焊接技术基本知识

奥氏体不锈钢的焊接特点：焊接过程中的弹、塑性应力和应变量很大，却极少出现冷裂纹。焊接接头不存在淬火硬化区及晶粒粗大化，故焊缝抗拉强度较高。

奥氏体不锈钢焊接主要问题：焊接变形较大；因其晶界特性和对某些微量杂质（S、P）敏感，易产生热裂纹。奥氏体不锈钢的5大焊接问题及处理措施

01碳化铬的形成，降低焊接接头抗晶间腐蚀能力

晶间腐蚀：根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450~850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度。

（1）针对焊缝晶间腐蚀和目材上敏化温度区腐蚀，可采用下列措施加以限制：

a．减少母材及焊缝的含碳量，母材中添加稳定化元素Ti、Nb等元素使之优先形成MC，以避免Cr23C6形成。

b．使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的双相组织。焊缝中存在一定数量的铁素体时，可细化晶粒，增加晶粒面积，使晶界单位面积上的碳化铬析出量减少。

铬在铁素体中溶解度较大，Cr23C6优先在铁素体中形成，而不致使奥氏体晶界贫铬；在奥氏体之间的铁素体，可防止腐蚀沿晶界向内部扩散。

c．控制在敏化温度区间的停留时间。调整焊接热循环，尽可能缩短600～1000℃的停留时间，可选择能量密度高的焊接方法（如等离子氩弧焊），选用较小的焊接线能量，焊缝背面通氩气或采用铜垫增加焊接接头的冷却速度，减少起弧、收弧次数以避免重复加热，多层焊时与腐蚀介质的接触面尽可能最后施焊等。

d．焊后进行固溶处理或稳定化退火（850～900℃）保温后空冷，以使碳化物充分析出，并使铬加速扩散）。

（2）焊接接头的刀状腐蚀，为此，可采取如下预防措施：

由于碳的扩散能力较强，在冷却过程中将偏聚在晶界形成过饱和状态，而Ti、Nb则因扩散能力低而留于晶体内。当焊接接头在敏化温度区间再次加热时，过饱和碳将在晶间以Cr23C6形式析出。

a．降低含碳量。对于含有稳定化元素的不锈钢，含碳量不应超过0.06％。

b．采用合理的焊接工艺。选择较小的焊接线能量，以减少过热区在高温停留时间，注意避免在焊接过程中产生“中温敏化”效果。

双面焊时，与腐蚀介质接触的焊缝应最后施焊（这是大直径厚壁焊管内焊在外焊之后进行的原因所在），如不能实施则应调整焊接规范及焊缝形状，尽量避免与腐蚀介质接触的过热区再次受到敏化加热。

c．焊后热处理。焊后进行固溶或稳定化处理。

02应力腐蚀开裂

可采用下列措施防止应力腐蚀开裂的发生：

a．正确选择材料及合理调整焊缝成分。高纯铬-镍奥氏体不锈钢、高硅铬-镍奥氏体不锈钢、铁素体-奥氏体不锈钢、高铬铁素体不锈钢等具有较好的抗应力腐蚀性能，焊缝金属为奥氏体-铁素体双相钢组织时抗应力腐蚀性良好。

b．消除或减小残余应力。进行焊后消除应力热处理，采用抛光、喷丸和锤击等机械方法降低表面残余应力。

c．合理的结构设计。以避免产生较大的应力集中。

03焊接热裂纹（焊缝结晶裂纹、热影响区液化裂纹）

热裂纹敏感性主要取决于材料的化学成分、组织与性能。Ni易与S、P等杂质形成低熔点化合物或共晶，硼、硅等的偏析，将促使产生热裂纹。

焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质和元素的偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，提高了热裂纹的敏感性。若焊接不均匀加热，则易形成较大的拉应力，促进焊接热裂纹的产生。

