第 1 章 绪论
1.1 课题的背景、来源及研究意义
随着中国制造装备业的不断升级，自动化设备正在被更多的企业所接受。对于一个需要成批量化生产的企业来说，大型构件焊接的精密定位、精密焊接的设备几乎没有，现有的焊接生产工艺不仅工人的劳动强度大、成本高，而且生产效率较低。因此，就给大型构件自动化焊接设备的设计和制造提供了契机。配电房又称变电所，是一种配电设施的保护性产品，已被广泛应用在商场、居民小区、写字楼、工厂供电系统，成为配电设施集成化的重要保护设备。伴随着配电房内部控制系统的大型化、复杂化、多样化，大尺寸配电房的需求量也随之增大。现有的配电房的生产方法无法满足大尺寸配电房的生产要求。课题主要依托于大型配电房焊接生产过程中遇到的实际工程问题。配电房（最大尺寸为 20m×3m×3m）的系列化生产，是通过钢结构件和波纹板拼焊而成。大型配电房所采取的焊接工艺是：在完成配电房底板组焊以及各个立柱焊接之后，对波纹板进行拼焊。波纹板的拼焊是配电房制作过程中工作量最大且繁重的一项工作，而其焊接质量对整个配电房使用性能起着至关重要的影响，因而在波纹板焊接过程尽量采用最优的焊接工艺。目前主要采用普通的人工焊接的方法，依靠行车起吊、手工施焊，焊接效率较低；由于整体结构尺寸较大，焊缝较长、精度不高，焊后需要矫正[1]，另外难以实现配电房钢结构的整体翻转，造成波纹板施焊困难，现有的大型配电房波纹板的焊接难以满足订单和精度要求。为解决生产效率低、劳动强度大、焊接精度低、焊后达不到后道工序的精度要求等问题，需要设计一套大型配电房焊装翻转工作平台，实现焊接过程中的整体翻转，满足波纹板焊接的位置要求，可配合机器手实现自动化焊接，大幅度提高配电房生产效率和焊接精度。以大型配电房的焊接夹具系统为研究对象，制定合理的焊接工艺路线，进行翻转工作平台的设计并对其进行有限元分析，通过优化焊装夹具的方法减小焊接过程变形、提高整体焊接精度和焊接效率，满足市场的需求。以德国工业 4.0 和美国工业互联网的时代背景下，我国提出制造 2025 为战略规划目标，打造出现代化工业强国。其中制造业是工业的基础，而制造业的自动化、智能化对于提高企业产品在全球市场的核心竞争力，提高核心零部件的制造能力和技术水平具有重要意义。
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1.2 课题相关的研究动态
发达国家的焊接夹具生产线是柔性化较高的生产线，这种生产线能适应不同的生产率，产量和不同的自动化水平的工厂特点，焊接生产线主要组成部分包括：焊接设备、传输设备、辅助工艺设备。这几个部分通过控制系统相互协同完成整个产品的焊接工作[2]。目前，国外先进国家设计制造的弧焊机器人[3]大都与多轴数控变位机械的使用相协调。这些数控变位机械采用控制系统分为：全伺服、依靠自身精密，协调机器人等三类。国外变位机研究相比国内处于领先水平，生产厂商有德国 Severt、Cloos；美国Aroson；日本的松下机器人等处于领先领域。其中 Severt 公司通常分为 L 型、C 型、单双座、翻转、回转等一些列产品。德国某汽车制造企业采用的半环形变位机，可实现任意角度对汽车底盘的装配，图 1.1 为半环形变位机。Y. B. Chen 研究了 CO2激光焊接 MAG 复合焊熔滴过渡位置的影响，在不同焊接位置在激光 MAG 复合焊的熔滴过渡是通过选择恒定的焊接参数进行研究[4]。Acherjee 等人通过热塑性高分子材料采用激光焊接，各个工艺参数对激光焊接的影响分析，而设计出特殊材料的激光焊接夹具[5]。欧美一些工业发达的国家现已普遍采用弧焊机器人以高速、高效气体保护焊接工艺，如热丝等离子焊、双丝气体保护焊、热丝 TIG 焊、T.I.M.E 焊等先进焊接工艺方法，其不仅能够有效地确保焊接接头的优良性，而且提高焊接速度和熔敷效率数倍甚至更高[6]。双丝焊是一种高速、高效的焊接方法，具有在熔敷效率增加时保持较低的热输入，热影响区小、焊接变形小、焊接气孔率低等特点。特别适合机器人焊接，因此机器人焊接的应用也奠定了这一项先进焊接技术的普及与应用。据德国 Cloos 公司介绍，采用 Tandem 法焊接 3mm 薄板时，焊接速度可达 6m/min、焊接 8mm 以上厚板时，熔敷效率可达 24kg/h[7]。
