焊接技術(shù)基本知識(shí)
奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)：焊接過(guò)程中的彈、塑性應(yīng)力和應(yīng)變量很大，卻極少出現(xiàn)冷裂紋。焊接接頭不存在淬火硬化區(qū)及晶粒粗大化，故焊縫抗拉強(qiáng)度較高。
奧氏體不銹鋼焊接主要問(wèn)題：焊接變形較大；因其晶界特性和對(duì)某些微量雜質(zhì)（S、P）敏感，易產(chǎn)生熱裂紋。奧氏體不銹鋼的5大焊接問(wèn)題及處理措施
1。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(jù)貧鉻理論，焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450~850℃敏化溫度區(qū)時(shí)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(duì)焊縫晶間腐蝕和目材上敏化溫度區(qū)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(wěn)定化元素Ti、Nb等元素使之優(yōu)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(shù)量的鐵素體時(shí)，可細(xì)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(yōu)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(nèi)部擴(kuò)散。
c．控制在敏化溫度區(qū)間的停留時(shí)間。調(diào)整焊接熱循環(huán)，盡可能縮短600～1000℃的停留時(shí)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(shù)以避免重復(fù)加熱，多層焊時(shí)與腐蝕介質(zhì)的接觸面盡可能最后施焊等。
d．焊后進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)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(kuò)散）。
（2）焊接接頭的刀狀腐蝕，為此，可采取如下預(yù)防措施：
由于碳的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，在冷卻過(guò)程中將偏聚在晶界形成過(guò)飽和狀態(tài)，而Ti、Nb則因擴(kuò)散能力低而留于晶體內(nèi)。當(dāng)焊接接頭在敏化溫度區(qū)間再次加熱時(shí)，過(guò)飽和碳將在晶間以Cr23C6形式析出。
a．降低含碳量。對(duì)于含有穩(wěn)定化元素的不銹鋼，含碳量不應(yīng)超過(guò)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(guò)熱區(qū)在高溫停留時(shí)間，注意避免在焊接過(guò)程中產(chǎn)生“中溫敏化”效果。
雙面焊時(shí)，與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫應(yīng)最后施焊（這是大直徑厚壁焊管內(nèi)焊在外焊之后進(jìn)行的原因所在），如不能實(shí)施則應(yīng)調(diào)整焊接規(guī)范及焊縫形狀，盡量避免與腐蝕介質(zhì)接觸的過(guò)熱區(qū)再次受到敏化加熱。
c．焊后熱處理。焊后進(jìn)行固溶或穩(wěn)定化處理。
2.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂
可采用下列措施防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生：
a．正確選擇材料及合理調(diào)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(yīng)力腐蝕性能，焊縫金屬為奧氏體-鐵素體雙相鋼組織時(shí)抗應(yīng)力腐蝕性良好。
b．消除或減小殘余應(yīng)力。進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，采用拋光、噴丸和錘擊等機(jī)械方法降低表面殘余應(yīng)力。
c．合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。
03
焊接熱裂紋（焊縫結(jié)晶裂紋、熱影響區(qū)液化裂紋）
熱裂紋敏感性主要取決于材料的化學(xué)成分、組織與性能。Ni易與S、P等雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)化合物或共晶，硼、硅等的偏析，將促使產(chǎn)生熱裂紋。
焊縫易形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，有利于有害雜質(zhì)和元素的偏析，從而促使形成連續(xù)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(yīng)力，促進(jìn)焊接熱裂紋的產(chǎn)生。
防止措施：
a．嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)S、P的含量。
b．調(diào)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(xì)化晶粒，消除單相奧氏體的方向性，減少有害雜質(zhì)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(diào)整焊縫金屬合金成分。在單相奧氏體鋼中適當(dāng)增加Mn、C、N的含量，加入少量的鈰、鎬、鉭等微量元素（可細(xì)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(guò)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(xiàn)液化裂紋。可通過(guò)嚴(yán)格限制母材的雜質(zhì)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。
4.焊接接頭的脆化
熱強(qiáng)鋼應(yīng)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(fā)生低溫脆斷。
5.焊接變形較大
因?qū)崧实汀⑴蛎浵禂?shù)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(jìn)行焊接。
奧氏體不銹鋼因其熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)小、電阻系數(shù)大，故焊接電流較小。應(yīng)采用窄焊縫、窄焊道，減少高溫停留時(shí)間，防止碳化物析出，減少焊縫收縮應(yīng)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(yīng)力腐蝕開(kāi)裂）性能。
