兩種常見(jiàn)焊接接頭的機(jī)器人焊接工藝

李杰，周鵬，惠媛媛

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，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，蘭州 730050)

0 前言

近幾十年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等的發(fā)展，自動(dòng)化焊接技術(shù)特別是機(jī)器人焊接技術(shù)得到了快速發(fā)展，自動(dòng)化焊接已經(jīng)成為今后焊接發(fā)展的方向，將在一些行業(yè)中逐漸替代傳統(tǒng)的手工焊接工藝[1-4]。目前用于實(shí)際生產(chǎn)的弧焊機(jī)器人，其焊接路徑、焊接姿態(tài)和焊接工藝參數(shù)的設(shè)置完全基于手工焊接的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。焊接機(jī)器人的焊接不同于人的焊接過(guò)程，工人在焊接過(guò)程中能夠聽(tīng)到電弧的聲音，感受到焊槍的反作用力，觀察到熔池表面流動(dòng)情況，利用這些信息，工人能夠評(píng)估焊接過(guò)程是否達(dá)到所希望的狀態(tài)，通過(guò)自己的焊接經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)地調(diào)整焊接姿態(tài)和焊接參數(shù)最終達(dá)到所希望的焊接狀態(tài)[5-7]。焊接機(jī)器人的焊接是一個(gè)自動(dòng)化過(guò)程，焊接路徑、焊接姿態(tài)和焊接工藝參數(shù)也不同于人的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。因此，全面深入系統(tǒng)的研究焊接機(jī)器人各工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形和焊接質(zhì)量的影響是十分必要的，這對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人代替工人焊接有重要的意義。

目前關(guān)于焊接機(jī)器人的相關(guān)研究，科研院所主要開(kāi)展焊接機(jī)器人控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等的工作[8-9]；職業(yè)院校主要開(kāi)展焊接機(jī)器人示教-再現(xiàn)操作、基本功能應(yīng)用和調(diào)試與故障排除等的工作；但關(guān)于焊接機(jī)器人具體焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形和焊接質(zhì)量影響的研究較少。

對(duì)接接頭和T形接頭是焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的接頭形式，文中主要研究了中厚板對(duì)接接頭、T形接頭的機(jī)器人焊接工藝，分析了電弧電壓、焊接電流、焊接速度等對(duì)兩種焊接接頭焊縫成形的影響。這對(duì)焊接機(jī)器人的實(shí)際工程運(yùn)用有指導(dǎo)作用，有助于制定和優(yōu)化具體工程中機(jī)器人焊接的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為Q235鋼板,試件規(guī)格為300 mm×100 mm×8 mm和300 mm×100 mm×6 mm。8 mm厚鋼板開(kāi)對(duì)稱(chēng)V形坡口,坡口角度60°,留鈍邊0.5～1 mm；6 mm厚鋼板不開(kāi)坡口；焊前清除待焊焊縫兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的氧化物、油污等。填充焊絲采用直徑1.2 mm焊絲，型號(hào)為ER 49-1；焊接保護(hù)氣體為80% Ar + 20%CO2混合氣，氣體流量為18 L/min；機(jī)器人焊槍擺動(dòng)形式均為一次函數(shù)；對(duì)接焊縫焊絲伸出長(zhǎng)度為15 mm，角焊縫焊絲伸出長(zhǎng)度為18 mm。試驗(yàn)采用弧焊機(jī)器人和CPVE 400R 型焊接電源。

2 焊接過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 板板對(duì)接打底焊

采用焊接機(jī)器人進(jìn)行了板對(duì)接接頭的焊接，合理的焊縫排列方式，可有效避免焊縫夾渣和層間未熔合等缺陷，對(duì)于8 mm 厚板對(duì)接V形坡口焊接采用兩層兩道焊，以保證焊接接頭質(zhì)量，提高焊接效率。按照前期基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，研究焊接工藝參數(shù)對(duì)板V形坡口對(duì)接打底焊焊縫成形的影響因素，主要包括坡口根部間隙、焊槍角度、焊槍擺動(dòng)振幅寬度和頻率、焊槍上下振幅停留時(shí)間、焊接電流、電弧電壓、焊接速度和焊絲伸出長(zhǎng)度。試驗(yàn)表明，在打底焊焊接過(guò)程中，坡口根部間隙、焊槍角度、焊接電流、電弧電壓和焊接速度對(duì)打底焊焊接質(zhì)量和焊接成形有顯著影響。