防止措施：

a．严格控制有害杂质S、P的含量。

b．调整焊缝金属的组织。双相组织焊缝具有良好的抗裂性能，焊缝中的δ相可细化晶粒，消除单相奥氏体的方向性，减少有害杂质在晶界的偏析，且δ相能溶解较多的S、P，并能降低界面能，组织晶间液膜的形成。

c．调整焊缝金属合金成分。在单相奥氏体钢中适当增加Mn、C、N的含量，加入少量的铈、镐、钽等微量元素（可细化焊缝组织、净化晶界），可减少热裂纹敏感性。

d．工艺措施。尽量减小熔池过热，以防止形成粗大的柱状晶，采用小线能量及小截面焊道。

例如25-20型奥氏体钢易出现液化裂纹。可通过严格限制母材的杂质含量及晶粒度，采用高能量密度的焊接方法、小线能量和提高接头的冷却速度等措施。

04焊接接头的脆化

热强钢应保证焊接接头的塑性，防止高温脆化；低温用钢要求具有良好的低温韧性，防止焊接接头发生低温脆断。

05焊接变形较大

因导热率低、膨胀系数大，故焊接变形较大，可采用夹具防止变形。奥氏体不锈钢的焊接方法和焊接材料的选择：奥氏体不锈钢可用钨极氩弧焊（TIG）、熔化极氩弧焊（MIG）、等离子氩弧焊（PAW）及埋弧焊（SAW）等方法进行焊接。

奥氏体不锈钢因其熔点低、导热系数小、电阻系数大，故焊接电流较小。应采用窄焊缝、窄焊道，减少高温停留时间，防止碳化物析出，减少焊缝收缩应力，降低热裂纹敏感性。

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％）铁素体的焊接材料，以保证焊缝良好的抗裂（冷裂、热裂、应力腐蚀开裂）性能。

焊缝中不允许或不可能存在铁素体相时，焊材应选用含Mo、Mn等合金元素的焊接材料。

焊材中的C、S、P、Si、Nb应尽可能低，Nb在纯奥氏体焊缝中会引起凝固裂纹，但焊缝中有少量铁素体可有效避免。

焊后需进行稳定化或消除应力处理的焊接结构，通常选用含Nb的焊接材料。埋弧焊用于焊接中板，Cr、Ni的烧损可通过焊剂和焊丝中合金元素的过渡得到补充；

由于熔深大，应注意防止焊缝中心区热裂纹的产生和热影响区耐腐蚀性的降低。应注意选择较细的焊丝和较小的焊接线能量，焊丝需低Si、S、P。

耐热不锈钢焊缝中铁素体含量应不大于5％。Cr、Ni含量大于20％的奥氏体不锈钢，需选用高Mn（6～8％）焊丝，焊剂选用碱性或中性焊剂，以防止向焊缝中增Si，以提高其抗裂性能。

奥氏体不锈钢专用焊剂增Si极少，可向焊缝过渡合金，补偿合金元素的烧损，以满足焊缝性能和化学成分的要求

目前，中国经济正处于从“高速度发展”迈进“高质量发展”阶段，对制造业提出了更高更新的要求。凭借生产操作稳定、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率等特点[1]，工业机器人被广泛应用于汽车、铁路装备及工程机械等各个行业，并逐渐走向系统化、规模化和智能化。中国中车作为我国先进轨道交通装备领域的主要代表，为更好地贯彻落实“中国制造2025”战略部署，提出“中车智造2025”，以标准化、精益化、数字化、网络化和智能化作为“中车智造2025”的实施路径，按照夯实标准化基础、强化精益化管理、加快数字化进程、创新网络化模式，以及探索智能化转型的策略稳步推进。本文结合中车智能化转型中工业机器人的应用，对目前市场上应用较多的焊接机器人、打磨机器人、组对工业机器人，以及将不同单功能机器人整合的柔性生产线系统等工业机器人应用现状进行分析介绍，并从企业发展和技术革新角度出发，展望工业机器人在未来轨道交通制造中的发展趋势。

2 常见工业机器人应用现状

2.1 焊接机器人的应用

焊接作为轨道车辆制造的关键一环，也面临着转型升级，焊接数字化、智能化是推动先进轨道交通装备发展的新动力。目前，国内外轨道交通企业的焊接作业，都是在沿用传统制造模式的同时，随着5G、物联网、工业机器人及数字焊机等技术的发展，开展自动化、数字化制造生产线应用研究及生产实践，使产品质量、管理水平、生产效率也得到了大幅提升，起到了良好的示范效应。

