焊接技術基本知識
奧氏體不銹鋼的焊接特點：焊接過程中的彈、塑性應力和應變量很大，卻極少出現冷裂紋。焊接接頭不存在淬火硬化區及晶粒粗大化，故焊縫抗拉強度較高。
奧氏體不銹鋼焊接主要問題：焊接變形較大；因其晶界特性和對某些微量雜質（S、P）敏感，易產生熱裂紋。奧氏體不銹鋼的5大焊接問題及處理措施
01碳化鉻的形成，降低焊接接頭抗晶間腐蝕能力
晶間腐蝕：根據貧鉻理論，焊縫和熱影響區在加熱到450~850℃敏化溫度區時在晶界上析出碳化鉻，造成貧鉻的晶界，不足以抵抗腐蝕的程度。
（1）針對焊縫晶間腐蝕和目材上敏化溫度區腐蝕，可采用下列措施加以限制：
a．減少母材及焊縫的含碳量，母材中添加穩定化元素Ti、Nb等元素使之優先形成MC，以避免Cr23C6形成。
b．使焊縫形成奧氏體加少量鐵素體的雙相組織。焊縫中存在一定數量的鐵素體時，可細化晶粒，增加晶粒面積，使晶界單位面積上的碳化鉻析出量減少。
鉻在鐵素體中溶解度較大，Cr23C6優先在鐵素體中形成，而不致使奧氏體晶界貧鉻；在奧氏體之間的鐵素體，可防止腐蝕沿晶界向內部擴散。
c．控制在敏化溫度區間的停留時間。調整焊接熱循環，盡可能縮短600～1000℃的停留時間，可選擇能量密度高的焊接方法（如等離子氬弧焊），選用較小的焊接線能量，焊縫背面通氬氣或采用銅墊增加焊接接頭的冷卻速度，減少起弧、收弧次數以避免重復加熱，多層焊時與腐蝕介質的接觸面盡可能最后施焊等。
d．焊后進行固溶處理或穩定化退火（850～900℃）保溫后空冷，以使碳化物充分析出，并使鉻加速擴散）。
（2）焊接接頭的刀狀腐蝕，為此，可采取如下預防措施：
由于碳的擴散能力較強，在冷卻過程中將偏聚在晶界形成過飽和狀態，而Ti、Nb則因擴散能力低而留于晶體內。當焊接接頭在敏化溫度區間再次加熱時，過飽和碳將在晶間以Cr23C6形式析出。
a．降低含碳量。對于含有穩定化元素的不銹鋼，含碳量不應超過0.06％。
b．采用合理的焊接工藝。選擇較小的焊接線能量，以減少過熱區在高溫停留時間，注意避免在焊接過程中產生“中溫敏化”效果。
雙面焊時，與腐蝕介質接觸的焊縫應最后施焊（這是大直徑厚壁焊管內焊在外焊之后進行的原因所在），如不能實施則應調整焊接規范及焊縫形狀，盡量避免與腐蝕介質接觸的過熱區再次受到敏化加熱。
c．焊后熱處理。焊后進行固溶或穩定化處理。
02應力腐蝕開裂
可采用下列措施防止應力腐蝕開裂的發生：
a．正確選擇材料及合理調整焊縫成分。高純鉻-鎳奧氏體不銹鋼、高硅鉻-鎳奧氏體不銹鋼、鐵素體-奧氏體不銹鋼、高鉻鐵素體不銹鋼等具有較好的抗應力腐蝕性能，焊縫金屬為奧氏體-鐵素體雙相鋼組織時抗應力腐蝕性良好。
b．消除或減小殘余應力。進行焊后消除應力熱處理，采用拋光、噴丸和錘擊等機械方法降低表面殘余應力。
c．合理的結構設計。以避免產生較大的應力集中。
03焊接熱裂紋（焊縫結晶裂紋、熱影響區液化裂紋）
熱裂紋敏感性主要取決于材料的化學成分、組織與性能。Ni易與S、P等雜質形成低熔點化合物或共晶，硼、硅等的偏析，將促使產生熱裂紋。
焊縫易形成方向性強的粗大柱狀晶組織，有利于有害雜質和元素的偏析，從而促使形成連續的晶間液膜，提高了熱裂紋的敏感性。若焊接不均勻加熱，則易形成較大的拉應力，促進焊接熱裂紋的產生。
防止措施：
a．嚴格控制有害雜質S、P的含量。
b．調整焊縫金屬的組織。雙相組織焊縫具有良好的抗裂性能，焊縫中的δ相可細化晶粒，消除單相奧氏體的方向性，減少有害雜質在晶界的偏析，且δ相能溶解較多的S、P，并能降低界面能，組織晶間液膜的形成。
c．調整焊縫金屬合金成分。在單相奧氏體鋼中適當增加Mn、C、N的含量，加入少量的鈰、鎬、鉭等微量元素（可細化焊縫組織、凈化晶界），可減少熱裂紋敏感性。
d．工藝措施。盡量減小熔池過熱，以防止形成粗大的柱狀晶，采用小線能量及小截面焊道。
例如25-20型奧氏體鋼易出現液化裂紋?？赏ㄟ^嚴格限制母材的雜質含量及晶粒度，采用高能量密度的焊接方法、小線能量和提高接頭的冷卻速度等措施。
