Auto SK-MW全位置擺動式自動焊接小車試驗及應(yīng)用

周坤，程爽，黃思俊，譚明，徐慶俠

(1．中國船柴(大連)柴油機有限公司，遼寧 大連116113;2．大連造船廠工具實業(yè)公司，遼寧大連116113;3．北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司，北京100176;4．揚州誠德重工有限公司，江蘇 揚州225119)

0 前言

隨著產(chǎn)品的多元化發(fā)展，以及客戶對焊接質(zhì)量要求和焊接自動化水平的內(nèi)在需求，自動化焊接設(shè)備的應(yīng)用已成趨勢所需［1］。國外自動焊接小車針對性強，主要是專用立角焊小車和軌道式立焊小車。全位置自動焊接小車在十多年前從國外引進，目前已開始國產(chǎn)化制造，但主要以硬質(zhì)軌道為主。全位置自動焊接小車已在國內(nèi)造船行業(yè)使用，目前已有用于DH36級高強鋼的平對接接頭，但大部分還只用于造船分段中大平直角焊縫薄板的焊接，其焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，既能擺動焊接還可全位置焊接，不僅提高焊接效率，同時降低焊工勞動強度［2］。通過Auto SK-MW全位置擺動式自動焊接小車在船用柴油機大厚度T形對接接頭擺動式立焊試驗和應(yīng)用，研究其工藝及難點，為提升公司產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和效率以及降低制造成本提供了工藝基礎(chǔ)，并為其它產(chǎn)品制造中的應(yīng)用提供經(jīng)驗。

1 全位置焊接小車特點

圖1 Auto SK-MW全位置擺動式自動焊接小車

Auto SK-MW全位置擺動式自動焊接小車如圖1所示，可廣泛應(yīng)用于平對接、T形對接、角焊縫，同時配置柔性軌道可實現(xiàn)曲面對接、曲面角接焊縫。焊槍夾持機構(gòu)可沿平行于焊接方向和垂直于焊接方向偏轉(zhuǎn)一定角度，既可實現(xiàn)立焊時焊槍仰角控制，也可實現(xiàn)擺動式焊接。焊接擺動器的無間隙傳動可保證焊槍擺動的精確度［3－4］。導(dǎo)軌采用柔性軌道，長度根據(jù)需要進行定制，配備ND磁性開關(guān)吸盤及插接口［5］，安裝拆卸方便，以滿足不同位置焊接需求。

2 焊接工藝試驗

2．1 試驗材料

在擺動式全位置焊接小車正式應(yīng)用于生產(chǎn)前，進行了工藝試驗。接頭采用生產(chǎn)中涉及最多的開有K形坡口的T形對接接頭，如圖2所示。板材采用Q235鋼，厚度均為30 mm，化學(xué)成分見表1。采用CO2氣體保護焊，使用Φ1．4 mm藥芯焊絲，焊接試驗工藝參數(shù)見表2。

圖2 焊接試驗接頭形式

表1 Q235鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 焊接試驗工藝參數(shù)

2．2 焊接試驗方案及結(jié)果分析

焊接試驗共有3個方案，方案1為初始試驗，方案2和方案3是在方案1的結(jié)果基礎(chǔ)上進行不同參數(shù)匹配對比試驗。焊接試驗方案1的工藝參數(shù)見表3(擺動模式3指鋸齒形擺動)，焊道成形如圖3所示。從圖3a可以看出，每個焊道擺動形成的瓣狀之間有明顯的過渡凹槽。同時從圖3b可見，各焊道之間過渡凸起也較大，焊道之間熔合性較差。焊后超聲波無損檢測發(fā)現(xiàn)焊道之間有大量未熔合缺陷，因此該試驗工藝參數(shù)焊接質(zhì)量差。試驗方案2和方案3焊縫外觀成形如圖4所示。

通過現(xiàn)場分析并結(jié)合純手工半自動焊接試驗結(jié)果，排除了左、右停止時間(即擺動到左、右端點處的停留時間)及擺動寬度、電流、電壓的影響，因此針對行走速度和擺動速度兩參數(shù)制定了不同匹配下的焊接試驗方案見表4。

表3 試驗方案1的工藝參數(shù)