焊接机器人的应用如图1所示，可以取得以下效果。

1）保证焊接过程稳定，提高产品制造过程的受控程度。机器人焊接时焊缝的焊接参数恒定，人为因素影响较小。

2）改善操作工的职业健康条件。用机器人焊接时，工人远离焊接弧光、烟雾和飞溅等危害。

3）机器人操作动作、生产节拍固定，生产周期明确。随着离线编程的应用，工人还可以远程操控，为进一步打造全自动的无人化工厂创造了条件。

4）机器人可以连续生产，每天作业20h，极大地提升了生产效率，降低了生产成本。

5）除了弧焊，在搅拌摩擦焊领域，搅拌摩擦焊机器人应用也是未来搅拌摩擦焊装备发展的一个重要方向[2]。

2.2 打磨机器人的应用

中车唐山机车车辆有限公司（以下简称中车唐山）、中车株洲电力机车有限公司（以下简称中车株机）等分别在动车转向架、机车司机室焊缝打磨中开展打磨机器人应用研究[3，4]。对于较大长直焊缝的打磨，可以利用大型工具的快速打磨能力在较短时间内完成大部分打磨量；对于较小的弧形焊缝，可以利用小型工具的灵活处理来完成复杂焊缝的打磨；而校准参考工具可以通过传感器对工件和工具的偏移量进行精准计算和补偿修正，既避免了硬件偏差对打磨质量的影响，也省去了人工校准所需的大量时间，如图2所示。

以igm打磨机器人为例，配备了自适应接触法兰，确保打磨过程中打磨工具与被加工表面始终保持恒定。同时可以起到砂轮砂带磨损自动补偿作用，适用于各种复杂曲面的打磨。同时igm打磨机器人可以选配不同规格的打磨工具和校准参考工具。用户程序编程方面，自动打磨机器人使用igm成熟的离线编程方式，在离线软件中模拟出最合理的机器人运行路径、打磨路径和打磨量，同时也避免了现场示教编程的设备和人员的安全隐患。

2.3 组对机器人的应用

在轨道交通车辆产品的制造过程中，有的组对工艺过程也可以利用机器人来替代人工操作，实现自动化的组对安装，如构架焊接组对机器人，可实现转向架构架侧梁内腔等结构的自动组装，如图3所示。

组对机器人的应用

由于不同车型的横梁构造不一，组对机器人可通过提前设定的不同程序来适应多种类型的横梁结构。通过机器人灵活的搬运、拼点，借助工装结构件更高效地完成组对，可节省人工成本，成功解决了生产线系统中的瓶颈难题。

2.4 喷涂机器人的应用

喷涂机器人基本由智能控制系统、智能视觉系统、防爆喷涂机器人三部分组成，可以通过自动离线编程软件，生成打磨、抛光程序，如图4所示。喷涂机器人能够实现工艺及过程控制的自动化、智能控制，完成车体、构架等自动喷涂，使喷涂过程更加智能、简单，可视化、再现性高，涂膜控制更加精准，颜色更加鲜艳。同样通过对机器人结构的静动态刚度、运动学动力学分析，建立设计仿真分析平台，也可以采用机器人进行恒力打磨，完成轨道交通车体机器人腻子打磨。

2.5 组装机器人的应用

在车辆组装过程中，机器人被广泛地应用于零部件自动化装配或压装、螺栓自动拧紧、内部物料转运等方面，主要是采用机械臂代替人工进行装配、自动选取扳手和套筒、打扭力、记录扭力数值，以及自动生成装配记录并上传云端保存等工作

3 以构架焊接为例的柔性生产线系统

3.1 柔性生产线系统概况

随着企业人力资源成本的不断增加，安全环保、职业健康的管理难度越来越大，在不断成熟的工业机器人技术支撑下，企业越来越意识到使用机器人代替人工是制造业发展的趋势。企业希望工业机器人可以覆盖整个生产流水线，越来越多的柔性生产线系统开始应运而生，借助5G、数字化、信息化将各个功能的机器人整合起来，使整个生产过程连续、灵活起来。图7是igm设计的FMS柔性生产线系统，图8是CLOOS设计的构架自动化生产线。

柔性自动化生产线可以实现多种型号的产品自动切换生产，主要构成包括：①生产线控制：用于生产线内信息沟通。②立体库：用于存放待焊件、焊后成品、夹具等。③组装线：用于组装侧梁。④焊接工作站：用于焊接侧梁内腔、侧梁外焊缝、横梁及构架等。⑤物流线：用于生产线内物流，生产线外的进料和出料。⑥手工线：产品修整、手工组装等。⑦检测设备：用于产品检测。