04焊接接頭的脆化
熱強鋼應保證焊接接頭的塑性，防止高溫脆化；低溫用鋼要求具有良好的低溫韌性，防止焊接接頭發生低溫脆斷。
05焊接變形較大
因導熱率低、膨脹系數大，故焊接變形較大，可采用夾具防止變形。奧氏體不銹鋼的焊接方法和焊接材料的選擇：奧氏體不銹鋼可用鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極氬弧焊（MIG）、等離子氬弧焊（PAW）及埋弧焊（SAW）等方法進行焊接。
奧氏體不銹鋼因其熔點低、導熱系數小、電阻系數大，故焊接電流較小。應采用窄焊縫、窄焊道，減少高溫停留時間，防止碳化物析出，減少焊縫收縮應力，降低熱裂紋敏感性。
焊材成分尤其是Cr、Ni合金元素要高于母材。采用含有少量（4～12％）鐵素體的焊接材料，以保證焊縫良好的抗裂（冷裂、熱裂、應力腐蝕開裂）性能。
焊縫中不允許或不可能存在鐵素體相時，焊材應選用含Mo、Mn等合金元素的焊接材料。
焊材中的C、S、P、Si、Nb應盡可能低，Nb在純奧氏體焊縫中會引起凝固裂紋，但焊縫中有少量鐵素體可有效避免。
焊后需進行穩定化或消除應力處理的焊接結構，通常選用含Nb的焊接材料。埋弧焊用于焊接中板，Cr、Ni的燒損可通過焊劑和焊絲中合金元素的過渡得到補充；
由于熔深大，應注意防止焊縫中心區熱裂紋的產生和熱影響區耐腐蝕性的降低。應注意選擇較細的焊絲和較小的焊接線能量，焊絲需低Si、S、P。
耐熱不銹鋼焊縫中鐵素體含量應不大于5％。Cr、Ni含量大于20％的奧氏體不銹鋼，需選用高Mn（6～8％）焊絲，焊劑選用堿性或中性焊劑，以防止向焊縫中增Si，以提高其抗裂性能。
奧氏體不銹鋼專用焊劑增Si極少，可向焊縫過渡合金，補償合金元素的燒損，以滿足焊縫性能和化學成分的要求
目前，中國經濟正處于從“高速度發展”邁進“高質量發展”階段，對制造業提出了更高更新的要求。憑借生產操作穩定、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率等特點[1]，工業機器人被廣泛應用于汽車、鐵路裝備及工程機械等各個行業，并逐漸走向系統化、規模化和智能化。中國中車作為我國先進軌道交通裝備領域的主要代表，為更好地貫徹落實“中國制造2025”戰略部署，提出“中車智造2025”，以標準化、精益化、數字化、網絡化和智能化作為“中車智造2025”的實施路徑，按照夯實標準化基礎、強化精益化管理、加快數字化進程、創新網絡化模式，以及探索智能化轉型的策略穩步推進。本文結合中車智能化轉型中工業機器人的應用，對目前市場上應用較多的焊接機器人、打磨機器人、組對工業機器人，以及將不同單功能機器人整合的柔性生產線系統等工業機器人應用現狀進行分析介紹，并從企業發展和技術革新角度出發，展望工業機器人在未來軌道交通制造中的發展趨勢。
2 常見工業機器人應用現狀
2.1 焊接機器人的應用
焊接作為軌道車輛制造的關鍵一環，也面臨著轉型升級，焊接數字化、智能化是推動先進軌道交通裝備發展的新動力。目前，國內外軌道交通企業的焊接作業，都是在沿用傳統制造模式的同時，隨著5G、物聯網、工業機器人及數字焊機等技術的發展，開展自動化、數字化制造生產線應用研究及生產實踐，使產品質量、管理水平、生產效率也得到了大幅提升，起到了良好的示范效應。
焊接機器人的應用如圖1所示，可以取得以下效果。
1）保證焊接過程穩定，提高產品制造過程的受控程度。機器人焊接時焊縫的焊接參數恒定，人為因素影響較小。
2）改善操作工的職業健康條件。用機器人焊接時，工人遠離焊接弧光、煙霧和飛濺等危害。
3）機器人操作動作、生產節拍固定，生產周期明確。隨著離線編程的應用，工人還可以遠程操控，為進一步打造全自動的無人化工廠創造了條件。
4）機器人可以連續生產，每天作業20h，極大地提升了生產效率，降低了生產成本。
