重载搅拌摩擦焊机器人主轴焊接全工况数值模拟及试验验证

• 作 者: 武廷课
• 出 处: 沈阳理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 搅拌摩擦焊机器人 材料流动 航天燃料贮箱 温度监测 参数优化

大型薄壁曲面的搅拌摩擦焊一直备受关注,搅拌摩擦焊是一种固相连接技术,由于其独特的焊接优势国外已成功将其应用于大型火箭贮箱的焊接。然而,我国在该领域起步较晚,缺乏专业化复杂曲面焊接设备。目前,我国大型运载火箭、航天飞船等国家重要技术领域,使用的大多是基于经验的大型薄壁搅拌摩擦焊过程控制。为了实现搅拌摩擦焊工艺的系统化、定量化,对焊接工艺参数的实时监测及优化提出了更高的要求。首先以搅拌摩擦焊机器人整机的设计目标为导向,分析了火箭燃料贮箱的实际焊接工况,并对机器人的系统构成及主轴传动进行了详细的介绍,通过对摩擦焊机器人运动学与动力学进行推导,分析机器人的整机运动可达性及各关节的受载情况,针对最复杂的瓜瓣焊工艺进行了动力学的仿真分析,分析系统焊接过程的可实现性。建立了机器人末端产热模型,对机器人末端搅拌头进行产热理论分析。构建了搅拌摩擦焊的有限元模型以模拟全工况的焊接过程。并通过试验进行了模型的z修正。数值模拟分析了机器人焊接过程的载荷场、温度场,并可实现对焊接缺陷的预测。通过粒子跟踪技术对焊接区材料流动进行分析,研究焊接全过程的材料流动规律。通过仿真及试验发现温度输入对材料流动的影响显著,为更好的研究焊接过程的材料流动规律及优化焊接参数,设计了机器人末端的温度采集系统,主要用于实时监测焊接区的温度分布,通过两种温度采集系统的设计很好的完成焊接区的温度监测,并建立了温度与焊接参数的对应关系。通过焊缝接头的微观组织分析发现了与数值模拟相似的材料流动规律,结合数值模拟结果提出了材料流动模型,利用材料流动模型研究了焊接缺陷的形成机理,焊缝接头的力学性能分析结合机器人末端测温确定了较优的焊接参数。最后将优化的参数应用于航天贮箱的复杂曲面焊接,搅拌摩擦焊机器人针对航天贮箱最恶劣的瓜瓣焊工况进行了焊接试验,为保证焊接精度进行了机器人的轨迹规划,焊接结果获得了表面光洁、致密的良好焊缝。因此结合温度实时监测方法可有效指导机器人搅拌摩擦焊工艺参数的改进,为航天燃料贮箱的焊接及应用提供有效的数据参考。