3.2 柔性生产线系统功能实现

借助中央控制系统，整条生产线成为了一个统一、和谐的整体，如图9所示。柔性生产线系统主要可以实现以下功能：①承接上游信息系统传递的生产工单信息，将相应的作业指令分配到具体的作业设备，自动调度物料、自动加工。②获取工单传递的物料信息，并与检测的物料进行比对。③设备具有二维码扫描功能，可以扫描工件上的二维码。④能接收上游信息系统下达的质检要求，并反馈质检信息。⑤可以解析工单中传递的工艺参数、工艺要求、焊接参数等，形成设备的控制指令，驱动设备完成制作执行及工艺防纠错的过程。⑥能将机器人作业的实际参数及时采集上传信息系统，所有设备的生产日志数据自动存储并自动传送到上游系统服务器中。⑦设备可以根据信息系统传递的产品信息、工艺要求做到柔性切换。⑧可以承接上游系统传递的焊接程序，并驱动焊接生产过程的执行。

图9 柔性生产线系统的全面生产过程管理

4 中车部分子公司的构架焊接自动化生产线

转向架构架生产主要以焊接为主，焊接质量的稳定是决定构架产品质量的关键。利用先进的数字化智能制造技术，实现产品制造全过程的追溯，并且利用信息化物联网技术，实现过程数据自动检测记录，取消纸质记录；利用机器替代人，减少作业人员投入，关键主要焊缝实现工业机器人自动化焊接，减少人为因素的影响，降低质量风险，提高产品质量的稳定性；同时实现节拍化生产，提高生产效率。中车四方、中车株机、中车唐山、中车浦镇等公司均开展了构架焊接智能化生产线建设工作，见表1。

虽然工业机器人被各企业普遍应用，但是仍然存在以下一些问题：①梁体内部、外部局部等可达性不好，焊接机器人不能完全覆盖。②自动化装配稳定性有待验证，小部件装配、构架等结构受限。③磁粉检测可以自动磁化及喷洒磁悬液，判定则需要人工完成。④自动化打磨技术不太成熟，效果不理想，只适合粗磨。⑤自动尺寸检测技术还需要进一步验证。

5 工业机器人在轨道交通制造中的发展趋势

5.1 工业机器人与数字工厂

当前全球制造业与信息科技深度融合，数字工厂技术作为数字孪生分支领域，是全球先进智能制造研究热点，并广泛应用于航空航天、造船、汽车等重点工业领域[5]。数字工厂技术与制造装备有机结合，正引领着第四次信息工业革命。伴随工业信息化与机器人化，工业机器人势必成为数字工厂的重要角色，通过数字孪生技术集成智能传感技术、联合仿真技术、数据分析技术以及智能控制技术等，可以有效地融合、集成和同步虚拟产品与物理产品，并支持它们之间巨大的数据互动[6]，实现轨道交通制造全流程数字化开发。同时，维护生产管理，持续不断地提升产品品质、生产工艺及管理水平。达到这样的智慧化程度，不仅需要大幅提升机器人集成技术，更需要企业精益生产管理能力与机器人集成技术的紧密融合[7]。

5.2 工业机器人与智能制造

现在智能制造是当前世界制造业的共同发展趋势， 中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司高速动车组齿轮传动系统智能装配车间、中车株机轨道交通转向架智能制造车间等都是轨道交通行业在智能制造方面进行探索而结出的硕果[8]。虽然相比汽车部件的定型制造，轨道交通装备属于客户个性定制产品，智能制造实现的难度更大，但是伴随工业机器人标准化、精益化、智能化的发展，必然会促进轨道交通装备智能制造的进一步发展。如以转向架为例的智能制造，工业机器人的应用应该立足于全制造流程的每个方面（见图10），助力于智能制造的每一个阶段。

图10 以转向架为例的智能制造设计思路

5.3 工业机器人与精益制造

中国中车在深入推进生产线转型升级的过程中，不是为了数字化而数字化，而是依托精益制造理念，打造符合企业实际情况的精益制造生产线，并根据生产线上的需要精益地使用工业机器人。

总体来看，未来以下4种情况的工业机器人应用会比较广泛。

1）人工不适合作业的动作：如打砂、油漆、防腐、高空作业及有毒有害气体泄漏检测等，对操作者的健康伤害比较大，作业员工也难招聘、难培养。

2）人工作业不经济的动作：如焊接、无损检测等，招聘并培训员工的成本比较高，且存在职业健康风险。

3）对人的技能要求比较高的动作：如长大焊缝的焊接、高精度的尺寸检测、高空维护作业等，机器人作业更加稳定、可靠，还可以实现作业记录自动生成并上传云端。

4）简单重复的动作：如记录填写、打磨、简单的目测等，机器人可以快速地达到工作成效。