5）除了弧焊，在攪拌摩擦焊領域，攪拌摩擦焊機器人應用也是未來攪拌摩擦焊裝備發展的一個重要方向[2]。
2.2 打磨機器人的應用
中車唐山機車車輛有限公司（以下簡稱中車唐山）、中車株洲電力機車有限公司（以下簡稱中車株機）等分別在動車轉向架、機車司機室焊縫打磨中開展打磨機器人應用研究[3，4]。對于較大長直焊縫的打磨，可以利用大型工具的快速打磨能力在較短時間內完成大部分打磨量；對于較小的弧形焊縫，可以利用小型工具的靈活處理來完成復雜焊縫的打磨；而校準參考工具可以通過傳感器對工件和工具的偏移量進行精準計算和補償修正，既避免了硬件偏差對打磨質量的影響，也省去了人工校準所需的大量時間，如圖2所示。
以igm打磨機器人為例，配備了自適應接觸法蘭，確保打磨過程中打磨工具與被加工表面始終保持恒定。同時可以起到砂輪砂帶磨損自動補償作用，適用于各種復雜曲面的打磨。同時igm打磨機器人可以選配不同規格的打磨工具和校準參考工具。用戶程序編程方面，自動打磨機器人使用igm成熟的離線編程方式，在離線軟件中模擬出最合理的機器人運行路徑、打磨路徑和打磨量，同時也避免了現場示教編程的設備和人員的安全隱患。
2.3 組對機器人的應用
在軌道交通車輛產品的制造過程中，有的組對工藝過程也可以利用機器人來替代人工操作，實現自動化的組對安裝，如構架焊接組對機器人，可實現轉向架構架側梁內腔等結構的自動組裝，如圖3所示。
組對機器人的應用
由于不同車型的橫梁構造不一，組對機器人可通過提前設定的不同程序來適應多種類型的橫梁結構。通過機器人靈活的搬運、拼點，借助工裝結構件更高效地完成組對，可節省人工成本，成功解決了生產線系統中的瓶頸難題。
2.4 噴涂機器人的應用
噴涂機器人基本由智能控制系統、智能視覺系統、防爆噴涂機器人三部分組成，可以通過自動離線編程軟件，生成打磨、拋光程序，如圖4所示。噴涂機器人能夠實現工藝及過程控制的自動化、智能控制，完成車體、構架等自動噴涂，使噴涂過程更加智能、簡單，可視化、再現性高，涂膜控制更加精準，顏色更加鮮艷。同樣通過對機器人結構的靜動態剛度、運動學動力學分析，建立設計仿真分析平臺，也可以采用機器人進行恒力打磨，完成軌道交通車體機器人膩子打磨。
2.5 組裝機器人的應用
在車輛組裝過程中，機器人被廣泛地應用于零部件自動化裝配或壓裝、螺栓自動擰緊、內部物料轉運等方面，主要是采用機械臂代替人工進行裝配、自動選取扳手和套筒、打扭力、記錄扭力數值，以及自動生成裝配記錄并上傳云端保存等工作
3 以構架焊接為例的柔性生產線系統
3.1 柔性生產線系統概況
隨著企業人力資源成本的不斷增加，安全環保、職業健康的管理難度越來越大，在不斷成熟的工業機器人技術支撐下，企業越來越意識到使用機器人代替人工是制造業發展的趨勢。企業希望工業機器人可以覆蓋整個生產流水線，越來越多的柔性生產線系統開始應運而生，借助5G、數字化、信息化將各個功能的機器人整合起來，使整個生產過程連續、靈活起來。圖7是igm設計的FMS柔性生產線系統，圖8是CLOOS設計的構架自動化生產線。
柔性自動化生產線可以實現多種型號的產品自動切換生產，主要構成包括：①生產線控制：用于生產線內信息溝通。②立體庫：用于存放待焊件、焊后成品、夾具等。③組裝線：用于組裝側梁。④焊接工作站：用于焊接側梁內腔、側梁外焊縫、橫梁及構架等。⑤物流線：用于生產線內物流，生產線外的進料和出料。⑥手工線：產品修整、手工組裝等。⑦檢測設備：用于產品檢測。
3.2 柔性生產線系統功能實現
借助中央控制系統，整條生產線成為了一個統一、和諧的整體，如圖9所示。柔性生產線系統主要可以實現以下功能：①承接上游信息系統傳遞的生產工單信息，將相應的作業指令分配到具體的作業設備，自動調度物料、自動加工。②獲取工單傳遞的物料信息，并與檢測的物料進行比對。③設備具有二維碼掃描功能，可以掃描工件上的二維碼。④能接收上游信息系統下達的質檢要求，并反饋質檢信息。⑤可以解析工單中傳遞的工藝參數、工藝要求、焊接參數等，形成設備的控制指令，驅動設備完成制作執行及工藝防糾錯的過程。⑥能將機器人作業的實際參數及時采集上傳信息系統，所有設備的生產日志數據自動存儲并自動傳送到上游系統服務器中。⑦設備可以根據信息系統傳遞的產品信息、工藝要求做到柔性切換。⑧可以承接上游系統傳遞的焊接程序，并驅動焊接生產過程的執行。
