王子然 楊永波 白德濱 秦偉濤

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所, 哈爾濱 150028)

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間隙對(duì)機(jī)器人MAG立向上焊接過(guò)程的影響

王子然 楊永波 白德濱 秦偉濤

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所, 哈爾濱 150028)

采用機(jī)器人進(jìn)行MAG立向上焊接工藝試驗(yàn)，分析研究了不同間隙對(duì)其焊接過(guò)程的影響趨勢(shì)及形成機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，間隙的出現(xiàn)及變化使機(jī)器人MAG立向上焊接過(guò)程的穩(wěn)定性下降，焊后焊縫的表面狀態(tài)變差，同時(shí)增加了自動(dòng)化立向上MAG焊的難度；對(duì)不同間隙下的焊縫橫剖面進(jìn)行了金相觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫的余高和熔深尺寸也隨間隙的變化而變化。

機(jī)器人 立向上焊 間隙

0 序 言

目前，造船、壓力容器、重型機(jī)械、汽車制造等行業(yè)廣泛采用中厚板板材、型鋼組成的大型結(jié)構(gòu)件。由于其體積龐大，焊接制造過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)成本過(guò)高，實(shí)際生產(chǎn)中不可避免的采用立向焊接[1-4]。立向下焊熔深較淺，容易出現(xiàn)側(cè)壁熔合不良，對(duì)于承載結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，立向上焊比立向下焊可靠性更高。傳統(tǒng)立向上焊接主要有電渣焊、氣電立焊等，設(shè)備復(fù)雜且都要附加強(qiáng)迫水冷裝置，推廣性差。MAG焊由于設(shè)備簡(jiǎn)單、柔性度高且對(duì)碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料具有良好的工藝適用性而得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外MAG立向上焊接技術(shù)主要依靠手工焊和半自動(dòng)化焊搭配的方式，工作量大、效率較低。

機(jī)器人是柔性很好的機(jī)電一體化產(chǎn)品，目前在國(guó)內(nèi)外各行業(yè)都具有良好的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)工業(yè)整體采用焊接機(jī)器人工作站、機(jī)器人焊接裝配線的比重更是逐年遞增。對(duì)于具有復(fù)雜焊接軌跡或者需要不同擺動(dòng)電弧軌跡的焊接生產(chǎn)件或試驗(yàn)件來(lái)說(shuō)，機(jī)器人都表現(xiàn)出傳統(tǒng)焊接自動(dòng)化手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。采用機(jī)器人進(jìn)行MAG立向上焊接不僅大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)顯著提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率[5-6]。

但是，實(shí)際生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)件組焊由于機(jī)加誤差等因素經(jīng)常出現(xiàn)裝配間隙，增加機(jī)器人立向上焊接的難度。因而，研究間隙對(duì)機(jī)器人MAG立向焊接工藝過(guò)程的影響，對(duì)于優(yōu)化立向焊接工藝、提高自動(dòng)焊立焊質(zhì)量和效率具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用兩塊尺寸均為250 mm×100 mm×6 mm的Q235鋼作為立板與底板,如圖1所示。立板與底板預(yù)留間隙，間隙尺寸為0～4 mm；采用直徑為φ1.2 mm的普通碳鋼焊絲；保護(hù)氣為Ar與CO2混合氣(Ar∶CO2=8∶2)。由機(jī)器人、焊接電源、氣路和工作臺(tái)組建機(jī)器人焊接試驗(yàn)工作平臺(tái)，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)件示意圖

圖2 焊接試驗(yàn)平臺(tái)框圖

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)預(yù)留間隙，裝配后垂直立于水平工作臺(tái)上，夾具夾緊。焊絲位于兩板中線上，焊槍與焊縫向下呈一定角度。采用上述方法對(duì)于0～4 mm不同間隙的試件分別施焊，最大間隙的選擇來(lái)源于實(shí)際工況中對(duì)裝配間隙的限制，工藝參數(shù)的選擇是根據(jù)機(jī)器人MAG立向上工藝試驗(yàn)得出，如表1所示。使用相同的焊接工藝參數(shù)，對(duì)不同間隙立縫進(jìn)行擺動(dòng)電弧MAG立向上焊接。待試件冷卻至室溫后，分別對(duì)不同間隙的試件取樣，獲得焊縫橫截面金相照片，測(cè)量不同間隙焊縫的相關(guān)尺寸。

