摩擦螺柱焊/搅拌摩擦焊双功能焊接系统设计

摘要

摩擦焊基于其固相连接的特性，在工业领域得到了广泛的应用。针对摩擦焊中的摩擦螺柱焊和搅拌摩擦焊，由于相应的焊接设备缺乏柔性，焊接设备笨重，为提高焊接过程的自动化，减少设备成本，基于上述两种焊接方式的共性，本课题拟利用大载荷机器人配合外围设备，将上述两种摩擦焊接方式集成到同一系统中。
　　为给焊接系统集成提供相关的参数依据，在设备的集成工作之前分别对上述两种焊接方法进行工艺试验，试验材料选用6061铝合金。针对摩擦螺柱焊，分别探讨了摩擦压力、螺柱转速、感应加热温度和焊接结构四个主要影响因子对焊接质量的影响;针对搅拌摩擦焊，探讨了转速和焊接速度两个影响因子对焊缝质量的影响规律。
　　根据机器人本体第六轴末端连接法兰的尺寸，设计了用于连接机头系统与机器人本体的关键部位连接件。同时对现有设备在实际工况下的连接件的不同极限受力状态进行分析，并基于上述分析，利用三维绘图软件SolidWorks中的受力分析插件对该连接件进行有限元分析与校验，确保连接件的安全可靠性。
　　设计了整套设备的控制系统，控制系统的设计主要涉及各部件的协同控制程序设计。双功能摩擦焊接系统主要包括机器人本体、KR C4控制柜、变频器、变频电机和液压站，利用库卡机器人控制系统的开放性，通过KR C4控制柜内部的IO模块控制上述外围设备。根据焊接过程中的工艺流程，编写相应的控制程序，并分别对摩擦螺柱焊和搅拌摩擦焊进行试焊，验证整套焊接系统的运转情况，同时对设计存在的不足与缺陷给出意见，便于该系统后续的改善与升级。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 摩擦焊技术概述

1．2．1 摩擦螺柱焊

1．2．2 搅拌摩擦焊

1．2．3 其他摩擦焊技术概述

1．3 摩擦焊机概述

1．3．1 工业机器人概述

1．3．2 摩擦焊机国内发展现状

1．3．3 机器人系统集成研究现状

1．4 课题研究内容

1．5 本章小结

2 实验方案设计

2．1 双功能摩擦焊系统集成理论依据

2．2 复合热源摩擦焊可行性分析

2．2．1 感应加热技术原理

2．2．2 感应加热特点

2．2．3 感应加热应用

2．3 模拟试验方案设计

2．3．1 摩擦螺柱焊工艺模拟试验

2．3．2 搅拌摩擦焊工艺模拟试验

2．3．3 检测设备

2．4 相关硬件的选型

2．5 本章小结

3 摩擦焊工艺模拟试验

3．1 摩擦螺柱焊模拟试验设计

3．1．1 摩擦螺柱焊试验准备

3．1．2 摩擦螺柱焊模拟试验方案

3．2 工艺模拟试验结果及分析

3．2．1 摩擦压力对接头性能的影响

3．2．2 螺柱转速对接头性能的影响

3．2．3 加热温度对接头性能的影响

3．2．4 结构对接头性能的影响

3．3 微观组织性能分析

3．3．1 拉伸断口分析

3．3．2 微观形貌分析

3．3．3 显微硬度分析

3．4 搅拌摩擦焊模拟试验设计

3．4．1 搅拌摩擦焊试验准备

3．4．2 搅拌摩擦焊模拟试验方案

3．5 工艺模拟试验结果及分析

3．5．1 转速对接头性能的影响

3．5．2 焊接速度对接头性能的影响

3．6 断口形貌分析

3．7 本章小结

4 双功能摩擦焊系统的设计

4．1 双功能摩擦焊系统整体设计和技术要求

4．2 双功能摩擦焊系统子系统选型与设计

4．2．1 机器人本体介绍

4．2．2 变频电机介绍

4．2．3 连接件的设计与校验

4．2．4 感应加热系统的设计

4．3 本章小结

5 双功能摩擦焊电气控制系统的设计与验证

5．1 电气控制系统的总体要求

5．2 电气控制系统所需各单元简介

5．2．1 机器人控制柜简介

5．2．2 变频器控制原理

5．2．3 电磁继电器控制原理

5．3 电气控制系统设计

5．3．1 液压站控制系统设计

5．3．2 电机控制系统设计

5．3．3 双功能摩擦焊控制系统的设计

5．4 系统的试验验证

5．5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况