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第 2 章 配电房焊装翻转工作平台的设计
大型配电房外形尺寸为 20×3×3（m），焊接此类配电房通常采用人工焊接，焊接顺序：底板焊接→四角立柱焊接→中间立柱方钢焊接→波纹板的拼焊。在人工施焊过程中遇到变形或质量问题时，技术人员根据问题的具体情况对缺陷部位进行工艺调整或借助其他辅助工具进行处理，工作效率较低。另外，配电房波纹板拼焊过程中有仰焊缝的存在，仰焊缝是焊接工艺性较差的焊缝，机器手在遇到此类焊缝几乎不能完成规定的焊接工艺。通常情况下，需要通过变位机，将仰焊缝转化为其他焊姿的焊缝，而对于本文所研究的大型配电房长度（20m）方向超出常规尺寸，成品总重量重达 17t 左右，普通的车间起重设备难以满足，即使有相关设备，也难以保证整体翻转过程中各个部分同步，且无变形。同时，配电房的起重吊装翻转过程中，需要消耗大量的辅助用功时间，需要采取繁杂的防护措施。大型配电房的焊装翻转工作平台能够解决此类问题，实现快速、高效、节省人力和物力的完成配电房波纹板的自动化焊接。随着工业集成化的迅速的发展，配电房的使用量增大。配电房主要由底座、前后门、两个侧壁及顶面部分组成，其中焊接约占 85%的工作量，是配电房生产的重要加工方法，而波纹板的焊缝质量直接影响到油漆的附着力。在配电房焊接中所采用的是熔化极气体保护焊，以可熔化的金属焊丝作电极，并由气体作保护的电弧焊。此种焊接的主要优点在于：可以连续送丝；焊接效率高；无需清砂处理、烟雾少等。
2.1 波纹板焊接过程的问题及解决
在焊接过程中，焊接热源所引发的焊接热循环导致材料发生物理状态变化、物理冶金相变、瞬态的热应力及材料的迁移现象。焊接完成以后由于快速冷却凝固而产生比较差的微观组织以及由于存在不可逆变的导致焊接应力与变形[19]。由于焊接热源产生阶梯状温度场以及引起热源周围区域的组织变化产生焊接应力和变形。按照类别可分为瞬态焊接和残余焊接应力和变形。自由状态波纹板内部的焊接应力是平衡的。焊接应力和变形在配电房制造过程中对其使用功能和外观具有一定的影响，在工艺设计、生产制造过程中提前考虑的问题。焊接变形，是由焊接应力而引起，直接影响产品的制造品质和使用性能。其中板材的焊接残余变形大致分为纵、横向变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等，如图 2.1 为常见的焊接变形[20]。焊接变形导致焊件尺寸、形状的变化，焊后需要根据不同情况进行大量复杂的矫正工作。其中波纹板焊接完成以后，主要出现的变形为波浪变形。
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2.2 焊接位姿对焊缝质量的影响
在焊接工艺中，焊缝的位置是直接影响焊接质量的重要因素之一。通过变位机改变焊缝位置提高焊缝的质量，在自动化焊接过程中得到了广泛的应用[26]。一定程度上提高了焊接作业的效率和有效保证了焊接质量。本文所采用的变位机将焊缝变换到最佳焊接位置，有效的提高焊接质量和焊接精度。大型配电房焊缝分布截面图如图2.2所示。其中主要包括：两条20m的仰焊缝，四条20m的平焊缝。焊接过程中仰焊较为困难，且质量较差，另外加上波纹板有一定的角度，这为人工焊接带来许多不便。在焊接小型配电房时，通常是通过车间的行车吊进行翻转或者直接仰焊，通过辅助夹具进行焊装定位，保证焊接的精度。而对于长度方向较大的配电房，行车起吊变形大、不易控制，达不到焊接精度要求，焊缝的质量缺陷较多，在焊接配电房侧面墙体薄钢板时，焊缝较多且长、存在仰焊缝、焊后变形、异形（波浪形）焊缝、焊透钢板等一系列难题，焊接质量无法保证，在现场主要通过工人积累的工作经验和手工控制。另外起吊过程中也存在一定的安全因素，因而对于大型配电房的焊接较为困难。
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第 3 章 翻转工作平台有限元分析..........17
3.1 翻转工作平台底座受力分析.....18
3.2 翻转过程分析........20
3.2.1 翻转过程.........20
3.2.2 建立目标函数........21
3.3 翻转工位配电房钢结构变形分析....22
3.4 关键零部件受力分析..........25
3.5 本章小结 ....... 28
