半牽引梁U型拐角焊縫連續(xù)自動(dòng)焊接方法

張繼林　高德佳　胡文浩　劉成　王明峰　胡峰

摘要：對(duì)半牽引梁上的內(nèi)U型焊縫與外U型焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及自動(dòng)焊工藝研究。著重研究U型結(jié)構(gòu)拐角圓弧焊縫與變位機(jī)不同心的情況下如何完成自動(dòng)化焊接;在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究圓弧焊縫與線性焊縫之間的參數(shù)變化。通過設(shè)計(jì)專用工裝和運(yùn)用機(jī)械手的變位機(jī)與機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)機(jī)制設(shè)定焊接機(jī)械手軌跡并設(shè)計(jì)出一套新的工藝技術(shù)方案，成功解決了U型結(jié)構(gòu)拐角處焊接缺陷率高及焊接效率較低的問題，提供了一種對(duì)U型結(jié)構(gòu)焊縫拐角圓弧半徑在15～25 mm范圍內(nèi)一次焊接不停弧的機(jī)械手焊接工藝方法。

關(guān)鍵詞：U型結(jié)構(gòu)焊縫;拐角焊;半牽引梁;焊接機(jī)械手

中圖分類號(hào)：TG457.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0087-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.17

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)軌道交通的迅速普及與推廣，對(duì)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要部件的牽引梁提出了更高的質(zhì)量要求。B型地鐵的牽引梁是連接并向車體傳遞轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)的中心部件，也是實(shí)現(xiàn)車輛快速和安全行駛的動(dòng)力傳輸關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)方案中采用由折彎件扣板件與立板焊接的箱型結(jié)構(gòu)，目的是增加整體剛性，但同時(shí)也增加了半牽引梁的U型結(jié)構(gòu)焊縫數(shù)量，增加了拐角焊縫數(shù)量。

對(duì)于U型結(jié)構(gòu)焊縫，孔慶華[1]等分別采用有限元法分析了U型件兩側(cè)板厚比、強(qiáng)度系數(shù)比、應(yīng)變硬化指數(shù)比及壓邊力比對(duì)拼焊板U型件拉伸量及焊縫移動(dòng)的影響規(guī)律;張華[2]等采用宏觀斷面分析、金相組織分析等手段研究了MAG焊工藝在U肋焊接中的實(shí)用性;韓偉[3]等提出了一種搖動(dòng)電弧窄間隙立向上MAG自動(dòng)焊接技術(shù)。

上述對(duì)于弧形焊縫的研究主要基于變位機(jī)軸心與弧形焊縫圓心同心的前提下完成的，且都是在工件不移動(dòng)、焊槍移動(dòng)的情況下完成，對(duì)于半牽引梁U型結(jié)構(gòu)中圓弧與變位機(jī)軸心不同心的焊縫借鑒性略顯不足，對(duì)于MAG焊在焊接U型結(jié)構(gòu)焊縫拐角圓弧與線性焊縫之間參數(shù)的變化無具體描述。本文針對(duì)圓弧與變位機(jī)軸心不同心的焊縫，使用陀螺旋式變位機(jī)聯(lián)動(dòng)完成內(nèi)U型與外U型結(jié)構(gòu)焊縫的連續(xù)焊接，同時(shí)對(duì)內(nèi)U型拐角焊縫、外U型拐角焊縫與直焊縫的參數(shù)關(guān)系實(shí)施建模，以期為相同形式焊縫自動(dòng)焊接提供借鑒[4-7]。

1 技術(shù)方案

1.1 工件的裝卡方案

將半牽引梁用工裝卡具固定在機(jī)械手變位機(jī)上（見圖1），對(duì)牽引梁立板的橫向和縱向位置進(jìn)行定位，裝卡機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)不得超過牽引梁立板厚度12 mm，保證每次焊接時(shí)內(nèi)外U型焊縫的焊接軌跡一致和達(dá)到避讓焊縫的效果。

