不等間隙碳鋼厚板機(jī)器人埋弧焊焊接工藝研究

■ 周軍，黃建鵬，賈小磊，陳永剛

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目前港口機(jī)械平衡梁構(gòu)件作為岸橋起重機(jī)的組成配套件，是重要的承重構(gòu)件。隨著市場需求逐漸增多，公司每年生產(chǎn)不同大小平衡梁數(shù)量也在逐漸提高。現(xiàn)有的平衡梁拼板焊接工序主要是FCAW打底→正面埋弧焊→反面碳弧氣刨清根→反面埋弧焊。仍然依賴傳統(tǒng)的焊接，且背面碳弧氣刨清根不僅增加了焊接生產(chǎn)周期和焊材成本，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生粉塵煙霧、噪聲弧光等污染，惡化工人的勞動(dòng)環(huán)境。另外，由于碳弧的熱輸入較大，易造成構(gòu)件變形而影響焊接質(zhì)量。

埋弧焊焊接工藝具有生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量優(yōu)，且能夠降低裂紋傾向和改善接頭性能等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。由于機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展以及智能制造的提出，許多焊接技術(shù)與機(jī)器人進(jìn)行相結(jié)合，促進(jìn)了焊接技術(shù)的自動(dòng)化發(fā)展。機(jī)器人自動(dòng)化焊接技術(shù)的快速發(fā)展，加快了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，整體提高了工廠生產(chǎn)的效率。

鑒于現(xiàn)有的厚板平衡梁拼板構(gòu)件焊接工藝，本論文提出了機(jī)器人和埋弧焊相結(jié)合焊接工藝。此焊接工藝是弧焊和埋弧焊接相結(jié)合，均采用了機(jī)器人自動(dòng)焊接。目前，在厚板直板埋弧焊接，還未見到過采用機(jī)器人焊接。本論文針對公司的產(chǎn)品研究此種焊接方法，通過前期科研研究，將來可以為公司生產(chǎn)推廣機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，以此來推動(dòng)公司產(chǎn)品制造方法的轉(zhuǎn)型升級，進(jìn)一步提高公司的機(jī)器人自動(dòng)化使用率。

1. 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)采用的母材Q235，板厚為30mm，坡口形式為V形，角度為50°。試驗(yàn)焊絲直徑為1.2mm，實(shí)芯焊絲，牌號為伊薩OK AristoRod 12.50，焊絲化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。埋弧焊絲直徑為2.5mm，牌號為大西洋CHW－S3，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3和表4所示。焊劑牌號為大西洋CHF101，氣體采用Ar和CO2混合氣體。

表1 伊薩焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 伊薩焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

（2）試驗(yàn)過程 試驗(yàn)前將所需的母材，焊材和焊劑等準(zhǔn)備好，并將坡口兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污、氧化皮等清除干凈，并打磨至金屬光澤，然后將試板進(jìn)行定位點(diǎn)焊。采用反變形使工件成凸形，然后用卡瑪夾具將工件進(jìn)行夾緊，防止焊接過程中產(chǎn)生大變形。工件裝配間隙如圖1所示，工件間隙呈現(xiàn)不等間隙，最大為3mm，最小為0mm。

在進(jìn)行機(jī)器人埋弧焊焊接之前，需要將埋弧焊試劑進(jìn)行300～350℃烘焙，然后在200℃保溫2h。

焊接順序如圖2所示，總共9道。首先工件焊接路徑都是經(jīng)過機(jī)器人在線示教，然后通過機(jī)器人焊接程序自動(dòng)焊接。第1道采用機(jī)器人弧焊打底，第2~8道采用機(jī)器人埋弧焊填充蓋面；最后對工件進(jìn)行翻身并且固定好位置，進(jìn)行第9道機(jī)器人埋弧焊蓋面。通過這種焊接工藝方法可以不進(jìn)行清根處理，直接進(jìn)行埋弧焊填充蓋面焊接，可以提高整個(gè)焊接工藝效率。焊接參數(shù)如表5所示。

表3 大西洋焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 大西洋焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

圖1 工件裝配間隙

圖2 焊接順序

圖3 焊縫表面成形

圖4 焊縫橫截面

表5 焊接參數(shù)

2. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）宏觀組織第一道采用機(jī)器人弧焊進(jìn)行打底焊接，表面焊縫呈現(xiàn)魚鱗狀，側(cè)壁未出現(xiàn)未熔合狀態(tài)，表面均勻。第2~6道進(jìn)行機(jī)器人埋弧焊填充，表面均勻，側(cè)壁未出現(xiàn)未熔合狀態(tài)。第7～8道進(jìn)行機(jī)器人埋弧焊正面蓋面焊接，表面均勻，焊縫余高不到3mm。第九道進(jìn)行機(jī)器人埋弧焊反面蓋面，焊縫表面均勻，焊縫余高不到3mm，如圖3所示。

將試件進(jìn)行切割，通過觀察焊縫的橫截面，試件未出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)任何氣孔，焊縫呈現(xiàn)左右對稱，如圖4所示。

（2）微觀組織 在焊縫中截取適當(dāng)大小的試樣進(jìn)行打磨拋光，用?（HNO3）4%的酒精溶液腐蝕20s，用酒精擦拭，然后把試樣放在金相顯微鏡觀察焊縫的組織。從圖5可以看出，焊縫區(qū)域由于受到不同的熱影響產(chǎn)生不同的組織，可以分成如下區(qū)域：熔合區(qū)，熱影響區(qū)，正火區(qū)、母材區(qū)。熔合區(qū)的焊縫組織晶粒細(xì)小，且焊縫由較多的鐵素體和少量珠光體組成，焊縫組織存在樹枝晶垂直于熔合線向內(nèi)進(jìn)行生長，樹枝晶間都是細(xì)小枝晶填充 ，最后在焊縫中心凝固結(jié)晶。臨近熔合線處的熱影響區(qū)溫度較高，使得組織變得粗大；遠(yuǎn)離熔合線的熱影響區(qū)組織為正火區(qū)，組織均勻細(xì)小，比母材的組織要小，母材區(qū)的組織大小不一，不均勻。

（3）接頭力學(xué)性能 對焊接試板進(jìn)行了力學(xué)性能測試，常溫下拉伸力學(xué)性能結(jié)果如表6所示。焊縫的屈服強(qiáng)度平均值為425MPa，抗拉強(qiáng)度為544MPa，伸長率為10.6%，試樣均斷裂于母材。說明焊縫處的拉伸力學(xué)性能優(yōu)于母材，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。斷裂在母材處主要是因?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū)造成焊縫兩側(cè)母材性能下降。

試件V型缺口分別取于焊縫中心、熔合線+2mm和熔合線+5mm處等不同位置，進(jìn)行了-20℃沖擊力學(xué)性能測試，結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，首先，焊縫區(qū)域的沖擊吸收能量從焊縫區(qū)域中心線處向外逐漸降低，焊縫的中心處的沖擊吸收能量最大，平均為207J，其次是過渡區(qū)平均為128J，最低為熱影響區(qū)處平均為110J。可見在焊接熱影響區(qū)，由于焊接的熱循環(huán)作用，焊接熱影響區(qū)內(nèi)組織晶粒長大，使得此區(qū)域的沖擊吸收能量最低。

表6 焊縫的拉伸力學(xué)性能

表7 沖擊力學(xué)測試

3. 結(jié)語

（1）不等間隙的30mm厚V形坡口碳鋼利用單電雙絲機(jī)器人埋弧焊可以實(shí)現(xiàn)，可以減少背面清根操作，提高工件整體生產(chǎn)的效率，總共9道完成。

（2）機(jī)器人埋弧焊試板正反面成形良好，未出現(xiàn)任何缺陷，余高不到3mm。焊縫主要由熔合區(qū)、熱影響區(qū)、正火區(qū)和母材區(qū)等組成。焊縫中心的組織晶粒細(xì)小，熱影響區(qū)的組織粗大，母材區(qū)的組織大小不均。

（3）焊接接頭的的力學(xué)性能優(yōu)于母材，425MPa，抗拉強(qiáng)度為544MPa，伸長率為10.6%，試樣均斷裂于母材。焊縫熔合區(qū)的沖擊吸收能量最大，平均為207J，熱影響區(qū)的沖擊吸收能量最小，平均為110J。