在實(shí)際中厚板焊接中，兩板間的根部間隙對(duì)打底焊縫根部熔合有明顯影響[10]，文中分析了坡口根部間隙對(duì)打底層焊縫成形的影響，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)根部間隙為 2 mm時(shí)，由于焊接電弧未能穿透坡口根部間隙，坡口根部金屬未完全發(fā)生熔化，打底層焊縫出現(xiàn)了明顯的未焊透現(xiàn)象。當(dāng)根部間隙為2.5 mm 時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)約有1/3的電弧穿過(guò)根部間隙燃燒，坡口根部?jī)蓚?cè)金屬完全發(fā)生熔化；打底層正面焊縫下凹、成形美觀、焊縫波紋均勻，打底層背面焊縫熔合良好，如圖1a所示。數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)得背面焊縫余高為0.6 mm,背面焊縫寬度為4.11 mm;由此可知坡口根部?jī)蓚?cè)約0.8 mm 的金屬發(fā)生了熔化。當(dāng)根部間隙為3.2 mm 時(shí)，焊縫根部?jī)蓚?cè)液態(tài)金屬下淌而使焊縫成形不良，未形成連續(xù)焊縫，如圖1b所示。這是由于根部間隙較大時(shí)，根部焊縫成形所需要的熔化金屬量增加，同時(shí)焊接電弧的熱效率也有所降低，因此熔化的焊絲和母材金屬不足以填充坡口根部；除此之外，間隙增大，氣體間隙增大，維持電弧的難度越大，焊接過(guò)程不穩(wěn)定性及出現(xiàn)“斷弧”現(xiàn)象[11]，形成不連續(xù)焊縫。

表1 打底焊不同坡口間隙下的焊接工藝參數(shù)

圖1 不同坡口間隙下的焊縫成形

通過(guò)分析焊槍角度(焊槍中心線與焊接行走方向之間的夾角)對(duì)打底層焊縫成形的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其它焊接工藝參數(shù)一定的情況下，當(dāng)焊槍角度為90°時(shí)，打底層焊接易出現(xiàn)未熔合，背面焊縫余高較高的現(xiàn)象，如圖2所示。這是由于電弧直接作用于根部間隙，全部焊接熔池位于坡口根部，此時(shí)熔化的液態(tài)金屬在電弧力和重力的作用下會(huì)向焊縫背面流動(dòng)，致使背面焊縫余高變高；另一方面?zhèn)缺谌酆系慕饘倭孔兩?，在接近?cè)壁的區(qū)域易產(chǎn)生未熔合的焊接缺陷。當(dāng)焊槍角度為85°時(shí)，部分電弧作用于已凝固的金屬，部分電弧作用于坡口根部，已凝固金屬對(duì)焊接熔池有一定的支撐作用，可避免大量液態(tài)金屬向焊縫背面流動(dòng)，同時(shí)作用于坡口根部的電弧又能保證根部金屬熔化，因此可獲得成形良好的焊縫。

圖2 焊槍角度90°時(shí)的焊縫成形

試驗(yàn)還分析了焊接速度對(duì)打底層焊縫成形的影響，在其它焊接工藝參數(shù)一定的情況下，當(dāng)焊接速度為20 cm/min時(shí)，由于焊接速度過(guò)快，焊接熱輸入不足，焊縫中易出現(xiàn)未熔合缺陷。當(dāng)焊接速度為15 cm/min時(shí)，獲得了成形良好的焊縫，如圖1a所示；游標(biāo)卡尺測(cè)得背面焊縫寬度為4.11 mm，高度為0.6 mm。當(dāng)焊接速度為10 cm/min時(shí)，焊縫成形良好，但焊接效率降低；與焊接速度為15 cm/min時(shí)的背面焊縫對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)背面焊縫寬度有所變寬，約為4.68 mm；背面焊縫高度明顯變高，達(dá)到了1.37 mm，該值超出了Ⅰ級(jí)焊縫等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍。