1.2 U型結(jié)構(gòu)焊縫的程序取點(diǎn)位置

牽引梁短立板與扣板之間的內(nèi)U型結(jié)構(gòu)焊縫和牽引梁立板與扣板之間的外U型結(jié)構(gòu)焊縫均采用連續(xù)焊接方法，通過機(jī)械手的焊槍與變位機(jī)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使焊槍相對(duì)工件夾角始終一致，處于PB位置進(jìn)行焊接。在第一個(gè)拐角圓弧處，拐角處的R為24 mm的1/4圓弧與引弧點(diǎn)所在直線的交點(diǎn)位置取為起點(diǎn)、圓弧交點(diǎn)位置為中點(diǎn)、R為24 mm的1/4圓弧與中間直線的交點(diǎn)位置取為終點(diǎn)，這三點(diǎn)確定焊槍在焊接第一個(gè)拐角焊縫時(shí)的軌跡;在第二個(gè)拐角圓弧處，拐角處的R為24 mm的1/4圓弧與中間直線的交點(diǎn)位置取為起點(diǎn)、圓弧交點(diǎn)位置為中點(diǎn)、R為24 mm的1/4圓弧與熄弧點(diǎn)所在直線的交點(diǎn)位置取為終點(diǎn)，這三點(diǎn)確定焊槍在焊接第二個(gè)拐角焊縫時(shí)的軌跡，確保焊槍可對(duì)拐角處焊縫連續(xù)施焊。

1.3 內(nèi)U型焊縫焊接工藝的制定

內(nèi)U型焊縫坡口形式為單邊V型，接頭形式為T型接頭，坡口邊板厚12 mm，鈍邊厚度0.5～1 mm，坡口角度50°，三層三道焊接。由于內(nèi)U型拐角處焊縫填充量大于直焊縫填充量，拐角處采用低速蓋面法，通過改變蓋面層拐角處的焊接速度實(shí)現(xiàn)了內(nèi)U型焊縫拐角處不停弧連續(xù)焊接。

1.4 外U型焊縫焊接工藝的制定

外U型焊縫的坡口形式為單邊V型，接頭形式為T型接頭，坡口邊板厚12 mm，坡口角度50°，三層三道焊接。由于外U型拐角處焊縫位于整個(gè)工件外側(cè)，無母材對(duì)熔池的支撐，對(duì)熔池的限制維度不足，容易發(fā)生熔池整體下墜現(xiàn)象，故采用降低電流完成蓋面焊接的方法，通過在蓋面層拐角處使用較小的焊接電流和調(diào)整焊槍與工件的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)了外U型焊縫拐角處不停弧連續(xù)焊接。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 半牽引梁的裝卡方式

半牽引梁壓卡方式如圖3所示。在半牽引梁立板103的縱向和橫向位置進(jìn)行定位，半牽引梁的縱向位置由兩個(gè)202定位塊進(jìn)行定位，橫向位置由兩個(gè)201定位塊進(jìn)行定位，保證內(nèi)外U型焊接位置不會(huì)因更換工件而改變，一次編程可重復(fù)使用。

2.2 內(nèi)U型焊縫的焊接模型構(gòu)建

由圖3可知，短立板101和扣板102的連接焊縫為內(nèi)U型焊縫，機(jī)械手焊接時(shí)采用機(jī)軸聯(lián)動(dòng)方式，工件垂直中線與水平面保持20°，打底層和填充層焊槍與工件非坡口面成30°夾角以確保焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫根部;蓋面層為保證a6焊角，將焊槍與工件非坡口面的角度增大到35°以保證焊腳尺寸（見圖4）。焊接過程中工件呈陀螺旋擺狀態(tài)（見圖5），工件焊縫與焊槍始終保持相同角度，進(jìn)行PB位置施焊，確保焊縫根部熔合和成形一致。