圖3 試驗方案1的焊縫形貌

圖4 試驗方案2和試驗方案3的焊縫形貌

表4 試驗方案2和試驗方案3的工藝參數(shù)

對比圖4可以看出，大行走速度匹配小擺動速度時，焊道擺動形成的瓣狀交替均勻規(guī)則，但凸凹較大;小行走速度匹配大擺動速度時，焊道擺動形成的瓣狀同樣交替均勻規(guī)則，但凸凹幾乎沒有，整個焊道致密美觀，超聲波無損檢測沒有未熔合等缺陷，唯一不足是有明顯的間斷鼓肚流掛趨勢。該試驗方案對比證明了相對小的行走速度匹配相對大的擺動速度可獲得明顯的致密美觀焊縫，為后續(xù)進一步優(yōu)化并確定最終焊接應(yīng)用工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

3 試驗結(jié)果與分析

3．1 焊接生產(chǎn)工藝

結(jié)合焊接方案2和方案3的結(jié)果，通過進一步工藝參數(shù)優(yōu)化和裝置設(shè)計優(yōu)化來實現(xiàn)小車的焊接生產(chǎn)。焊接應(yīng)用工藝參數(shù)見表5，焊縫外觀成形如圖5所示。由圖5可以看出，焊道擺動形成的瓣狀交替均勻規(guī)則，無凸凹現(xiàn)象，焊道與母材間過渡良好，整個焊道致密美觀，表面沒有立焊形成的鼓肚流掛現(xiàn)象。超聲波無損檢測沒有未熔合等缺陷，檢測結(jié)果符合要求。

表5 焊接應(yīng)用工藝參數(shù)

圖5 焊縫形貌

3．2 力學(xué)試驗結(jié)果

根據(jù)DNV GL船級社標準進行力學(xué)性能試驗，其中規(guī)定沖擊吸收能量最低值為27 J。試驗結(jié)果滿足要求，試驗數(shù)據(jù)見表6～7。

表6 拉伸和彎曲試驗結(jié)果

表7 沖擊試驗結(jié)果(0℃) J

4 工裝設(shè)計優(yōu)化

4．1 焊帶夾持裝置設(shè)計

小車在立焊位置爬高過程中，隨著小車位置的提升，焊帶懸空的長度和重量不斷增加，導(dǎo)致焊槍夾持裝置承受重量超載，使得焊槍擺動穩(wěn)定性變差，焊道成形不良，如圖6～7所示。針對此問題，通過設(shè)計支桿，將焊帶重量轉(zhuǎn)移至支桿，同時合理設(shè)計支桿位置及焊帶彎曲方式以保證出絲順暢。

圖6 高位擺動式立焊焊縫外觀

圖7 焊帶夾持裝置設(shè)計

4．2 導(dǎo)軌改造

當小車導(dǎo)軌吸附在腹板上對T形對接接頭進行橫焊時，小車主體雖采用鋁合金結(jié)構(gòu)，但整體自重較大且懸空，導(dǎo)致兩吸盤之間的導(dǎo)軌剛度不足，使焊縫整體呈“S”形，如圖8所示。針對此問題，合理優(yōu)化吸盤間距并定制導(dǎo)軌，同時合理設(shè)計導(dǎo)軌兩端下吸盤至導(dǎo)軌端部距離，確保兩導(dǎo)軌接頭處剛度。

圖8 “S”形焊縫外觀

5 結(jié)論

(1)通過全位置擺動式自動焊接小車焊接試驗，立焊時采用小的行走速度(17～18 mm/min)匹配大的擺動速度(36～38 r/min)，焊道擺動形成的瓣狀交替均勻規(guī)則，整個焊道致密美觀，幾乎沒有凸凹，超聲波無損檢測沒有未熔合等缺陷，唯一不足是有明顯的間斷鼓肚流掛趨勢。

(2)通過進一步優(yōu)化確定了小車實際焊接應(yīng)用的工藝參數(shù)匹配，填充焊道行走速度24～26 mm/min匹配合適的擺動速度、蓋面焊道行走速度20～22 mm/min匹配合適的擺動速度，焊縫外觀成形、力學(xué)性能及無損檢測結(jié)果均滿足要求。

(3)通過設(shè)計焊帶夾持裝置及優(yōu)化導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計，保證了焊縫外觀質(zhì)量。