雙絲氣保自動焊接設備改造及工藝

（云南建投鋼結構股份有限公司，云南昆明650000）

雙絲氣保自動焊接設備改造及工藝

孫 科，朱文偉，胡相偉，錢燕波

（云南建投鋼結構股份有限公司，云南昆明650000）

隨著鋼結構市場競爭的日趨激烈，如何增效降成本、提高市場競爭力成為行業(yè)各參與方重視的問題。焊接作為鋼結構加工和安裝過程中最主要的工藝，通過引入高效雙絲氣保焊接方法可有效提高焊接效率、降低焊接變形、降低加工成本。根據(jù)加工廠實際生產，自主改進研發(fā)了一套雙絲氣保自動焊接焊，并運用于實際工程，取得了良好的經濟效益。

雙絲氣保焊；中厚板箱型柱；自動焊接

0 前言

隨著焊接電源、焊接材料、保護氣體等的改進，氣保焊已經取代傳統(tǒng)焊條電弧焊成為鋼結構行業(yè)中最常用的焊接方法。傳統(tǒng)單絲焊的熔敷效率和焊接速度已經接近這項工藝所能達到的極限，進一步提高焊接速度會產生咬邊、成型不良、氣孔等缺陷。鋼結構制造企業(yè)要進一步提高生產效率、降低生產成本，需要考慮優(yōu)質、高效、節(jié)能的焊接技術。目前高效化焊接技術中，雙絲熔化極氣體保護焊是應用最多、最成熟的焊接方法[1]。

1 雙絲氣保焊分類

我國在1955年開始研究雙絲氣保焊，但受限于當時焊接電源穩(wěn)定性、電磁干擾等問題，并沒有得到較好的推廣。隨著數(shù)字逆變焊機的發(fā)展，該項技術取得了很好的應用效果，如法國SAF公司、德國CLOOS、奧地利Fronious公司、美國Lincoln公司均已研制出雙絲MIG/MAG焊機并成功推向市場[2]。

雙絲焊接工藝是通過增加熔敷效率來提高生產率[3]。熔化極氣體保護焊分為兩種類型：一種是每根焊絲擁有各自的焊接電源、送絲機構和調節(jié)機構；另一種是所有焊絲共用一個焊接電源，從一個導電嘴向外輸送。雙絲焊機的焊接系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 雙絲焊機的焊接系統(tǒng)示意

根據(jù)熔池形成機理可分為雙絲共熔池焊接和雙絲異熔池焊接。

（1）雙絲共熔池焊接。采用該方式焊接時，由于導電嘴和焊絲間距近，在焊接過程中兩個焊炬由于電磁場原因造成互相干擾，因此必須對焊接電源進行協(xié)同控制。雙絲焊時兩根焊絲以一定角度前后排列，前絲焊接電流較大，有利于形成較大的熔深，后絲電流略小，起填充蓋面作用；兩根焊絲互為加熱，充分利用電弧的能量，實現(xiàn)較大的熔敷率，使熔池中有充足的熔融金屬與母材充分熔合，因此焊縫成形美觀；一前一后兩個電弧，大大加長了熔池尺寸，熔池中的氣體有充足的時間析出，氣孔傾向極低。這種焊接方法雖然電流大，但焊接速度很快，最快可達6 m/min，因此熱輸入量反而小，焊接變形也很小。與其他焊接技術相比，具有熔敷速度快、焊接效率高、焊接質量好、飛濺少等優(yōu)點。典型雙絲氣保焊槍頭如圖2所示。

圖2 雙絲共熔池氣保焊槍頭設計及內部結構

（2）雙絲異熔池焊接。采用此方式施焊，對焊接設備和送絲設備要求較低，前后槍間距調節(jié)自由度較大。雖然此方式僅為表象上的雙絲焊接，但易于實現(xiàn)，焊接電源無需大改動，僅需在現(xiàn)有設備上開發(fā)工裝即可完成，且能提高焊接效率。

此外，根據(jù)焊絲的排列方式可分為縱列雙絲和并列雙絲[4]。在鋼結構行業(yè)中，中鐵山橋、寶橋、上海機施公司等也在探索開發(fā)相應的雙槍雙絲焊接，并應用于橋梁、高層鋼結構等工程，取得了較好效果[5]。綜合考慮公司實際情況及投入實際生產的可行性，在現(xiàn)有焊機基礎上進行改造，最終選擇縱列雙絲異熔池的焊接方式進行研究。

