U型鋼機(jī)器人快速M(fèi)AG焊接工藝研究

王子然 趙寶 李洪濤 李榮 王克南

摘要：采用機(jī)器人對(duì)U型鋼試件進(jìn)行快速 MAG 焊接工藝試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)立縫焊接過(guò)程電流、電壓、速度等工藝參數(shù)及擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)頻率、兩側(cè)壁停留時(shí)間等機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程及焊后結(jié)果的影響進(jìn)行分析，結(jié)合立角焊接過(guò)程熔池受力特性對(duì)焊接過(guò)程的影響，配合平角及立向彎角焊接，形成一套連貫有效的U型鋼快速M(fèi)AG焊接工藝并能用應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品。結(jié)果表明，在保證焊接穩(wěn)定性的前提下，焊接電流、電弧電壓適當(dāng)減小，焊接速度適當(dāng)增加，擺動(dòng)參數(shù)適當(dāng)減小，有利于焊后焊縫良好成形及效率提高;最終工藝應(yīng)用在產(chǎn)品上，降本增效，滿足生產(chǎn)質(zhì)效需求。

關(guān)鍵詞：U型鋼; 機(jī)器人; 立焊; 快速焊接; ?MAG焊

中圖分類號(hào)：TG 442

Abstract：Robot rapid MAG welding method was used to weld U shaped steel specimens. The influence of welding current?arc voltage?welding speed?oscillation amplitude and frequency?two side stay time on the welding process and results were studied. The optimized welding process?which can be applied to actual product?was obtained by analyzing the fluent behavior of welding pool during the vertical welding process. The results showed that the weld formation and efficiency can be improved by ensuring the welding stability?reducing the welding current and arc voltage?increasing the welding speed and reducing swing parameters. The optimized process parameters were used to weld the product to reduce the cost and increase the efficiency?which meet the demand of production quality and efficiency.

Key words：U shaped steel; robot; vertical welding; rapid welding; MAG welding

0?前言

某行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中U型鋼結(jié)構(gòu)由鋼板折彎而成，與底板、立板組焊在一起，再進(jìn)行整體焊接。以往該產(chǎn)品主要采用手工搭配半自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，效率低且工作量大，對(duì)焊工要求水平高。采用自動(dòng)化焊接的難點(diǎn)在于構(gòu)件的質(zhì)量和體積大，難以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，構(gòu)件上U型鋼特征結(jié)構(gòu)只能采用自下而上的焊接方式，存在立角焊。據(jù)此對(duì)自動(dòng)化焊接工藝提出要求，即需要一套能夠滿足質(zhì)量及效率要求的立角焊焊接工藝。

在造船、壓力容器、重型機(jī)械、汽車制造等行業(yè)，某些由中厚板板材、型鋼組成的大型結(jié)構(gòu)件，由于質(zhì)量和體積大，難以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)或成本過(guò)高，研究高效立焊焊接工藝具有十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)立角焊接提出了一些工藝方法，如VPPAW[1-3]、雙面同步TIG焊、激光立焊[4]、窄間隙立焊[5-6]、電渣焊和氣電立焊等，但是由于設(shè)備復(fù)雜，且各自有一定的材質(zhì)及壁厚適應(yīng)性，對(duì)于U型鋼這種具有空間復(fù)雜曲線且下槍空間狹小的結(jié)構(gòu)件有一定的局限性。MAG焊柔性度大，設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)于復(fù)雜工況適應(yīng)性強(qiáng)。目前機(jī)器人MAG焊多應(yīng)用于窄間隙或中厚板長(zhǎng)直焊縫立角或平角焊，對(duì)于復(fù)雜空間曲線的工況鮮有報(bào)道。據(jù)此，文中從向上立焊的過(guò)程特點(diǎn)出發(fā)，著重研究效率因素對(duì)焊接過(guò)程的影響。最終形成一套行之有效的U型鋼整體快速焊接工藝，滿足設(shè)計(jì)生產(chǎn)對(duì)效率、質(zhì)量及成本的要求。

1?試驗(yàn)材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

母材材質(zhì)為Q235鋼，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其中立板尺寸400 mm×380 mm×8 mm，底板尺寸380 mm×300 mm×8 mm。試驗(yàn)平臺(tái)組成框圖如圖2所示。U型鋼高度380 mm，兩側(cè)彎角半徑6 mm，兩底角跨度350 mm;焊絲為直徑為1.2 mm的H08Mn2SiA焊絲，母材及焊絲化學(xué)成分見表1。保護(hù)氣體為 80%Ar+20%CO2 混合氣體。

