船舶管路用三通接頭機器人MAG焊接工藝設計

朱征宇,謝 榮,梁 艷

(江蘇海事職業(yè)技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

船舶管路用三通接頭機器人MAG焊接工藝設計

朱征宇,謝 榮,梁 艷

(江蘇海事職業(yè)技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

為了提高船舶管路用三通接頭的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對機器人在船舶管路用三通接頭中的MAG焊接工藝設計進行了系統(tǒng)研究。最終得到如下結果：焊縫成型質(zhì)量較好，焊縫表面比較平整，焊縫連續(xù)性好，焊接飛濺也較小。此外，加入外部軸聯(lián)動后，不僅熔深和熔寬一致性好，且余高減小,應力集中減弱，焊縫成型也較好。電弧電壓要合適，弧壓偏高時容易造成焊縫局部咬邊現(xiàn)象。研究結果充分說明如下結論：利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接，整體焊接質(zhì)量高，焊縫成型好；焊接速度相較手工電弧焊提高2～3倍；焊接時如果加入外部軸聯(lián)動，焊接效果更好。

船舶管路；三通接頭；機器人;氣體保護焊

0 引言

三通接頭又稱三通管件，是目前船舶管路中常用的一種管接頭。以往船舶管路用三通接頭多采用手工電弧焊進行焊接，效率低、焊縫質(zhì)量不夠好，因此，研究提高三通接頭的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要意義。船用管-法蘭機器人MAG(Metal active gas, 熔化極活性氣體保護焊)焊接工藝得到的焊接質(zhì)量和焊接效率都比較高，這為研究利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接提供了堅實的基礎。本文針對實際生產(chǎn)當中的船舶管路用的三通接頭進行了焊接工藝設計研究，為提高其焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及降低工人的勞動強度提供了可能。

1 MAG焊接工藝設計

1.1 主要試驗設備及功能

本次MAG焊接工藝試驗采用的焊接機器人為KR5 arc HW型焊接機器人系統(tǒng)。KR5 arc HW焊接機器人是KUKA焊接機器人中的1種小型機器人。它由機器人本體、控制柜、示教器和外部軸組成。外部軸的作用是帶動工件作回轉臺運動的，以實現(xiàn)焊件的變位和移動。KR5 arcHW焊接機器人系統(tǒng)結構如圖1所示。焊接電源為1臺Pulse MIG/MAG-350數(shù)字化直流弧焊逆變器，其最大額定焊接電流為350 A，采用脈沖焊接電流，波形穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量高。另外，該電源可以實現(xiàn)焊絲選擇功能，帶有一元化調(diào)節(jié)功能，也可以單獨對焊接電壓進行調(diào)整。

圖1 KR5 arc HW焊接機器人系統(tǒng)組成

1.2 試驗母材及焊接材料

1.2.1 母材

試驗所采用的母材為Q235B低碳鋼管，其化學成分見表1。由于Q235B低碳鋼管具有塑形良好、沖擊韌性高、焊接性優(yōu)良的特點，一般不需要采用焊前預熱和后熱的措施。

表1 Q235B化學成分

1.2.2 焊材

試驗所采用的焊材為與Q235B相匹配的ER49-1(H08Mn2SiA)。其化學成分見表2。

表2 ER49-1(H08Mn2SiA)化學成分

1.2.3 氣體

由于采用MAG焊接，保護氣體采用混合活性氣體，其比例為20%CO2(二氧化碳)加上80%Ar(氬氣)。氬氣具有惰性性質(zhì)，不與焊縫發(fā)生化學反應，故而焊縫純凈，產(chǎn)生氣孔等缺陷的可能小。加入少量CO2后可提高電弧的導熱性能，對提高焊接效率具有重要的作用。

1.3 裝焊順序方案設計

船舶管路用三通接頭的焊縫主要有兩類，一類是主管和支管相貫線的焊接，另一類是管子與法蘭的焊接(包括主管和兩頭法蘭的焊接以及支管與法蘭的焊接)。裝焊順序如下：先裝配焊接支管和法蘭，然后裝配焊接主管和支管的相貫線，最后裝配主管和兩頭法蘭。這種裝焊順序方法一是最大程度地減小焊接接頭的剛度，降低應力開裂的可能性，二是盡量降低焊接時構件對焊槍位置的阻礙現(xiàn)象。

