機(jī)器人MAG焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

李 杰，周 鵬，惠媛媛

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空材料工程學(xué)院，陜西 西安710089；2.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

近幾十年來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能化水平的快速發(fā)展以及制造業(yè)的實(shí)際需求，增材制造技術(shù)得到了快速發(fā)展，不僅越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始開(kāi)展增材制造的相關(guān)研究，這項(xiàng)技術(shù)也在航天航空、建筑、藝術(shù)設(shè)計(jì)和汽車制造等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了多種基于增材制造理論的快速成形技術(shù)，如3D打印技術(shù)、激光熔化技術(shù)、電子束熔化技術(shù)和電弧快速成形技術(shù)等[1]。與其他快速成形技術(shù)相比，電弧快速成形技術(shù)具有成本低、熱輸入大、熔敷效率高等特點(diǎn)，在大尺寸金屬零件的制造上有明顯的效率優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)[2-4]。

電弧焊金屬快速成形技術(shù)成形精度的控制是關(guān)鍵問(wèn)題之一，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)的方法達(dá)到提高成形精度的目的。相對(duì)于傳統(tǒng)的電弧焊技術(shù)，機(jī)器人電弧焊技術(shù)能顯著提高焊接生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)焊接運(yùn)動(dòng)軌跡和焊接過(guò)程較易控制，因此機(jī)器人電弧焊金屬快速成形技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[5]。

在機(jī)器人電弧焊金屬快速成形過(guò)程中，各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)熔敷層焊縫的外形尺寸、微觀組織及性能具有直接的影響[6]。本文采用機(jī)器人MAG焊方法進(jìn)行平敷焊焊接試驗(yàn)，采用單因素試驗(yàn)方法分別試驗(yàn)焊接電流、焊接電壓、焊接速度、干伸長(zhǎng)對(duì)焊縫尺寸的影響，獲得了不同工藝參數(shù)對(duì)焊縫尺寸的影響規(guī)律。這對(duì)于機(jī)器人電弧焊金屬快速成形技術(shù)運(yùn)用有指導(dǎo)作用，有利于制定和優(yōu)化具體工程中機(jī)器人電弧焊金屬快速成形的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑镼235鋼板，試件規(guī)格為300 mm×100 mm×6 mm。根據(jù)母材的力學(xué)性能，選用φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。焊前用鋼絲刷清除焊件表面氧化物，用丙酮清洗焊件表面油污等。保護(hù)氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量15 mL/min，焊槍角度90°。試驗(yàn)主要設(shè)備為OTC弧焊機(jī)器人和OTC的CPVE 400R型焊接電源。

表1 H08Mn2SiA焊絲化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of H08Mn2SiA %

試驗(yàn)過(guò)程采用單因素方法，每次僅改變焊接電流、焊接電壓、焊接速度和干伸長(zhǎng)中的一個(gè)工藝參數(shù)，其他工藝參數(shù)不變，焊后檢查焊縫成形情況。待焊縫冷卻后，分別在焊縫的前、中、后三個(gè)較平整的位置選取測(cè)量點(diǎn)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量焊縫熔寬和余高，用3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該焊縫的余高和焊縫寬度。沿垂直于焊縫方向，在每條焊縫的中間位置截取試驗(yàn)試樣，分別用100 Cw、500 Cw、1200 Cw的金相砂紙預(yù)磨試樣，隨后用清水和酒精清洗試樣表面，用5%硝酸酒精溶液腐蝕各試驗(yàn)試樣直至觀察到明顯的焊縫熔深，測(cè)量并記錄熔深。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接電流對(duì)焊縫成形的影響

試驗(yàn)分析焊接電流對(duì)焊縫成形尺寸和外觀成形質(zhì)量的影響，焊接電流在95～145 A區(qū)間間隔5 A增加，其他焊接工藝參數(shù)為：焊接電壓18.5 V，焊接速度20 cm/min，干伸長(zhǎng)15 mm。不同焊接電源下的焊縫尺寸如圖1所示，隨著焊接電流的增加，焊縫寬度和熔深均有所增加，焊縫余高稍有增加，但不顯著。這是因?yàn)殡S著焊接電流的增大，焊接電弧的電弧力和溫度增高，電弧的穿透力增加，因此熔深變深；焊接電流的增大還使得金屬的熔化量增加，在較高的電弧溫度下，液態(tài)金屬在鋼表面的浸潤(rùn)鋪展性能變好，即電流越大越有利于液態(tài)金屬的流動(dòng)，因此焊縫寬度逐漸變大，余高增加不顯著。電流分別為95 A、100 A、130 A和140 A下的焊縫外觀形貌如圖2所示，在不同的焊接電流下均可獲得直線度好、寬窄一致、成形美觀的焊縫。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接電流為120 A時(shí)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，因此其他工藝試驗(yàn)均在該焊接電流下進(jìn)行。

