范軍旗 劉壯 徐向軍

U形肋板單元機器人焊接試驗研究

范軍旗 劉壯 徐向軍

充分利用焊接機器人的優(yōu)勢，通過試驗確定了合理的坡口形式、鈍邊尺寸、焊接電流及電弧電壓等參數(shù)，實現(xiàn)了U形肋板單元的自動化焊接，提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

正交異性橋面板單元的焊接質(zhì)量要求高，一般要求熔透深度不小于板厚的80%，且不得焊漏，表面光滑勻順。以往國內(nèi)多數(shù)廠家都采用CO2氣體保護半自動焊配合機械式跟蹤器焊接，需人工監(jiān)測電弧，隨時調(diào)整焊槍的角度和位置，焊縫的質(zhì)量很大程度上受到工人技術(shù)水平和工作態(tài)度的影響，穩(wěn)定性差。而我公司在國內(nèi)首次將大型焊接機器人系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)，通過焊接試驗研究，實現(xiàn)了U形肋板單元的自動化、智能化焊接，提高了焊接質(zhì)量和效率。

1. 焊接設(shè)備

為了實現(xiàn)U形肋板單元的自動化焊接，我公司研究應(yīng)用了板單元自動組裝定位焊機床（見圖1）和板單元機器人焊接系統(tǒng)（見圖2）。自動組裝定位焊機床具有自動打磨、行走、定位、壓緊的功能，并可采用機器人進行定位焊。板單元機器人焊接系統(tǒng)具有電弧跟蹤、接觸傳感，離線編程、示教編程等功能，可以實現(xiàn)自動化焊接，消除人為因素對焊接質(zhì)量的影響。該系統(tǒng)為雙懸臂的龍門式結(jié)構(gòu)，每個懸臂上配備兩個機器人，實現(xiàn)4把焊槍同時施焊。龍門下設(shè)置兩個反變形翻轉(zhuǎn)胎架，可以將板單元預(yù)置反變形后并翻轉(zhuǎn)成船位焊接。

2. 試驗用鋼板和焊材

試驗用板厚8mm、20mm的Q345qD鋼板和Q420qD鋼板，符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。

定位焊采用實芯焊絲富氬氣體保護焊，焊絲為ER50—6（φ1.2mm），其化學(xué)成分和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》的要求。

考慮到藥芯焊絲CO2氣體保護焊適用于機器人自動化焊接，因此U形肋角焊縫焊接采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊。選用熔敷效率高、焊接飛濺小的金屬粉型E500T—1（φ1.4mm）焊絲，其熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)《碳鋼藥芯焊絲》的要求。

3. 焊前準(zhǔn)備

根據(jù)U形肋板單元的結(jié)構(gòu)形式，選擇板厚6mm和8mm的Q345qD、Q420qD鋼板的4種接頭進行焊接試驗，試板的尺寸為300mm×500mm。

根據(jù)以往的經(jīng)驗并結(jié)合一些試驗結(jié)果，將坡口角度定為55°，坡口的鈍邊尺寸定為1mm（見圖3），采用數(shù)控機床加工坡口，保證坡口角度誤差控制在±3°，鈍邊尺寸誤差控制在±0.5mm。

圖1

圖2

4. 試件焊接

為了控制板單元的焊接變

形，機器人焊接系統(tǒng)配備反變形翻轉(zhuǎn)胎架，可通過液壓驅(qū)動對板單元預(yù)置反變形后并翻轉(zhuǎn)成船位焊接，能夠有效控制焊接變形，提高焊縫外觀成形質(zhì)量，減少焊后修整工作量。

因為板厚6mm的U形肋角焊縫填充量小，所以采用單道焊不需要太大的熱輸入，通過調(diào)整焊接參數(shù)即可滿足焊縫的質(zhì)量要求。板厚8mm的U形肋角焊縫填充量較大，采用單道焊需要較大的熱輸入，熔透深度不穩(wěn)定且容易焊漏，無法滿足焊縫的質(zhì)量要求，因此采用雙道焊。第一道以較小的電流快速施焊，可以避免焊漏并獲得較好的熔深，第二道采用較大電流慢速施焊，配合焊槍擺動可獲得良好的外觀質(zhì)量。

此外，必須根據(jù)坡口形狀、焊道的位置和焊縫的要求設(shè)置合適的參數(shù)。通過反復(fù)試驗最終確定的焊接參數(shù)如表1、表2所示。機器人藥芯CO2氣體保護焊CO2氣體流量為15～20L/min，Q345qD和Q420qD的道間溫度分別為65℃和55℃。

5.焊縫檢測

按照最終確定的參數(shù)焊接試件，焊后進行外觀檢查，24h后按照熔透深度不小于板厚80%的標(biāo)準(zhǔn)進行超聲波相控陣探傷，檢驗結(jié)果滿足要求，然后進行磁粉探傷檢測，焊縫質(zhì)量達到JB/ T6061—2007 2X級要求。

對試件進行斷面酸蝕檢測和接頭硬度試驗，斷面的熔透深度均大于板厚的80%，接頭硬度均≤350HV10。部分試樣斷面照片如圖4所示。

圖3 坡口形式及尺寸

6. 結(jié)語

試驗結(jié)果表明采用機器人焊接U形肋坡口角焊縫，焊縫的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能均能夠滿足技術(shù)要求。目前試驗成果已成功應(yīng)用于港珠澳大橋、美國維拉扎諾海峽大橋等項目的板單元生產(chǎn)，焊接質(zhì)量良好。

表1 定位焊焊接參數(shù)

表2 U形肋坡口角焊縫焊接參數(shù)

圖4

范軍旗等，中鐵山橋集團有限公司。