1.4 主管和支管相貫線角焊工藝設計

1.4.1 工藝規(guī)范

主管和支管相貫線角焊試驗分為2組，一組是6 mm壁厚的管子相貫線角焊，另一組是12 mm壁厚的管子相貫線焊接，所采用的工藝規(guī)范分別見表3和表4。

表3 6 mm壁厚管相貫線角焊縫焊試驗規(guī)范

注明：打底焊的目的是盡量使得兩管相貫時間隙一致。

1.4.2 試驗過程

試驗過程分為試驗準備、試驗操作2個過程。

1.4.2.1 試驗準備

準備工作主要包含：打開機器人和焊機電源，檢查設備情況是否良好；打開MAG氣瓶以及對工件坡口30 mm范圍內(nèi)進行除塵和除銹過程，以保證管路焊接質(zhì)量。

1.4.2.2 試驗操作

每次在焊接之前先關閉起弧信號，通過示教器對焊接路徑進行示教。示教結束后再打開起弧信號進行焊接。整個焊接過程均在自動模式下操作。

表4 12 mm壁厚管相貫線角焊縫焊試驗規(guī)范

注明：打底焊的目的是盡量使得兩管相貫時間隙一致。

1.5 圓管和法蘭的角焊工藝設計

1.5.1 工藝規(guī)范設計

圓管和法蘭的角焊試驗分為2組，一組是6 mm厚壁管和22 mm厚板法蘭的角焊，另一組是12 mm厚壁管和15 mm厚法蘭的角焊。其工藝規(guī)范分別見表5和表6。

表5 6 mm厚壁管和22 mm厚板法蘭的角焊工藝規(guī)范

表6 12 mm厚壁管和15 mm厚板法蘭的角焊工藝規(guī)范

1.5.2 試驗過程

焊接工藝試驗過程與主管和支管相貫線角焊的過程一樣。

2 試驗結果及分析

2.1 主管和支管相貫線角焊工藝結果及分析

從厚管焊縫圖片中觀察到，6 mm壁厚管子相貫線的焊縫成型質(zhì)量較好，焊縫表面比較平整，焊縫連續(xù)性好，焊接飛濺也較小，但是存在局部地區(qū)焊縫寬度稍微不一致的現(xiàn)象。這個可能是因為在手工打底焊時，間隙稍有大小不一樣的地方。解決的方法為在打底焊時留取的間隙盡量一致。

12 mm壁厚管子相貫線的焊縫成型質(zhì)量均較好，但在不加外部軸聯(lián)動焊接時采用單軸聯(lián)動的方式，使得焊縫成型余高較高，熔寬較窄，焊縫不夠鋪展。在加入外部軸聯(lián)動后，焊槍位置保持不變，工件轉動，始終將焊縫擺成船型位置，這樣不僅熔深和熔寬一致性好，且余高減小,應力集中減弱，焊縫成型也較好。

2.2 圓管和法蘭的角焊工藝結果及分析

從6 mm厚壁管和22 mm厚板法蘭的角焊焊縫圖片可以看出，焊縫成型良好，無飛濺現(xiàn)象。12 mm厚壁管和15 mm厚板法蘭的角焊第1條焊縫成型良好，但是第2條焊縫中在左側位置有咬邊現(xiàn)象存在，這是由于弧壓偏高導致的結果。

3 結論

本文通過對機器人在船舶管路用三通接頭中的MAG焊接工藝進行了設計，得出如下結論。

(1)利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接，整體焊接質(zhì)量高，焊縫成型較好。

(2)利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接，焊接速度相較手工電弧焊提高2～3倍。

(3)焊接時如果加入外部軸聯(lián)動，焊接效果會更好。

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2016-09-18

朱征宇(1982—)，男，博士，講師，工程師，研究方向為焊接技術及自動化。

U671.8

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