2 雙絲氣保自動焊接設備改造的目的和原理

2.1 雙絲氣保自動焊接設備改造的目的

在中厚板的焊接中，采用埋弧焊進行焊接打底、填充時，隨著板厚的增加，特別在多層多道焊過程中的藥皮脫渣難制約了埋弧焊的使用；采用人工焊接時，焊接生產率低下，對焊接操作者技術要求高。為降低對焊接操作者的技術要求、提高焊接生產質量與效率、降低勞動強度，工廠對現(xiàn)有焊接設備進行改造，研發(fā)出雙絲氣保自動焊接設備。

2.2 設備改造原理及示意

改進的設備主要由F20型的埋弧焊小車及相關配件組成，設計原理如圖3所示。主要部件有：直柄氣保焊槍、焊槍加持器、阻尼盤軸、氣保焊送絲電機、控制小車正反電器、導向輪、速度調節(jié)器等。

雙絲氣保自動焊接共有4個自由度控制。在F20型小車上面安裝1個速度調節(jié)控制器，使小車的行走速度與所需焊接速度相匹配。在圖3中，焊槍縱列調節(jié)器能夠自由調節(jié)兩焊槍之間的間距；焊槍上下調節(jié)器能夠自由調節(jié)焊槍上下距離；焊槍角度調節(jié)器能夠自由調節(jié)焊槍所需角度。在焊接過程中，為防止焊縫跑偏或是飛濺粘接在小車行走輪上影響焊縫質量，又自行設計了焊縫糾偏導向輪及飛濺攔擋片，如圖4所示。

圖3 雙絲氣保自動焊接改造示意

圖4 導向輪及飛濺攔擋片

2.3 雙絲氣保自動焊接的特點

（1）雙絲氣保自動焊接的優(yōu)點。

①焊接生產效率高，焊接質量得到保證。

②適用于12 mm以上板厚的H型鋼、箱型柱主焊縫的打底、填充、蓋面為一體的焊接。

③使用焊機與常規(guī)的手工氣保焊焊機一致，與常規(guī)的手工氣保焊機易于切換。

④降低了對焊接操作者的技術要求和焊接操作者的勞動強度。

（2）雙絲氣保自動焊接的缺點。

①適用范圍受限，無法實現(xiàn)全位置焊接。

②焊縫焊接過程中，缺乏擺動、糾偏與跟蹤功能，如電弧跟蹤或激光跟蹤等。

③若采用墊板焊工藝，需保證墊板厚度大于等于6 mm。

3 雙絲氣保自動焊接焊接工藝

鑒于箱型柱制作量較大，為了提高箱型柱的打底效率和質量，多次進行20 mm、Q345qD、角接接頭的焊接實驗，并取得成功。

3.1 實驗母材

實驗采用Q345qD低合金高強鋼（GB/T714-2008），供貨狀態(tài)為控軋，化學成分如表1所示。試件尺寸為-20mm×200mm×800mm×2mm；墊板尺寸為-4mm×30 mm×1 200 mm×1 mm。

表1 板材的化學成分%

3.2 實驗設備

焊機為唐山松下CO2氣體保護焊機YD-500KRⅡ，2臺。其他工具包括：紅外線測溫儀、鉗形電流表、鋼卷尺、焊接檢驗尺等。

3.3 焊接坡口形式及焊接材料

焊接坡口形式為單邊V型，加墊板，如圖5所示。采用大西洋THQ-50C（ER50-6）實心焊絲，直徑φ1.2mm；保護氣為純度大于等于99.5%的CO2。

3.4 雙絲氣保自動焊接焊接工藝參數(shù)