圖1 不同焊接電流下的焊縫尺寸Fig.1 Weld size under different welding current

2.2 焊接電壓對(duì)焊縫成形的影響

試驗(yàn)分析焊接電壓對(duì)焊縫成形尺寸和外觀成形質(zhì)量的影響，焊接電壓在16～21 V區(qū)間間隔0.5 V增加，其他焊接工藝參數(shù)為：焊接電流120 A，焊接速度18 cm/min，干伸長(zhǎng)15 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看出，隨著焊接電壓的增加，焊縫余高和熔深幾乎保持不變，但焊縫寬度逐漸變大；當(dāng)焊接電壓超過(guò)19 V時(shí)，焊縫寬度顯著變大。這是因?yàn)楹附与娀?duì)電弧電流密度的影響較小，因此熔深變化較??；隨著焊接電壓的變大，焊接電弧的熱功率增加，熔化的液態(tài)金屬增加，因此焊縫寬度逐漸變大；當(dāng)焊接電壓超過(guò)19 V時(shí)，由于液態(tài)金屬的流動(dòng)性能持續(xù)提高，焊縫余高有所降低，因此焊縫寬度顯著變大。

圖2 不同焊接電流下的焊縫成形Fig.2 Appearance of weld under different welding current

電壓分別為16 V、17 V、19 V和21 V的焊縫外觀形貌如圖4所示，在不同的焊接電壓下均獲得了成形美觀、直線度良好、高低寬窄一致的焊縫，當(dāng)焊接電壓為21 V時(shí)，焊縫寬度明顯變寬，余高顯著降低。

圖3 不同焊接電壓下的焊縫尺寸Fig.3 Weld size under different welding voltage

圖4 不同焊接電壓下的焊縫成形Fig.4 Appearance of weld under different welding voltage

2.3 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

試驗(yàn)分析焊接速度對(duì)焊縫成形尺寸和外觀成形質(zhì)量的影響。焊接速度分別為10cm/min、15cm/min、18 cm/min、20 cm/min、25 cm/min 和 30 cm/min，其他焊接工藝參數(shù)為：焊接電流120 A，焊接電壓18.5 V，干伸長(zhǎng)15 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著焊接速度的增加，焊縫寬度、焊縫余高和焊接熔深均逐漸減小。這是由于隨著焊接速度的增加，焊接線能量變小，單位長(zhǎng)度上的填充金屬量減少，因此焊縫成形相關(guān)尺寸均變小。不同焊接速度下的焊縫宏觀形貌如圖6所示，可以看出當(dāng)焊接速度達(dá)到25 cm/min時(shí)，焊縫彎曲，高低寬窄明顯，成形差；當(dāng)焊接速度達(dá)到30 cm/min時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)了焊接缺陷氣孔；當(dāng)焊接速度不大于20 cm/min時(shí)，焊縫成形良好。

圖5 不同焊接電壓下的焊縫尺寸Fig.5 Weld size under different welding voltage

圖6 不同焊接速度下的焊縫成形Fig.6 Appearance of weld under different welding speed

2.4 干伸長(zhǎng)對(duì)焊縫成形的影響

試驗(yàn)分析干伸長(zhǎng)對(duì)焊縫成形尺寸和外觀成形質(zhì)量的影響。干伸長(zhǎng)在9～21 mm區(qū)間間隔3 mm增加，其他焊接工藝參數(shù)為：焊接電壓18.5 V，焊接電流120 A，焊接速度18 cm/min，干伸長(zhǎng)15 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。可以看出，隨著干伸長(zhǎng)的增加，焊縫寬度和焊縫余高均略有增加，熔深略有減小。這是因?yàn)楹附舆^(guò)程中隨著干伸長(zhǎng)的增長(zhǎng)，焊絲電阻熱增加，焊絲熔化速度增加，因此焊縫寬度和余高有所增加。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干伸長(zhǎng)大于20 mm時(shí)，焊接飛濺明顯增加，焊接過(guò)程不穩(wěn)定；當(dāng)干伸長(zhǎng)小于6 mm時(shí)，易出現(xiàn)導(dǎo)電嘴燒損現(xiàn)象。不同干伸長(zhǎng)下的焊縫宏觀形貌如圖8所示，可以看出當(dāng)干伸長(zhǎng)為21 cm時(shí)，焊縫直線度較差，外觀成形不良。

圖7 不同干伸長(zhǎng)下的焊縫尺寸Fig.7 Weld size at different wire extension

圖8 不同干伸長(zhǎng)下的焊縫成形Fig.8 Appearance of weld at different wire extension

3 結(jié)論

（1）在其他焊接工藝參數(shù)不變的前提下，焊接電流越大越有利于液態(tài)金屬的流動(dòng)，電弧穿透力越強(qiáng)，焊縫寬度和熔深顯著變大，余高增加不明顯。

（2）當(dāng)其他焊接工藝參數(shù)不變時(shí)，隨著焊接電壓的變大，焊接電弧的熱功率增加，熔化的液態(tài)金屬增加，焊縫寬度逐漸變大；當(dāng)焊接電壓超過(guò)19 V時(shí)，液態(tài)金屬的流動(dòng)性能提高，焊縫余高有所降低，寬度顯著變大。

（3）當(dāng)其他焊接工藝參數(shù)不變時(shí)，隨著焊接速度的增加，焊接線能量變小，焊縫成形幾何尺寸均變??；當(dāng)焊接速度過(guò)快時(shí)，焊縫表面成形差，且出現(xiàn)了表面氣孔。

（4）當(dāng)其他焊接工藝參數(shù)不變時(shí)，焊接過(guò)程中隨著干伸長(zhǎng)的增長(zhǎng)，焊絲熔化速度增加，焊縫寬度和焊縫余高略有增加；干伸長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，焊接飛濺增加。