圖9 柔性生產線系統的全面生產過程管理
4 中車部分子公司的構架焊接自動化生產線
轉向架構架生產主要以焊接為主，焊接質量的穩定是決定構架產品質量的關鍵。利用先進的數字化智能制造技術，實現產品制造全過程的追溯，并且利用信息化物聯網技術，實現過程數據自動檢測記錄，取消紙質記錄；利用機器替代人，減少作業人員投入，關鍵主要焊縫實現工業機器人自動化焊接，減少人為因素的影響，降低質量風險，提高產品質量的穩定性；同時實現節拍化生產，提高生產效率。中車四方、中車株機、中車唐山、中車浦鎮等公司均開展了構架焊接智能化生產線建設工作，見表1。
雖然工業機器人被各企業普遍應用，但是仍然存在以下一些問題：①梁體內部、外部局部等可達性不好，焊接機器人不能完全覆蓋。②自動化裝配穩定性有待驗證，小部件裝配、構架等結構受限。③磁粉檢測可以自動磁化及噴灑磁懸液，判定則需要人工完成。④自動化打磨技術不太成熟，效果不理想，只適合粗磨。⑤自動尺寸檢測技術還需要進一步驗證。
5 工業機器人在軌道交通制造中的發展趨勢
5.1 工業機器人與數字工廠
當前全球制造業與信息科技深度融合，數字工廠技術作為數字孿生分支領域，是全球先進智能制造研究熱點，并廣泛應用于航空航天、造船、汽車等重點工業領域[5]。數字工廠技術與制造裝備有機結合，正引領著第四次信息工業革命。伴隨工業信息化與機器人化，工業機器人勢必成為數字工廠的重要角色，通過數字孿生技術集成智能傳感技術、聯合仿真技術、數據分析技術以及智能控制技術等，可以有效地融合、集成和同步虛擬產品與物理產品，并支持它們之間巨大的數據互動[6]，實現軌道交通制造全流程數字化開發。同時，維護生產管理，持續不斷地提升產品品質、生產工藝及管理水平。達到這樣的智慧化程度，不僅需要大幅提升機器人集成技術，更需要企業精益生產管理能力與機器人集成技術的緊密融合[7]。
5.2 工業機器人與智能制造
現在智能制造是當前世界制造業的共同發展趨勢， 中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司高速動車組齒輪傳動系統智能裝配車間、中車株機軌道交通轉向架智能制造車間等都是軌道交通行業在智能制造方面進行探索而結出的碩果[8]。雖然相比汽車部件的定型制造，軌道交通裝備屬于客戶個性定制產品，智能制造實現的難度更大，但是伴隨工業機器人標準化、精益化、智能化的發展，必然會促進軌道交通裝備智能制造的進一步發展。如以轉向架為例的智能制造，工業機器人的應用應該立足于全制造流程的每個方面（見圖10），助力于智能制造的每一個階段。
圖10 以轉向架為例的智能制造設計思路
5.3 工業機器人與精益制造
中國中車在深入推進生產線轉型升級的過程中，不是為了數字化而數字化，而是依托精益制造理念，打造符合企業實際情況的精益制造生產線，并根據生產線上的需要精益地使用工業機器人。
總體來看，未來以下4種情況的工業機器人應用會比較廣泛。
1）人工不適合作業的動作：如打砂、油漆、防腐、高空作業及有毒有害氣體泄漏檢測等，對操作者的健康傷害比較大，作業員工也難招聘、難培養。
2）人工作業不經濟的動作：如焊接、無損檢測等，招聘并培訓員工的成本比較高，且存在職業健康風險。
3）對人的技能要求比較高的動作：如長大焊縫的焊接、高精度的尺寸檢測、高空維護作業等，機器人作業更加穩定、可靠，還可以實現作業記錄自動生成并上傳云端。
4）簡單重復的動作：如記錄填寫、打磨、簡單的目測等，機器人可以快速地達到工作成效。