第 4 章 配电房波纹板焊接模拟 .......... 29
4.1 焊接数值模拟 .... 29
4.2 ABAQUS 分析 ........ 29
4.2.1 热源模型选取 .......... 30
4.2.2 材料特性参数 .......... 32
4.2.3 确定单元类型 .......... 32
4.2.4 网格划分及边界条件 ...... 32
4.3 波纹板装夹方式 ....... 33
4.4 波纹板焊接分析 ....... 34
4.5 本章小结 ..... 42
第 5 章 结论 ..... 43
第 4 章 配电房波纹板焊接模拟
4.1 焊接数值模拟
焊接过程中，焊接热源所产生的焊接热循环将引起焊件发生物理冶金及相变、瞬态的热力及材料的迁移、物理状态变化等现象。焊接完成后，由于快速冷却凝固导致产生较差微观组织且不可逆变，焊接应力和变形随之产生。通常采用数理计算方法与实验研究相结合的方法对焊接过程进行较为准确的表达。由于实际条件的存在，对每个焊接模型都进行实体模型实验存在一定的困难。随着仿真技术的不断进步，采用数值模拟方法对实际焊接材料融合过程进行数值模拟，主要是针对焊接过程中的温度场和材料属性变化、冷却后的焊接的应力和变形分布进行具体认识和研究[35-37]。焊接过程数值模拟方法是从基本的解析法开始，通过对现有的实际结构件进行建模仿真分析计算，弹性有限元法基于固有应变多次热循环下的变形和残余应力。主要数值模拟的方法有：解析法、差分法、Monte Carlo（MC）法、Cellular Automaton（CA）法、相场法和有限元法等。近几年有限元法得到广泛的应用，甚至已经成为某些领域研究的主导方法[38，39]。有限元法有以下优点：概念清晰，容易理解；适应性强，应用范围较广；有限元用矩阵形式表达，便于编制计算机程序。在焊接数值模拟领域的应用主要涉及焊接热传导、热弹塑性应力应变、断裂力学等方面的数值计算。本文的焊接模拟主要采用有限元软件 ABAQUS 软件进行焊接模拟，操作简单，可以通过 CAE 进行人机交互，对于简单的模型可在软件里面建模，复杂的模型可在其他三位模型建模然后导入到 ABAQUS 进行前处理，前处理步骤中的网格划分可通过专业网格划分软件进行划分，对于材料的属性可以利用现有的材料数据库，减少相应的工作量。另外还可以根据需要模拟的焊接建立焊点的材料模型，后处理也可借助第三方软件进行查看焊接变形和残余应力。
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结论
本文在工程实践中焊接配电房的基础之上，系统全面的介绍了与配电房焊接有关的焊接基本理论、变位机种类，数值模拟技术等内容。设计出适合大型配电房焊接翻转工作平台，并通过有限元进行应力和变形分析；在改变焊缝的位置后，通过 ABAQUS热-结构耦合功能模拟焊接，掌握应力、变形的产生及分布规律。为实际生产中采取有效的措施控制和降低残余应力提供重要的依据。
（1）首先结合大型配电房的结构特点、焊缝的位置、焊接工艺等需采用焊接辅助设备改善焊缝的质量。通过对比两种可实现配电房焊缝位置改变的焊接辅助设备，得到翻转工作平台较 U 型双座回转变位机更为适合于大型配电房的焊接，能够在最大限度转化焊缝位置，同时保证焊接精度。
（2）建立翻转工作平台模型，应用 ADAMS 进行模拟翻转动作，将运动仿真所得到的数据导入到 ANSYS Workbench 中，对翻转机构整体、关键零部件进行应力和应变分析，确保了各个机构的安全性。在翻转过程中，通过增加辅助支撑减小配电房的钢结构变形量，改善过后变形量为 2mm，符合机械手焊接条件。
（3）在翻转工作平台翻转 45 度时，配电房的仰焊缝转化成平焊缝的工况下，以气动磁力夹具定位方式为 ABAQUS 约束条件，合理选用单元类型、双椭球热源模型、顺序耦合方法、合理选择过渡网格形式和尺寸对波纹板进行焊接数值模拟，得到了配电房波纹板焊接过程的温度场变化和应力场的分布。应力场主要分布在 H 型钢、方钢与波纹板之间的焊缝区域，局部应力 220MPa。极少部位最大变形量为 0.9mm。满足配电房精度要求。焊接数值模拟可用于指导焊接工艺的编制，为配电房焊接制作提供理论参考。
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参考文献(略)