜暴露出純凈的金屬表面；② 由于進行的是冷加工．可以適
當提高銅管硬度，有利于隨后的焊接及增加變形抗力以保證在后
續的擠壓中維持圓管形狀；③將銅管的直徑縮口至需要的尺寸。
第二步，利用專用工具頭，表面具有微翅結構，如圖4a所
示，在銅管表面預先滾壓一次，進一步破壞和清除待焊部位的
表面氧化膜。且在銅管表面加工出微翅結構，如圖4b所示。
(b)銅表面微翅結構
圖4 襲面有微翅結構的工具頭及其預滾壓銅管后形成的銅表面翅化結構
其作用主要有：①增大鋁片和銅管的接觸面積，增加機械
嵌合的可能性；②增大接觸區域粗糙度，增大摩擦，增加析熱
量，從而形成局部高溫，有利于焊接；③ 破碎、清理舊表面，
振動滾壓出新鮮表面，為金屬鍵合形成接頭提供條件。
1．1．2 鋁片處理
鋁片薄，只能用鋼絲刷清除其表面氧化膜，使鋁片與銅管
之間通過新鮮表面充分貼合，為原子力起作用提供條件。
1．2 焊接接頭形成
鋁片一銅管超聲波金屬焊接過程如圖1所示，工具頭在汽
缸壓力作用下，其表面微翅壓入鋁片后與鋁片發生摩擦．然后
帶動鋁片以頻率，相對銅管振動，在鋁片與銅管間劇烈摩擦，
焊接接頭區域溫度升高，材料發生塑性變形。材料塑性變形、
鋁片與銅管間的高頻振動摩擦、工具頭豎直方向的壓力三因素
共同作用，破壞并清除金屬表面的油污和氧化物，使彼此的純
凈表面暴露并貼合，在貼合面形成牢固的接頭。
2 焊接影響因素討論分析與試驗測定
超聲波焊接振動幅度只有幾 m到幾十 m，而且銅鋁的塑
性良好，其振動摩擦作用區域小，很難用直接測溫法準確測定
焊接溫度；而間接測溫， 即通過分析焊接接頭組織的掃描電鏡
圖片(sem)或透射電鏡(tem)圖片，根據接頭組織推斷焊
接過程所能達到的溫度的方法也受到了限制，這是因為sem圖
片難于準確判定組織結構，而tem樣品難于制作。
由于測溫方法上的限制，各研究者所得結果相差較大．使
得超聲波金屬焊接溫度的作用成為一個有爭議的問題，同時學
者對超聲波焊接機理也有不同看法。本文先從理論推導出焊接
區域材料主要發生塑性變形而非彈性變形，后通過摩擦力做功
理論推導出焊接區域理論溫度，同時通過人工熱電偶試驗測出
焊接區域實測溫度，并結合試驗測定焊接接頭區域顯微硬度．
綜合分析超聲波金屬焊接機理。
2．1 焊接時材料的變形情況分析
從圖4b材料表面翅化后形態可以看到．焊接區域銅管表面
產生很大的塑性變形，振動摩擦和材料塑性變形能夠破壞、擠
壓、清除金屬表面氧化 物和油污，這對超聲波焊接是非常有利
的。
從圖5a e 實測應力一應變關系曲線和圖5b理論應力一應變
關系曲線可以看出，材料彈性應變小于0．5％ ，本文以0．5％計
算：
f=f ， (1)
式中：fn為材料厚度，1．2 mm；8為應變，o．5％。
可見， 彈性變形約為6 m，而工具頭振動幅度a為3o
m，所以振動摩擦影響區域主要發生塑性變形， 這可以從圖
4b的銅管表面翅化后的sem圖片看出，工具頭的縱向振動不但
16 ·試驗與研究· 焊接技術 第36卷第5期20__年10月
在銅管表面壓出新鮮表面，而且在縱向摩擦力的作用下，工具
頭表面微齒擠出的材料被翻了過來，發生了大的塑性變形，這
對焊接是非常有利的。
量
-
z
b
0．002 0．004 0．006 0．008 0．010
6(％)
(a)工業鋁實測應力一應變曲線
6(％ )
(b)鋁等塑性材料理論應力一應變關系曲線
圖5 工業鋁的實測及理論應力一應變關系曲線
2．2 摩擦做功方程