3.4.1 焊接注意事項

（1）為減少電磁干擾、影響電弧的穩(wěn)定性，保證前后槍間距大于300 mm。

（2）墊板厚度為4 mm，采用雙絲氣保焊焊打底容易燒穿，必須先用人工進行一道打底。

（3）焊絲干伸長要求：前槍焊絲干伸長控制在15～18mm，后槍焊絲干伸長比前槍干伸長短4～6mm。

（4）焊槍角度要求：前槍向翼緣板偏 10°～15°；后槍向翼緣板偏 15°～20°。

（5）蓋面時，為保證焊縫外觀成形及焊縫成形系數(shù)為1.3～2.0，前后絲在并列方向上錯開3～4mm。

圖5 20 mm試板坡口示意

（6）焊接過程中注意觀察焊接熔池的形態(tài)、焊縫熔合情況，對焊槍及焊接參數(shù)進行微調。

（7）注意及時清理焊槍，防止因飛濺堵塞焊槍而造成焊縫返修。

（8）層間溫度控制在200℃～230℃。

3.4.2 雙絲氣保自動焊接焊層焊道及焊接參數(shù)

焊層焊道示意如圖6所示。雙絲氣保自動焊接工藝參數(shù)如表2所示。

3.5 單絲氣保焊與雙絲氣保自動焊接試件檢測結果對比

3.5.1 單絲氣保焊焊層焊道圖及焊接工藝參數(shù)

單絲氣保焊焊層焊道見圖7，焊接參數(shù)見表3。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖6 雙絲氣保自動焊接焊層焊道示意

表3 焊接工藝參數(shù)

圖7 單絲氣保焊焊層焊道示意

3.5.2 單絲氣保焊與雙絲氣保自動焊接試件硬度值對比

維氏硬度硬度值對比如表4所示。由表4可知：

（1）熱影響區(qū)處硬度值。雙絲氣保自動焊接焊接試件最大硬度為279.9 HV；單絲氣保焊焊接試件最大硬度為260.9HV；且二者各點硬度值相差不大。

表4 兩種焊接方式維氏硬度值對比

（2）焊縫處硬度值。雙絲氣保自動焊接焊接試件最大硬度為215.3HV；單絲氣保焊最大硬度為219.6HV；且各點硬度值差距不大。

綜上所述，當焊接接頭硬度值小于等于380 HV時，判為合格，否則判為不合格[6]。因此，雙絲氣保自動焊接焊接接頭硬度值合格。

3.5.3 單絲氣保焊與雙絲氣保自動焊接試件力學性能對比

拉伸實驗結果對比[7]如表5所示，夏比V型沖擊實驗結果如表6所示。

表5 拉伸實驗結果

表6 沖擊實驗結果

4 工程實際應用情況

4.1 參建工程簡介

雙絲氣保自動焊接已經在車間正常投入使用，先后參與了保稅區(qū)商務中心、長水機場公務樓、小哨農職院、石屏體育館等箱型柱的焊接。其中長水機場公務樓、石屏體育館的箱型柱子是填充、蓋面一體焊接。

4.2 雙絲氣保自動焊接的實際應用情況

雙絲氣保自動焊接在車間焊接箱型柱，如圖8所示；焊縫填充及蓋面效果圖如圖9所示。

4.3 經濟效益

箱型柱的4條主焊縫中包括全熔透焊縫和非全熔透焊縫，下面以板厚25 mm、長8 m的箱型柱作為分析對象，其中要求全熔透焊縫為2.0 m，上班時間為8 h/天。

4.3.1 每根柱子主焊縫焊接的人工成本（C）

圖8 雙絲氣保自動焊接焊接在車間焊接

箱型柱制作常規(guī)工藝為：氣保焊打底、填充+埋弧焊蓋面。常規(guī)焊接工藝與雙絲氣保自動焊接工藝的單價對比如表7所示。

（1）常規(guī)工藝焊接主焊縫的人工成本（C1）

圖9 雙絲氣保自動焊接焊接填充、蓋面焊縫效果

表7 常規(guī)焊接與雙絲氣保焊工藝單價對比 元/m

C1=[2 m/條×8 元/m+6 m/條×2 元/m+8 m/條×3 元/m]×4 條/根=208 元/根

（2）雙絲氣保自動焊接主焊縫的人工成本（C2）

C2=[2 m/條×7 元/m+6 m/條×2 元/m+8 m/條×2 元/m]×4 條/根=168 元/根

4.3.2 人均產量（Q）

采用常規(guī)工藝焊接時每人每天能夠完成2根8 m長的箱型柱主焊縫的打底、填充任務，但無法進行蓋面。采用雙絲氣保自動焊接工藝，每人每天可以完成3根8 m長的箱型柱主焊縫的打底、填充、蓋面工作。若每根柱子1m全熔透焊縫按2.5m非全熔透焊縫計算，蓋面則按1：1的比例計算，則兩種焊接工藝的人均產量如下：