1.2?試驗(yàn)方法

將U型鋼試件固定于鑄鐵平臺(tái)上，焊接順序由U型鋼兩底端自下而上，如圖1所示?；A(chǔ)工藝參數(shù)見表2，各項(xiàng)參數(shù)范圍的選擇基于前期大量工藝試驗(yàn)。擺動(dòng)波形為三角形擺動(dòng)。焊接工藝試驗(yàn)中用機(jī)器人選用KUKA-KR16型機(jī)械手配備C2型控制柜，焊接電源采用FRONIUS-TPS5000型焊接電源，采用漢諾威電弧質(zhì)量分析儀對(duì)焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。根據(jù) ISO 6520-1—2007《焊接和相關(guān)工藝—金屬材料幾何缺陷的分類—第1部分：熔焊》，焊后焊縫余高≤2 mm，以避免應(yīng)力集中。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?焊接電流

在立向上焊接過(guò)程中，焊接電流的控制范圍相對(duì)較小。由于焊接過(guò)程熔池體積的尺寸敏感性，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，選取的參數(shù)見表3。由圖3可以看出，在焊接電流150～190 A、其它工藝參數(shù)一定時(shí)，焊縫的表面狀態(tài)都均勻、光亮，側(cè)壁紋路清晰。隨著焊接電流增加，焊接過(guò)程熔池金屬量增加，凝固過(guò)后焊縫余高增加，應(yīng)力集中趨勢(shì)加劇，同時(shí)也對(duì)側(cè)壁熔合造成不利影響，整體影響焊縫性能，如圖4所示。在一定程度上電流的增加有利于增加焊接過(guò)程穩(wěn)定性，增加焊接效率，但是焊接電流的過(guò)度增加不利于熔池體積控制，甚至造成焊接失效。據(jù)此焊接電流170 A焊后結(jié)果比較理想。

2.2?電弧電壓

在其它焊接參數(shù)一定的前提下，電弧電壓過(guò)低，焊縫表面狀態(tài)不穩(wěn)定，飛濺量加大。隨著電弧電壓增加，表面狀態(tài)及飛濺量改善，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，選取的焊接參數(shù)見表4。

其它工藝參數(shù)一定，電弧電壓在15～17 V之間時(shí)，焊接過(guò)程越來(lái)越穩(wěn)定，焊接飛濺量減少，表面狀態(tài)越來(lái)越穩(wěn)定，邊緣熔合性也有所改善。余高在0～0.1 mm之間趨于穩(wěn)定，如圖6所示，此時(shí)整體焊接規(guī)范已經(jīng)達(dá)到一個(gè)臨界狀態(tài)。電弧電壓繼續(xù)增加（17～20 V），熱輸入增加，熔池金屬體積過(guò)大，電弧吹力向上的分力F以及熔池金屬與試件側(cè)壁的表面張力的向上分力Fs1的合力難以克服熔池金屬重力（G）和熔池表面張力Fs2（⊙為垂直紙面指向前方）將造成焊接失效，如圖7所示，熔池金屬向焊道中部集聚，余高有所加劇，邊緣熔合性降低，如圖5～6所示。綜上分析，電弧電壓在17 V時(shí)焊后結(jié)果較為理想。

2.3?焊接速度

基于前文所述，確定焊接電流170 A、電弧電壓17 V進(jìn)行試驗(yàn)，其它工藝參數(shù)不變，結(jié)果如圖8所示，選取試驗(yàn)參數(shù)見表5。在立向上焊接過(guò)程中，焊接速度增加，焊接過(guò)程穩(wěn)定性下降的趨勢(shì)更劇烈。隨著焊接速度的增加，咬邊、側(cè)壁熔合不良等缺欠或缺陷出現(xiàn)的傾向加劇。焊接速度增加，亦出現(xiàn)焊縫邊緣鋸齒，飛濺增大、斷弧等現(xiàn)象。實(shí)際焊接速度由擺動(dòng)波形、擺動(dòng)長(zhǎng)度、擺動(dòng)幅度、側(cè)壁停留時(shí)間綜合影響得到。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，其它工藝參數(shù)不變，當(dāng)焊接速度由 20 cm/min上升到 33 cm/min時(shí)，焊縫表面狀態(tài)良好，余高逐漸減少，焊接過(guò)程比較穩(wěn)定，如圖8所示。當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，熔池金屬體積過(guò)小，熔池金屬冷卻過(guò)快，焊縫中間會(huì)出現(xiàn)搭接不良甚至出現(xiàn)“拉斷”現(xiàn)象，側(cè)壁和根部還可能出現(xiàn)熔合不良，未形成有效連接，當(dāng)焊接速度達(dá)到35 cm/min 時(shí)，焊接熱輸入大幅降低，熔化金屬量不足，焊縫中部出現(xiàn)“拉斷”現(xiàn)象，如圖8～9所示。最終確定焊接速度33 cm/min。

2.4?擺動(dòng)參數(shù)