分析焊接電流對(duì)打底層焊縫成形的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其它焊接工藝參數(shù)一定的情況下，當(dāng)焊接電流為90 A時(shí)，焊接熱量不足，坡口根部?jī)蓚?cè)母材熔合不良，在靠近母材側(cè)壁的區(qū)域易形成未熔合等缺陷，如圖3a所示。當(dāng)焊接電流為110 A時(shí)，由于焊接熱量熱輸入較大，坡口根部?jī)蓚?cè)母材熔化量增加，在焊接中心區(qū)域出現(xiàn)了燒穿，如圖3b所示。

試驗(yàn)還分析了電弧電壓對(duì)打底層焊縫成形的影響，在其它焊接工藝參數(shù)一定的情況下，不同的電弧電壓下，均獲得了成形良好的打底層焊縫，當(dāng)電弧電壓為20 V時(shí)，背面焊縫部分區(qū)域出現(xiàn)了輕微的未熔合，如圖4所示。表2所為不同電弧電壓下的焊縫背面寬度和余高，可以看出，電弧電壓對(duì)打底層背面焊縫寬度無(wú)明顯影響，但對(duì)背面焊縫余高有影響，當(dāng)電弧電壓為20 V時(shí)，背面焊縫余高顯著減小。

基于以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)8 mm中厚板對(duì)接平位打底焊焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的打底焊焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。在該焊接工藝參數(shù)下獲得了成形美觀、熔合良好的焊縫，如圖5所示。游標(biāo)卡尺測(cè)得背面焊縫寬度為4.04 mm，背面焊縫余高為0.17 mm，該數(shù)值符合Ⅰ級(jí)焊縫等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 板板對(duì)接蓋面焊

前期試驗(yàn)中，該課題已進(jìn)行了一系列關(guān)于焊接機(jī)器人平敷焊的試驗(yàn)[12]，積累了大量有效數(shù)據(jù)。板對(duì)接平位蓋面焊過(guò)程與平敷焊過(guò)程類(lèi)似，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合蓋面焊特點(diǎn)進(jìn)行了蓋面焊焊接試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，見(jiàn)表4。焊接過(guò)程中焊槍在V形坡口棱邊兩側(cè)稍作停留，防止產(chǎn)生咬邊、未熔合等。在上述工藝參數(shù)下獲得的蓋面焊焊縫如圖6所示，可以看出焊縫成形美觀，寬窄、高低均勻，波紋均勻細(xì)膩，無(wú)焊接缺陷產(chǎn)生。游標(biāo)卡尺測(cè)得正面焊縫寬度為14.20 mm，正面焊縫高度余高為1.22 mm。

圖3 不同焊接電流下的焊縫成形

圖4 電弧電壓20 V下的焊縫成形

表2 不同電弧電壓下的背面焊縫尺寸

表3 優(yōu)化后的打底焊焊接工藝參數(shù)

圖5 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)下的焊縫成形

表4 蓋面焊焊接工藝參數(shù)

圖6 蓋面焊焊縫成形

2.3 板板T形接頭焊接

采用弧焊機(jī)器人進(jìn)行了6 mm厚T形接頭的焊接，試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)6 mm厚T形接頭采用單層單道焊即可獲得符合Ⅰ級(jí)焊縫等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的角焊縫。機(jī)器人T形接頭焊接主要工藝參數(shù)包括電弧電壓、焊接電流、焊接速度、焊槍中心線與立板及水平板之間的夾角、焊槍中心線與焊接行走方向的夾角。焊接過(guò)程中焊槍中心線與焊接行走方向的夾角為90°，焊槍與立板、水平板之間的夾角為45°，拼焊間隙為0 mm[13]。

文中主要試驗(yàn)了焊接速度、焊接電流和電弧電壓對(duì)角焊縫焊縫成形、焊腳尺寸和焊縫凸度的影響。分別選取焊接速度15 cm/min,20 cm/min,25 cm/min和30 cm/min對(duì)T形接頭進(jìn)行焊接，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。用焊縫量規(guī)測(cè)得了不同焊接速度下角焊縫的焊腳尺寸和焊縫凸度，如圖7所示，可以看出，隨著焊接速度的變大，焊腳尺寸逐漸變小，當(dāng)焊接速度為20 cm/min 時(shí)，焊腳尺寸為6.8 mm；當(dāng)速度不高于25 cm/min 時(shí)，焊縫凸度隨著焊接速度的增加而增加，這是由于當(dāng)焊接速度增加時(shí)，焊接熱輸入減小，熔池的凝固速度增加，不利于液態(tài)金屬的流動(dòng)，易形成凸度較大的焊縫。當(dāng)速度大于25 cm/min 時(shí)，角焊縫單位長(zhǎng)度的填充金屬不足，焊縫凸度變小。