將短立板101與扣板102進(jìn)行組裝，保證兩工件之間縫隙小于等于1 mm，進(jìn)行定位焊接，內(nèi)U型焊縫拐角處的焊縫取點(diǎn)如圖6所示。點(diǎn)401為焊槍引弧點(diǎn)，點(diǎn)402為U型焊縫拐角處圓弧起點(diǎn)，點(diǎn)403為圓弧中點(diǎn)，點(diǎn)404為圓弧終點(diǎn)，點(diǎn)405為另一側(cè)圓弧起點(diǎn)，點(diǎn)406為圓弧中點(diǎn)，點(diǎn)407為圓弧終點(diǎn)，點(diǎn)408為收弧點(diǎn)。其中點(diǎn)401為空步，為引弧點(diǎn)位置，點(diǎn)402～408為工作步。

內(nèi)U型焊縫焊接工藝參數(shù)如表1所示。內(nèi)U型焊縫在采用自動(dòng)焊接后可減少兩個(gè)焊接接頭，降低焊接飛濺，焊后清理時(shí)間由15 min降為1.5 min，如圖7所示。

2.3 外U型焊縫焊接模型構(gòu)建

立板103和扣板102的連接焊縫為外U型焊縫，如圖8所示。

機(jī)械手焊接時(shí)采用機(jī)軸聯(lián)動(dòng)方式，工件垂直中線與水平面保持15°，打底層和填充層焊槍與工件成35°夾角以確保焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫根部;蓋面層為保證a6焊角，在外U拐角處將焊槍與工件角度減至30°以保證焊腳尺寸（見圖9），焊接過程中工件呈陀螺旋擺狀態(tài)（見圖10），工件焊縫與焊槍始終保持相同角度，進(jìn)行PB位置施焊，以確保焊縫成形一致。

將件103立板與件102扣板進(jìn)行組裝，保證兩工件之間縫隙小于等于1 mm，進(jìn)行定位焊接，拐角處外U型焊縫取點(diǎn)如圖11所示，點(diǎn)409為焊槍引弧點(diǎn)，點(diǎn)410為U型焊縫拐角處圓弧起點(diǎn)，點(diǎn)411為圓弧中點(diǎn)，點(diǎn)412為圓弧終點(diǎn)，點(diǎn)413為另一側(cè)圓弧起點(diǎn)，點(diǎn)414為圓弧中點(diǎn)，點(diǎn)415為圓弧終點(diǎn)，點(diǎn)416為收弧點(diǎn)。其中點(diǎn)410為空步，為引弧點(diǎn)位置，點(diǎn)410～416為工作步。外U型焊縫焊接工藝參數(shù)如表2所示。

外U型結(jié)構(gòu)焊縫的焊接難點(diǎn)是在蓋面層焊接時(shí)，拐角處的焊縫在工件外側(cè)，對(duì)蓋面層的熔池支撐較少，容易發(fā)生熔池下墜，通過在拐角處減小電流參數(shù)防止熔池下墜，減小焊槍與工件非坡口邊的角度防止焊腳過高。

外U型焊縫自動(dòng)焊與手工焊焊縫對(duì)比如圖12所示，減少了4個(gè)焊接接頭，焊接飛濺減少，焊后清理時(shí)間由20 min降為2 min。

3 結(jié)論

（1）內(nèi)U型結(jié)構(gòu)焊縫聯(lián)動(dòng)焊接中，焊槍與非坡口面所形成的夾角，蓋面層較打底層和填充層增加5°，可以確保焊縫根部熔合，防止焊腳不足;內(nèi)U型焊縫焊接蓋面層時(shí)，拐角處焊縫填充量較直焊縫增加9.1%。

（2）外U型結(jié)構(gòu)焊縫聯(lián)動(dòng)焊接中，焊槍與非坡口面所形成的夾角，蓋面層較打底層和填充層減小5°，可以確保焊縫根部熔合，防止熔池下墜、焊腳過大;內(nèi)U型焊縫焊接蓋面層時(shí)，拐角處焊縫填充量較直焊縫減少9.6%。

（3）內(nèi)U型結(jié)構(gòu)焊縫與外U型結(jié)構(gòu)焊縫在采用自動(dòng)焊接后較手工焊接焊后清理時(shí)間均大幅縮短。

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