擺動(dòng)參數(shù)主要包括擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度。對(duì)于焊接機(jī)器人來(lái)說(shuō)，擺動(dòng)頻率與擺長(zhǎng)呈反比例關(guān)系。其他工藝參數(shù)一定，隨著擺動(dòng)頻率增加，成型焊縫的“魚鱗紋”紋路更致密，焊縫邊緣也越整齊，如圖10所示，選取試驗(yàn)參數(shù)見表6。其它工藝參數(shù)一定，隨著擺動(dòng)頻率增加，焊縫的余高增加，魚鱗紋致密程度增加，如圖10～11所示，二者皆不利于焊后焊縫質(zhì)效的提升。隨著擺動(dòng)頻率增加，電弧在焊道中部停留的時(shí)間相對(duì)焊道邊緣增加，熱輸入增加，對(duì)于焊接過(guò)程熔池穩(wěn)定性是不利的，此外效率也有所下降。據(jù)此，擺動(dòng)頻率為1.0 Hz較為理想。

其它焊接工藝參數(shù)不變時(shí)，隨著擺動(dòng)幅度增加，有利于熔池金屬鋪展，從焊后使用性能及效率角度考度，擺動(dòng)幅度為3.5 mm即可，如圖12所示。過(guò)大的擺動(dòng)幅度不但制約焊接效率，同時(shí)降低了電弧穩(wěn)定性，焊接過(guò)程中熔滴的過(guò)渡方式主要是短路過(guò)渡，由于其焊接過(guò)程的特點(diǎn)，很難通過(guò)提高熔滴過(guò)渡頻率來(lái)增加電弧穩(wěn)定性，不合適的增加熔滴過(guò)渡頻率亦會(huì)增加熔池體積敏感性，因此在立角焊接過(guò)程中增加擺動(dòng)參數(shù)并不能有效提高焊接效率。

2.5?側(cè)壁停留時(shí)間

對(duì)于自動(dòng)化MAG焊來(lái)說(shuō)，電弧在側(cè)壁停留使側(cè)壁熔合性更優(yōu)，相比手工焊有著更穩(wěn)定的表現(xiàn)。兩側(cè)熔融金屬與側(cè)壁形成的表面張力一定程度上可以克服熔池的重力，對(duì)于自動(dòng)化條件下焊縫成形有一定幫助。但是過(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間會(huì)增加熔敷金屬量，增加熔池金屬體積，對(duì)于熔池金屬受重力下淌起到促進(jìn)作用，同時(shí)也延長(zhǎng)了焊接過(guò)程整體時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

根據(jù)以上試驗(yàn)，可以看出：其它工藝參數(shù)不變，隨著側(cè)壁停留時(shí)間增加，焊縫邊緣的“鋸齒”現(xiàn)象以及咬邊趨勢(shì)都有所降低。圖14為熔池內(nèi)部對(duì)流換熱過(guò)程示意圖。當(dāng)電弧在側(cè)壁停留時(shí)，熔池一側(cè)溫度和密度要高于另一側(cè)，在溫度梯度和密度梯度的驅(qū)使下熔池金屬由一側(cè)向另一側(cè)流動(dòng)，熔池金屬內(nèi)部的對(duì)流作用，減緩了其在重力和內(nèi)部表面張驅(qū)使下的中央?yún)R聚作用，同時(shí)也有利于對(duì)側(cè)的熔合，如圖14a（ρ為密度;T為溫度）所示。當(dāng)電弧行走至中央，熔滴過(guò)渡后，溫度梯度和密度梯度存在間隙和成形焊道中央方向的分量，加之向下作用的合力驅(qū)使，造成成形焊縫余高增加兩側(cè)熔合不良，甚至，向兩側(cè)壁流動(dòng)的金屬量減少出現(xiàn)咬邊趨勢(shì)，熔池內(nèi)部對(duì)流換熱過(guò)程如圖14b所示。因此在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)增加兩側(cè)停留時(shí)間對(duì)于自動(dòng)化向上立焊能起到良好的作用。最終確定左右停留時(shí)間0.3 s/0.3 s。

3?產(chǎn)品應(yīng)用綜上所述，基于相關(guān)指標(biāo)要求，得到機(jī)器人立向上MAG焊快速焊接工藝，結(jié)合立向彎角焊接、平焊角縫焊接最終得到U型鋼焊接工藝參數(shù)，將其應(yīng)用于產(chǎn)品上，立向上焊接過(guò)程焊接實(shí)時(shí)曲線提取如圖15所示，最終焊接結(jié)果如圖16所示。最終得到U型鋼焊接工藝參數(shù)見表7。

4?結(jié)論

（1）通過(guò)以上對(duì)焊接工藝參數(shù)（電流、電壓、速度）及運(yùn)動(dòng)參數(shù)（擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)頻率、側(cè)壁停留時(shí)間）的試驗(yàn)分析，得出了滿足指標(biāo)要求的U型鋼機(jī)器人快速焊接的參數(shù)規(guī)范，即焊接電流170 A，電弧電壓17 V，焊接速度33 cm/min，擺動(dòng)頻率1.0 Hz，擺動(dòng)幅度3.5 mm，側(cè)壁左右停留時(shí)間0.3 s/0.3 s。

（2）該套工藝應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品，解決了實(shí)際產(chǎn)品由于體積過(guò)大無(wú)法翻轉(zhuǎn)以及翻轉(zhuǎn)成本過(guò)高的問題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，其結(jié)果達(dá)到了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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