焊縫中不允許或不可能存在鐵素體相時(shí)，焊材應(yīng)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(yīng)盡可能低，Nb在純奧氏體焊縫中會(huì)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(jìn)行穩(wěn)定化或消除應(yīng)力處理的焊接結(jié)構(gòu)，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(guò)焊劑和焊絲中合金元素的過(guò)渡得到補(bǔ)充；
由于熔深大，應(yīng)注意防止焊縫中心區(qū)熱裂紋的產(chǎn)生和熱影響區(qū)耐腐蝕性的降低。應(yīng)注意選擇較細(xì)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(yīng)不大于5％。Cr、Ni含量大于20％的奧氏體不銹鋼，需選用高M(jìn)n（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(zhuān)用焊劑增Si極少，可向焊縫過(guò)渡合金，補(bǔ)償合金元素的燒損，以滿足焊縫性能和化學(xué)成分的要求
目前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于從“高速度發(fā)展”邁進(jìn)“高質(zhì)量發(fā)展”階段，對(duì)制造業(yè)提出了更高更新的要求。憑借生產(chǎn)操作穩(wěn)定、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)[1]，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、鐵路裝備及工程機(jī)械等各個(gè)行業(yè)，并逐漸走向系統(tǒng)化、規(guī)模化和智能化。中國(guó)中車(chē)作為我國(guó)先進(jìn)軌道交通裝備領(lǐng)域的主要代表，為更好地貫徹落實(shí)“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略部署，提出“中車(chē)智造2025”，以標(biāo)準(zhǔn)化、精益化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化作為“中車(chē)智造2025”的實(shí)施路徑，按照夯實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)、強(qiáng)化精益化管理、加快數(shù)字化進(jìn)程、創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)化模式，以及探索智能化轉(zhuǎn)型的策略穩(wěn)步推進(jìn)。本文結(jié)合中車(chē)智能化轉(zhuǎn)型中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，對(duì)目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的焊接機(jī)器人、打磨機(jī)器人、組對(duì)工業(yè)機(jī)器人，以及將不同單功能機(jī)器人整合的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)等工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析介紹，并從企業(yè)發(fā)展和技術(shù)革新角度出發(fā)，展望工業(yè)機(jī)器人在未來(lái)軌道交通制造中的發(fā)展趨勢(shì)。
2 常見(jiàn)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 焊接機(jī)器人的應(yīng)用
焊接作為軌道車(chē)輛制造的關(guān)鍵一環(huán)，也面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)，焊接數(shù)字化、智能化是推動(dòng)先進(jìn)軌道交通裝備發(fā)展的新動(dòng)力。目前，國(guó)內(nèi)外軌道交通企業(yè)的焊接作業(yè)，都是在沿用傳統(tǒng)制造模式的同時(shí)，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人及數(shù)字焊機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)展自動(dòng)化、數(shù)字化制造生產(chǎn)線應(yīng)用研究及生產(chǎn)實(shí)踐，使產(chǎn)品質(zhì)量、管理水平、生產(chǎn)效率也得到了大幅提升，起到了良好的示范效應(yīng)。
焊接機(jī)器人的應(yīng)用如圖1所示，可以取得以下效果。
圖1 焊接機(jī)器人的應(yīng)用
1）保證焊接過(guò)程穩(wěn)定，提高產(chǎn)品制造過(guò)程的受控程度。機(jī)器人焊接時(shí)焊縫的焊接參數(shù)恒定，人為因素影響較小。
2）改善操作工的職業(yè)健康條件。用機(jī)器人焊接時(shí)，工人遠(yuǎn)離焊接弧光、煙霧和飛濺等危害。
3）機(jī)器人操作動(dòng)作、生產(chǎn)節(jié)拍固定，生產(chǎn)周期明確。隨著離線編程的應(yīng)用，工人還可以遠(yuǎn)程操控，為進(jìn)一步打造全自動(dòng)的無(wú)人化工廠創(chuàng)造了條件。
4）機(jī)器人可以連續(xù)生產(chǎn)，每天作業(yè)20h，極大地提升了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
5）除了弧焊，在攪拌摩擦焊領(lǐng)域，攪拌摩擦焊機(jī)器人應(yīng)用也是未來(lái)攪拌摩擦焊裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向[2]。
2.2 打磨機(jī)器人的應(yīng)用
中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中車(chē)唐山）、中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中車(chē)株機(jī)）等分別在動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架、機(jī)車(chē)司機(jī)室焊縫打磨中開(kāi)展打磨機(jī)器人應(yīng)用研究[3，4]。對(duì)于較大長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)完成大部分打磨量；對(duì)于較小的弧形焊縫，可以利用小型工具的靈活處理來(lái)完成復(fù)雜焊縫的打磨；而校準(zhǔn)參考工具可以通過(guò)傳感器對(duì)工件和工具的偏移量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算和補(bǔ)償修正，既避免了硬件偏差對(duì)打磨質(zhì)量的影響，也省去了人工校準(zhǔn)所需的大量時(shí)間，如圖2所示。