表5 T形接頭不同焊接速度下的焊接工藝參數(shù)

通過(guò)分析電弧電壓對(duì)角焊縫焊縫成形、焊腳尺寸和焊縫凸度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其它焊接工藝參數(shù)一定的情況下，隨著電弧電壓的增大，角焊縫焊腳尺寸稍有增大，焊縫凸度明顯變小，如圖8所示。圖9所示為不同電弧電壓下的角焊縫成形，從圖可以看出，當(dāng)電弧電壓為19 V時(shí)，角焊縫焊縫中心明顯凸出，焊縫兩側(cè)棱邊熔合不良；當(dāng)電弧電壓為23 V時(shí)，角焊縫下凹，焊縫兩側(cè)棱邊熔合良好。

圖7 不同焊接速度下的焊腳尺寸和焊縫凸度

圖8 不同電弧電壓下的焊腳尺寸和焊縫凸度

圖9 T形接頭不同電弧電壓下的焊縫成形

試驗(yàn)還分析了焊接電流對(duì)角焊縫焊腳尺寸和焊縫凸度的影響，在其它焊接工藝參數(shù)一定的情況下，不同焊接電流下角焊縫焊腳尺寸和焊縫凸度幾乎保持不變，僅略有增加，如圖10所示。這說(shuō)明，在一定的電流范圍內(nèi)，焊接電流對(duì)角焊縫焊腳尺寸和焊縫凸度的影響不顯著。

基于上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)6 mm厚T形接頭焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6，在此焊接工藝參數(shù)下的焊縫成形如圖11所示?？梢钥闯?，角焊縫兩焊趾區(qū)域熔合良好，焊縫平齊，焊縫表面微下凹，測(cè)得焊腳尺寸為6.8 mm。

圖10 不同焊接電流下的焊腳尺寸和焊縫凸度

表6 優(yōu)化后的T形接頭焊接工藝參數(shù)

圖11 T形接頭焊縫成形

3 結(jié)論

(1)通過(guò)板對(duì)接打底焊發(fā)現(xiàn)，坡口間隙過(guò)小易產(chǎn)生未焊透焊接缺陷；坡口間隙過(guò)大、焊接電流過(guò)小、電弧電壓過(guò)高和焊接速度過(guò)高時(shí)易產(chǎn)生未熔合缺陷；焊接過(guò)程中焊槍角度與焊接方向的夾角15°左右為宜，有助于背面焊縫成形；焊接電流過(guò)大時(shí)，出現(xiàn)了燒穿現(xiàn)象；焊接速度過(guò)低時(shí)，背面焊縫余高明顯變大。

(2)對(duì)8 mm厚板板對(duì)接平位打底焊，在電弧電壓17.5 V，焊接電流100 A，焊接速度15 cm/min，焊槍角度85°，坡口間隙2.5 mm，焊槍擺動(dòng)頻率1 Hz，焊槍左右振幅2.2 mm，焊槍左右停留時(shí)間0.3 s時(shí)，可獲得正反面成形美觀，熔合良好的打底層焊縫。

(3)通過(guò)T形接頭焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的減小、電弧電壓的變大，焊腳尺寸變大；電弧電壓對(duì)焊縫的凸度有明顯影響，當(dāng)電弧電壓為23 V時(shí)，形成了下凹的角焊縫；焊接電流對(duì)焊腳尺寸和焊縫凸度的影響不顯著。

(4)對(duì)6 mm厚T形接頭平角焊，在電弧電壓23 V、焊接電流180 A、焊接速度20 cm/min、焊槍與立板及水平板之間的夾角45°、焊槍與焊接行走方向的夾角90°時(shí)，可獲得兩焊趾區(qū)域熔合良好，焊縫平齊，波紋均勻，焊縫表面微下凹的角焊縫。