（1）工藝采用常規(guī)工藝焊接的人均產量（Q1）

Q1={[（8-2）×4]m/根+2m/條×4條/根×2.5m/根）}×2根=88 m/天

（2）雙絲氣保自動焊接工藝的人均產量（Q2）

Q2={[（8-2）×4]m/根+2 m/條×4條/根×2.5 m/根+8×4 m/根）}×3 根=228 m/天

4.4 兩種焊接工藝的對比

（1）人工成本對比。

[（168-208）÷208]×100%=-19.23%

雙絲氣保自動焊接工藝焊接每根柱子的人工成本比常規(guī)工藝焊接人工成本節(jié)省19.23%。

（2）人均效率對比。

[（228-88）÷88]×100%=159%

雙絲氣保自動焊接的人均效率比常規(guī)工藝人均效率提高159%。

另外，雙絲氣保自動焊接質量可達98%以上，相比人工焊接質量97%提高了1%，減少了焊接返修量，更好地保證了焊縫質量。

5 結論

（1）雙絲氣保自動焊接能夠很好地保證焊縫質量，且焊接一次合格率可達98%以上。

（2）雙絲氣保自動焊接生產效率高，有效降低了焊接人工成本，與常規(guī)的手工氣保焊相比，生產效率提高了159%，焊接人工成本降低了約20%。

（3）雙絲氣保自動焊接設備的改造成功加快了車間自動化的進程。

縱列雙絲異熔池的焊接方式對電源改動較少，在對工裝夾具重新設計改造并輔以焊接工藝實驗后便可穩(wěn)定高效地應用于實際生產，有效降低對人工技能水平的要求，同時減輕勞動強度。通過前期近半年的應用取得了良好的經濟效益，同時也為下一步推廣奠定基礎。在鋼結構工廠實際加工和安裝過程中還將推廣應用雙絲共熔池氣保焊接方法，通過深入研究和規(guī)范使用電源和工裝夾具，增加焊縫自動跟蹤裝置、過程參數(shù)實時監(jiān)控裝置，輔以焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。雙絲氣保自動焊接會得到更大規(guī)模的推廣，為工廠進一步提產增效提供助力。

[1]王其隆.弧焊過程質量實時傳感與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]張紅兵，黃石生，周漪清，等.雙電弧共熔池氣保焊接技術特點與發(fā)展現(xiàn)狀[J].電焊機，2004，34（11）：25-27.

[3]范鵬.雙絲間接電弧高效氣體保護焊發(fā)展現(xiàn)狀[J].工業(yè)，2017（1）：00305-00305.

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[5]陳曉明，孟凡全，盛林峰，等.雙槍焊接機器人技術研究與應用[J].建筑施工，2015，37（3）：290-292.

[6]GB 50661-2011，鋼結構焊接規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7]JGT/T_F50-2011，公路橋涵施工技術規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

Reformation and technology of double wire gas shielded automatic welding equipment

SUN Ke，ZHU Wenwei，HU Xiangwei，QIAN Yanbo
（Yunnan Construction Investment Steel Structure Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

With the steel market competition is becoming increasingly fierce，how to increase efficiency and reduce cost to improve market competitiveness has become a major concern of all participants in the industry.Welding as the main process of steel structure processing and installation process，through the introduction of efficient double wire gas welding method can effectively improve the welding efficiency，reduce welding deformation，reduce processing costs.According to the actual production of the processing plant，a set of double wire gas welding equipment has been independently developed and applied to actual projects，and good economic results have been achieved.

double wire gas shielded welding；medium thickness plate box column；automatic welding

TG444+.72

B

1001-2303（2017）09-0028-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.06

本文參考文獻引用格式：孫科，朱文偉，胡相偉，等.雙絲氣保自動焊接設備改造及工藝[J].電焊機，2017，47（09）：28-33.

2017-08-03

孫 科（1986—），男，工程師，碩士，主要從事金屬材料焊接技術方面的工作。E-mail：340452915@qq.com。