由華南理工大學機械工程學院在超聲波焊接方面的研究 11]．
可得到焊接區域的溫升公式為：
at-4afw ~’at一
， (2)
cpn
式中，a為振幅，mm；f為頻率，khz； 為能量吸收率，
為摩擦系數；p為壓強，mpa；at為焊接時間，s；c為比熱
容，j／(kg·℃)；p為材料的密度，g／cm ； 為受影響厚度，mm。
將公式(2)運用到鋁片一銅管的超聲波焊接，計算焊接
區域溫度，由于銅管和鋁片厚度小。其對密度、比熱容等影響
非常小，所以銅片一銅管焊接和鋁片一銅管焊接不會有非常大
的差異。假定焊接時摩擦振動影響區域厚度h是分別從焊縫向
鋁片和銅管壁各取1／2 (即： = (0。1+0．5)mm=0．6 mm，即熱
影響區為0．6 mm)， 同時鋁密度2．78 g／cm ，約為銅密度8．96 g／cm
的1／3，鋁的比熱容為0．88 j／(kg·℃)， 而銅的比熱容為
0．385 j／(kg·℃)．將比熱容及密度也按比例折算為合成比熱
容、合成密度。
由公式(2)得：
at-4afrtu~
．
at
一
． (3)
c1— 1-zhl一2
式中：c _2為材料合成比熱容，取值410 j／(kg·℃)；p1-2為材料
合成密度，取值7，8 g／cm ；h1-2為振動摩擦影響材料厚度之和，
0．6 mm；助壓強，通過換算可得到p=20 mpa；at為等效點焊
時間。s。
p可以通過焊點的面積為4 minx4 mm．工具頭汽缸壓強為
0．4 mpa．汽缸直徑為32 mm換算得到，焊接區域的壓強為汽
缸壓強的50倍，所以助20 mpa。
焊接行程為1 886 mm．而連續滾動焊接可看成是點焊疊
加，焊接時間通過測定為18．76 s?？梢酝ㄟ^將工具頭壓下，而
不做直線運動測出點焊接頭是面積為4 mmx4 mm的正方形．
計算其點焊時間￡為0．04 s。
由式(3)，代入各相關參數得：
a／’-730 rgt。 (4)
超聲波焊接過程中能量吸收率 和摩擦系數 很難準確測量，
但肛的范圍可以通過試驗手段得到， 同時結合相關文獻查到
銅一銅表面清潔度較高時為1，4．而在一般情況下為0，2左右。
之所以產生這種差異．主要是因為在清潔銅一銅摩擦副的情況
下，銅的塑性好，導致摩擦系數非常大；但在一般情況下，銅
的表面容易發生氧化而覆蓋一層氧化物，氧化物硬度大，且有
一定的性能．使摩擦系數大為降低，鋁一銅的摩擦系數無
資料可查．只能以測量和類比計算為準。
本試驗中，由于銅管表面預先經過滾壓， 自然表面全部擠
壓翻滾一次而露出新鮮表面．同時鋁片也經過了清洗并在焊前
進行了打磨處理，這就和焊接時的條件接近，所以鋁片一銅管
之間的摩擦系數應取較大值。通過摩擦系數測定試驗，推導出
摩擦系數介于0，5—0．8之間。
能量吸收率 值可以和切削時切削區域情況類比確定，切
削時有70％一90％的熱量集中在切削區域，金屬超聲波焊接時
工具頭和焊件金屬緊密貼合，焊接區域與切削區域情況相似。
工具頭與銅鋁間的振動摩擦影響范圍小，銅鋁均為理想塑性
材料，工具頭則可以看成是理想的彈性體。超聲波從工具頭
傳出到鋁片銅管接觸界面處． 由于銅鋁材料的大塑性變形，
超聲波在界面處不能遠距離傳遞，大部分的能量以體積變形、
材料內部溫升等形式被接頭區域材料所吸收，因此吸收效率
為0．7—0．9。
從上面的分析可知，能量并不能遠距離傳遞，其影響區域
非常?。饕性阢~鋁塑性材料的表層，振動摩擦影響不到
深層區域， 式(4)中， 為0．5—0．8， 為0、7~0．9，所以 為