圖2 打磨機(jī)器人的應(yīng)用
以igm打磨機(jī)器人為例，配備了自適應(yīng)接觸法蘭，確保打磨過(guò)程中打磨工具與被加工表面始終保持恒定。同時(shí)可以起到砂輪砂帶磨損自動(dòng)補(bǔ)償作用，適用于各種復(fù)雜曲面的打磨。同時(shí)igm打磨機(jī)器人可以選配不同規(guī)格的打磨工具和校準(zhǔn)參考工具。用戶程序編程方面，自動(dòng)打磨機(jī)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(jī)器人運(yùn)行路徑、打磨路徑和打磨量，同時(shí)也避免了現(xiàn)場(chǎng)示教編程的設(shè)備和人員的安全隱患。
2.3 組對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用
在軌道交通車(chē)輛產(chǎn)品的制造過(guò)程中，有的組對(duì)工藝過(guò)程也可以利用機(jī)器人來(lái)替代人工操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的組對(duì)安裝，如構(gòu)架焊接組對(duì)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)腔等結(jié)構(gòu)的自動(dòng)組裝，如圖3所示。
圖3?組對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用
由于不同車(chē)型的橫梁構(gòu)造不一，組對(duì)機(jī)器人可通過(guò)提前設(shè)定的不同程序來(lái)適應(yīng)多種類(lèi)型的橫梁結(jié)構(gòu)。通過(guò)機(jī)器人靈活的搬運(yùn)、拼點(diǎn)，借助工裝結(jié)構(gòu)件更高效地完成組對(duì)，可節(jié)省人工成本，成功解決了生產(chǎn)線系統(tǒng)中的瓶頸難題。
2.4 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用
噴涂機(jī)器人基本由智能控制系統(tǒng)、智能視覺(jué)系統(tǒng)、防爆噴涂機(jī)器人三部分組成，可以通過(guò)自動(dòng)離線編程軟件，生成打磨、拋光程序，如圖4所示。噴涂機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)工藝及過(guò)程控制的自動(dòng)化、智能控制，完成車(chē)體、構(gòu)架等自動(dòng)噴涂，使噴涂過(guò)程更加智能、簡(jiǎn)單，可視化、再現(xiàn)性高，涂膜控制更加精準(zhǔn)，顏色更加鮮艷。同樣通過(guò)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)剛度、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，建立設(shè)計(jì)仿真分析平臺(tái)，也可以采用機(jī)器人進(jìn)行恒力打磨，完成軌道交通車(chē)體機(jī)器人膩?zhàn)哟蚰ァ?
圖4 噴涂機(jī)器人
2.5 組裝機(jī)器人的應(yīng)用
在車(chē)輛組裝過(guò)程中，機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于零部件自動(dòng)化裝配或壓裝、螺栓自動(dòng)擰緊、內(nèi)部物料轉(zhuǎn)運(yùn)等方面，主要是采用機(jī)械臂代替人工進(jìn)行裝配、自動(dòng)選取扳手和套筒、打扭力、記錄扭力數(shù)值，以及自動(dòng)生成裝配記錄并上傳云端保存等工作，如圖5、圖6所示。
3 以構(gòu)架焊接為例的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)
3.1 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)概況
隨著企業(yè)人力資源成本的不斷增加，安全環(huán)保、職業(yè)健康的管理難度越來(lái)越大，在不斷成熟的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)支撐下，企業(yè)越來(lái)越意識(shí)到使用機(jī)器人代替人工是制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。企業(yè)希望工業(yè)機(jī)器人可以覆蓋整個(gè)生產(chǎn)流水線，越來(lái)越多的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)運(yùn)而生，借助5G、數(shù)字化、信息化將各個(gè)功能的機(jī)器人整合起來(lái)，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)、靈活起來(lái)。圖7是igm設(shè)計(jì)的FMS柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)，圖8是CLOOS設(shè)計(jì)的構(gòu)架自動(dòng)化生產(chǎn)線。
5.3 工業(yè)機(jī)器人與精益制造
中國(guó)中車(chē)在深入推進(jìn)生產(chǎn)線轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中，不是為了數(shù)字化而數(shù)字化，而是依托精益制造理念，打造符合企業(yè)實(shí)際情況的精益制造生產(chǎn)線，并根據(jù)生產(chǎn)線上的需要精益地使用工業(yè)機(jī)器人。
總體來(lái)看，未來(lái)以下4種情況的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用會(huì)比較廣泛。
1）人工不適合作業(yè)的動(dòng)作：如打砂、油漆、防腐、高空作業(yè)及有毒有害氣體泄漏檢測(cè)等，對(duì)操作者的健康傷害比較大，作業(yè)員工也難招聘、難培養(yǎng)。
2）人工作業(yè)不經(jīng)濟(jì)的動(dòng)作：如焊接、無(wú)損檢測(cè)等，招聘并培訓(xùn)員工的成本比較高，且存在職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)。
3）對(duì)人的技能要求比較高的動(dòng)作：如長(zhǎng)大焊縫的焊接、高精度的尺寸檢測(cè)、高空維護(hù)作業(yè)等，機(jī)器人作業(yè)更加穩(wěn)定、可靠，還可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)記錄自動(dòng)生成并上傳云端。
4）簡(jiǎn)單重復(fù)的動(dòng)作：如記錄填寫(xiě)、打磨、簡(jiǎn)單的目測(cè)等，機(jī)器人可以快速地達(dá)到工作成效。
公司概況
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