水工鋼結(jié)構(gòu)雙面坡口機器人焊接工藝

蔡云秀　李斗　李飛

摘要：基于弧焊機器人對接平焊雙面不對稱坡口焊接工藝，通過試驗研究焊接電流、焊接速度等工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：針對20 mm厚Q345B熱軋鋼板不對稱雙邊坡口，打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min時，焊縫成形良好，填充高度合適，焊縫背面根部成形良好;采用脈沖MAG焊接，電流245 A、焊接速度0.25 m/min時，背面焊縫根部完全熔透，焊縫熱影響區(qū)未出現(xiàn)淬硬組織，且鈍邊處的熔寬由常規(guī)MAG焊的3 mm增加至5 mm，解決了水電水工鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)焊接自動化應用不清根難以實現(xiàn)的工藝難題。

關(guān)鍵詞：弧焊機器人;脈沖MAG焊;中厚板;不清根;雙面不對稱坡口

中圖分類號：TG444+.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.22

0 前言

隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化及智能化已成為必然趨勢。風電設備、機械工程、鐵路車輛和航空航天等領(lǐng)域廣泛引入機器人焊接技術(shù)，大大提高了生產(chǎn)過程的自動化程度。既很好地保證了焊件質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，又降低了工人的勞動強度，改善了焊接生產(chǎn)環(huán)境[1-2]。

在常規(guī)中厚板焊接中，一般鋼板開V型或雙邊V型坡口，機器人焊接工藝尚不成熟，使得其在很多領(lǐng)域仍處于空白[3]。在水電水工鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)域，水電水工鋼結(jié)構(gòu)水閘門的生產(chǎn)過程中涉及大量中厚板的焊接，一般是對鋼板開雙邊V型坡口，先進行打底焊，對背面焊縫清根之后再進行填充和蓋面焊[4-5]。但是對焊縫的清根處理限制了弧焊機器人自動化焊的應用。因此解決中厚板焊接時背面清根的問題，對于實現(xiàn)高效的機器人自動化焊接具有重要的意義。

1 焊接性分析

試件選用20 mm厚Q345B熱軋鋼板，執(zhí)行標準GB/T 1591-1994，化學成分如表1所示。

由Ceq=C+++求出Q345B鋼的碳當量為0.49%，為中高碳鋼，有淬硬傾向，對焊接熱過程敏感，需嚴格遵守焊接工藝規(guī)范。

2 焊接方法與設備

試樣鋼板尺寸600 mm×200 mm×20 mm，X5032銑床加工K型坡口，坡口角度50°，留2 mm鈍邊，連接方式為對接，坡口形式如圖1所示。采用德國KUKA Kr6arc機器人、德國EWM 522RC Plus force Arc焊接電源，直徑φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊絲，其化學成分如表2所示，采用φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣體MAG焊，氣體流量18 L/min。使用引弧板和熄弧板對接頭進行點固，一是固定試件得到一條間隙2 mm的焊縫，二是有效預防焊接過程中的變形，點固后的試件使用焊接夾具剛性固定。

3 焊接工藝試驗結(jié)果及分析

焊接工藝參數(shù)如表3所示。

不同焊接電流、焊接速度的對接接頭打底正反面宏觀形貌如圖2所示。由圖2a、圖2d可知，當焊接電流為160 A、焊接速度為0.22 m/min時，焊縫成形一般，填充高度不足，背面根部高度過小，正面填充根部熔透困難，根部易出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。由圖2b、圖2e可知，當焊接電流為160 A，焊接速度為0.25 m/min時，焊縫成形不佳，但焊縫背面根部成形良好。由圖2c、圖2f可知，當焊接電流增至170 A、焊接速度為0.25 m/min時，焊縫成形良好，填充高度合適，焊縫背面根部成形良好。