255 525℃ (室溫為24—26℃)．即焊接區域理論溫度推導為
280 550℃
weldinz technolo~ vo1．36 no．5 oct．20__ ·試驗與研究· 17
2．3 試驗溫度測定
直接法測溫試驗按如下方法設計：在鋁片表面布置一個熱
電偶，焊接時，工具頭直接從熱電偶探頭上滾壓過，此時所測
溫度為焊接時工具頭和鋁片之間振動摩擦在鋁片表面所達到的
溫度，測量結果如圖6a所示，在室溫為24～26℃條件下測得最
高溫度為392℃ ，最低溫度為284℃ 。選用相同的工藝參數，
相同的材料進行測試。在焊接接頭形成區域的鋁片一銅管間布
置一個熱電偶，其所測得最高溫度為144℃ ，最低溫度僅44℃ ，
整個溫度一壓強曲線如圖6b所示。
汽缸壓強 pa 汽缸壓強 pa
(a)鋁片表面溫度一汽缸壓強曲線 (b)焊接接頭區域溫度一汽缸壓強曲線
圖6 溫度一汽缸壓強曲線
2．4 焊接區域顯微硬度測定
在顯微硬度計上進行焊接接頭顯微硬度測定。母材銅的硬
度為hv90～92．9，而鋁的顯微硬度為hv42～47。從銅管內表面
開始測，其所測得硬度值分布如圖7所示。
寶
越
罄
揠
叫
到銅管內壁的距離l／mm
m7 樣品橫截面顯微硬度分布
從圖7中可見，最高硬度hv942在焊接接頭界面處， 當壓
痕菱形剛好落在銅鋁兩側時，銅邊緣發生塑性變形而拱起，導
致測量上的困難，而鋁在交界面邊緣處發生塌邊， 出現碎狀，
并且可以看到結合面處出現微小裂紋。結果還顯示出，遠離結
合面處，鋁側的硬度值也還是比較大，分析認為這是由于焊接
工具頭表面微齒高度為0．6 mm，而鋁片厚度只有0．2 mm，焊
接時，微齒從鋁片表面壓穿鋁片，而且接觸到銅管表面，在焊
接時發生了大的塑性變形，而且由于溫度的影響。在鋁側生成
了一定量的a120，， 而a120，的硬度較大，并且同時存在一定的
鋁的加工硬化所造成的。
3 超聲波焊接機理分析探討
超聲波焊接接頭區域呈現復雜和多樣的顯微組織，有關焊
接過程中所能達到的焊接溫度是多少，及焊接過程中起主導作
用的是焊接溫度、機械嵌合、物理冶金反應還是金屬原子之間
的鍵合都存在爭議。下面結合試驗數據和相關理論，對銅一鋁
超聲波焊接機理進行分析討論。
3．1 焊接區域溫度分析與討論
焊接溫度對金屬超聲波焊接過程有重要影響，從試驗測
得鋁片上表面最高溫度為392℃ 。鋁片銅管接頭區域最高溫
度只有144℃ 。從理論溫度計算來看，其最高溫度為550℃ ，
均沒有達到焊件材料的熔點(鋁的熔點為660．4℃ ， 銅的熔
點1 083℃ )。文獻[4]認為， 焊接區域溫度不低于436℃ ，
該值與本文試驗測得的鋁片上表面溫度及理論推導溫度較為
接近。所以， 可以認為，試驗測得的溫度(392℃)為焊接
區域真實溫度。
3．2 機械嵌合、物理冶金反應
較多的壓焊專家認為。材料間的嵌合有助于材料原子間
的相互靠近，說明焊接也是塑性變形的結果，這種嵌合結構
在金屬超聲波焊接接頭形成過程中具有重要作用。但從圖8
銅一鋁接頭過腐蝕sem圖片來看，與鋁結合處，銅管表面為一
微小片面，看不到明顯的材料彼此間機械嵌合， 而看到銅管
表面還殘留有未腐蝕的絨狀鋁存在，表現出明顯的相互間貼
合。所以本文認為機械嵌合對金屬超聲波焊接有一定的作
用，但不起主要作用。
圖8 銅一鋁焊接接頭過腐蝕掃描電鏡圖
james e krazanowski通過經典擴散理論分析認為，焊接過