不同焊接電流及焊接模式下焊縫截面宏觀金相圖如圖3所示。由圖3a可知，背面打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接電流為210 A、焊接速度0.25 m/min時，根部出現(xiàn)未焊透、未熔合焊接缺陷。由圖3b可知，背面打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接電流增加到245 A時，金屬填充量隨之增加，但焊接熔深并未隨之增加，根部反而出現(xiàn)更加嚴重的未焊透、未熔合焊接缺陷。由圖3c可知，背面打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接電流為245 A時，采用脈沖模式，峰值電流460 A，脈沖寬度Tp=1.6 ms，脈沖頻率185 Hz，焊縫根部熔透情況良好，未出現(xiàn)未焊透、未熔合等焊接缺陷。

由圖3a、圖3b可知，正面填充焊接電流由210 A增至245 A，未起到增大熔深的效果，背面打底焊與正面填充焊之間仍然存在未焊透、未熔合現(xiàn)象，并且增大電流后，熔敷金屬的大量增加造成了填充焊與坡口面之間產(chǎn)生大面積的未熔合缺陷。這是由于隨著電流的增大，熔敷金屬增加，電弧未達到背面焊縫根部而是直接打到熔池上造成的。由圖3b、圖3c可知，在焊接工藝參數(shù)相同的情況下，由常規(guī)MAG焊切換成脈沖MAG焊后，背面打底焊與正面填充焊之間熔透情況良好，未出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，且使用脈沖MAG焊的6號焊縫的根部熔寬由3 mm增至5 mm。這是因為脈沖MAG焊提供周期變化的脈沖電流，從而控制熔滴過渡和焊接熱輸入。在實際焊接時，脈沖MAG焊希望達到一個脈沖一滴或者幾滴（2～3滴）。脈沖MAG焊焊接電流波形如圖4所示，脈沖波形主要參數(shù)有：基值電流Ib、脈沖電流Ip、脈沖寬度Tp、基值時間Tb。其中基值電流Ib和基值時間Tp維持電弧穩(wěn)定燃燒，同時對預熱焊絲和母材提供一定的能量。脈沖電流Ip和脈沖寬度Tp決定脈沖能量，通過采用脈沖MAG焊增加脈沖電流Ip，隨著脈寬比的增大，占空比也增大，脈沖峰值電流輸入的時間增加，所以焊接電流平均值和有效值增加，焊縫熔深增大[6]。

圖5a是6號焊縫熱影響區(qū)顯微硬度測試點分布示意，圖5b、5c是6號焊縫熱影響區(qū)顯微硬度測試后帶壓痕金相顯微組織。由圖可知，Q345B的母材組織由鐵素體、珠光體組成，呈長條狀分布，焊后熱影響區(qū)組織由鐵素體、珠光體組成，鐵素體組織呈針葉狀分布。

6號焊縫熱影響區(qū)顯微硬度測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知，由焊接接頭熔合線附近距焊縫表面2 mm處垂直焊縫以測試間距0.05 mm向外移動，1號點顯微硬度為280.7 HV，2號點顯微硬度為263.7 HV，3號點顯微硬度為254.6 HV，4號點顯微硬度237.8 HV，5號點顯微硬度231.3 HV，焊縫熱影響區(qū)并未出現(xiàn)淬硬組織，符合焊接工藝規(guī)范要求。

5 結(jié)論

針對20 mm厚Q345B熱軋鋼板不對稱雙邊K型坡口，使用機器人脈沖MAG焊，可以實現(xiàn)在不清根的前提下，直接進行正面填充，解決了水電站水工閘門領(lǐng)域機器人焊接自動化難以實現(xiàn)的難題。打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min工藝參數(shù)時，焊縫成形良好，填充高度合適，焊縫背面根部成形良好;采用脈沖電流245 A、焊接速度0.25 m/min填充時，背面焊縫根部完全熔透，焊縫熱影響區(qū)未出現(xiàn)淬硬組織，熔寬由常規(guī)MAG焊的3 mm增至5 mm。

參考文獻：

[1] 徐方. 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 機器人技術(shù)與應用，2007（5）：2-4.

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[4] 趙宏磊. 淺談閘門焊接工藝[J]. 內(nèi)蒙古水利，2013（1）：6768.

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[6] 郭勝. 脈沖埋弧焊工藝研究及工程應用[D]. 天津：天津大學，2005.