程中原子的擴散距離不到一個原子直徑 。從上述顯微硬度測
定來看，銅在遠離焊接接頭區域的硬度和母材是一樣的，但是
在接近接頭區域時其顯微硬度顯著增大， 接頭區域達到
l8 ·試驗與研究· 焊接技術 第36卷第5期20__年lo月
hv942， 同時有細小裂紋存在， 在鋁側還看到破碎的鋁存在，
這表明生成了金屬間化合物。李亞江等人在研究銅一鋁擴散焊
時，界面出現硬度峰值hv780，分析認為明顯存在金屬間化合
物[8]。擴散焊接時間越長．銅鋁焊接過程越容易出現金屬間化
合物，但超聲波焊接持續時間短，金屬間化合物可能只是在焊
接后才在接頭區域形成，而非焊接過程中出現。因此分析認為
物理冶金反應在焊接后出現，對接頭的形成作用不明顯。
3-3 金屬鍵合過程
從材料表面的狀態分析可見．正是由于表面的凹凸不平和
表面氧化物的存在，使得焊接難以進行。從壓焊的機理可知，
當材料表面原子貼近到0．3—0．5 nm范圍． 即3—5個原子的距離
時，原子之間的作用就能夠發生，并在壓焊的接頭形成過程中
起主導作用。超聲波的作用機理和壓焊有較大的相似性，在彈
塑性理論推導過程中可以看到，銅鋁的塑性變形只有6 m，
而超聲波的振動幅度為3o m，銅鋁塑性好，銅的顯微硬度為
hv90—92．9。鋁的顯微硬度為hv42～47，焊接工具頭的硬度為
hrc58 62，相差較大。焊接時，工具頭在焊接過程中壓穿鋁
片．達到銅管表面，帶動鋁片和銅管摩擦，同時工具頭在豎直
方向壓力作用下。使得銅管表面和鋁片同時發生充分的塑性流
動，將氧化物、油污等擠出焊接接頭形成區域，或將氧化物碎
片通過銅和鋁的充分塑性流動而壓人銅鋁材料里層，使之不能
停留在接頭形成界面層。讓純凈的金屬材料原子之間能夠相互
接近到原子作用力范圍內。從james e krazanowskit ]的透射電
鏡圖片中看到碎片和孔洞的存在，原因就是焊接時由于材料接
觸界面金屬的塑性流動，使得表面氧化層有的被擠出，而有的
卷入基體材料，如果金屬氧化物和母體材料的接觸性不好，就
可能使得在存有氧化物碎片的地方留下孔洞。
超聲波能夠將能量傳遞給材料，能夠降低材料原子的活
化能。在焊接過程中，焊接溫度或壓力并不單獨決定焊接接
頭的形成， 而是焊接溫度、焊接壓力、材料本身的塑性共同
決定了接頭的形成。壓力、溫度、材料本身的塑性綜合決定
了材料原子的能量狀態，從而決定了材料的塑性流動等性
能， 只要3個因素綜合作用， 能夠使得焊接材料原子間相互
接近no．3—0．5 nm的距離，原子問作用力能夠起到主導作用，
焊接接頭的形成就是可能的。在圖8中有許多絨狀鋁還粘連
在銅管的表面，可以看到焊接區域銅和鋁接觸界面處的粘連
狀態。但要達到這種狀態，材料的塑性流動是充分的，各個
接頭的形成條件可能并不相同，但是，材料本身的塑性、壓
力和焊接溫度相互協調。能夠使得材料發生塑性流動， 界面
充分貼合，從而形成接頭。
4 結論 ．
(1)從理論推導和試驗實測得到焊接溫度均達不到焊件材
料的熔點。
(2)焊接接頭形成過程中。物理冶金反應對焊接接頭的形
成并不起主要作用。
(3)銅一鋁超聲波焊接是由材料本身的塑性、一定的摩擦
升溫和工具頭豎直方向壓力共同作用下．在材料發生充分的塑
性流動及氧化物、油污等阻礙材料焊接的物質被破壞、清除或
壓人母體材料的基礎上發生的焊接材料原子之間由于原子間作
用力而形成金屬粘合的過程。
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