表1 工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 間隙對(duì)焊縫表面狀態(tài)的影響

圖3為不同間隙的立向焊縫表面圖。由圖可見(jiàn)，隨著間隙尺寸的增加，焊縫表面狀態(tài)逐漸變差，并且根據(jù)焊接過(guò)程的觀察，間隙尺寸越大，飛濺量逐漸增大，焊接過(guò)程穩(wěn)定性下降。

圖3 立向焊縫表面狀態(tài)圖

這是因?yàn)殡S著間隙尺寸的增加，熔池金屬填充間隙導(dǎo)致處在焊絲端部和熔池之間的電弧被壓縮，如圖4所示。短路過(guò)渡不穩(wěn)定，飛濺量增大，焊接過(guò)程穩(wěn)定性下降，當(dāng)間隙尺寸達(dá)到4 mm時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)“斷弧”現(xiàn)象。短路過(guò)渡不穩(wěn)定以及“斷弧”現(xiàn)象都會(huì)擾亂熔池內(nèi)部金屬平衡的對(duì)流換熱過(guò)程，因而在凝固成型后焊縫表面狀態(tài)逐漸下降，有時(shí)可能出現(xiàn)“咬邊”現(xiàn)象(圖5)。

圖4 間隙立向上焊電弧壓縮示意圖

另外，由于間隙的存在，氣體間隙增大，維持電弧的難度越大，焊接過(guò)程穩(wěn)定性越差，導(dǎo)致焊縫表面狀態(tài)下降。圖6為等速送絲電弧調(diào)節(jié)過(guò)程圖。由圖可知，當(dāng)電弧行走到間隙處，某一時(shí)刻短路熔滴過(guò)渡后，再引弧所需要的能量更多，因而電弧電壓升高，焊接電流下降，弧長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，如圖6中Q1點(diǎn)所示。但是，此時(shí)的電弧電壓和焊接電流并不是電弧的穩(wěn)定工作點(diǎn)，在等速送絲電弧調(diào)節(jié)的作用下，焊絲熔化速度小于送進(jìn)速度(vm

圖5 咬邊缺陷

圖6 等速送絲電弧調(diào)節(jié)過(guò)程

2.2 間隙對(duì)焊縫余高的影響

圖7為不同間隙焊縫截面金相圖片，圖8為測(cè)量得到的不同間隙下的焊縫余高。由圖7和圖8可知，隨著間隙尺寸增加，焊縫“中鼓”現(xiàn)象下降。當(dāng)間隙尺寸為0～1 mm時(shí)，焊接過(guò)程最穩(wěn)定，但是焊縫“中鼓”現(xiàn)象也最嚴(yán)重。當(dāng)間隙尺寸為1～3 mm，焊縫中鼓現(xiàn)象有所緩解。當(dāng)間隙尺寸達(dá)到3～4 mm時(shí)，焊縫中鼓程度最小，焊接過(guò)程穩(wěn)定性也最差。當(dāng)工件存在間隙時(shí)，水平方向的電弧吹力促使熔融金屬填充間隙，一定程度上緩解了焊縫中鼓現(xiàn)象。

圖7 不同間隙焊縫截面金相圖

焊接過(guò)程中熔池受到重力與熔池與空氣接觸面的表面張力合力向下的作用大于熔池與工件側(cè)壁的表面張力向上的分力，導(dǎo)致熔池在方向向下的合力作用下，沿先前成型的焊道下滑向焊縫中央?yún)R聚，因而自動(dòng)化立向上焊縫普遍會(huì)出現(xiàn)“中鼓”現(xiàn)象。此外，側(cè)壁由于沒(méi)有足夠高的熔池液態(tài)金屬貯存，冷卻凝固后表現(xiàn)為弧坑未填滿而出現(xiàn)咬邊以及表面缺損現(xiàn)象。在焊槍角度不變的前提下，增加側(cè)壁停留時(shí)間可以解決咬邊問(wèn)題，同時(shí)可以在一定程度上緩解焊縫中鼓現(xiàn)象。但停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致熔池體積過(guò)大甚至下淌。

2.3 間隙對(duì)熔深的影響

圖9為不同間隙尺寸與焊縫熔深的關(guān)系圖。由圖可知，隨著間隙尺寸的增加，側(cè)壁熔合程度總體呈下降趨勢(shì)。間隙尺寸在0～2 mm時(shí)下降程度較明顯，間隙尺寸為3 mm時(shí)，熔深略有增加，這是由于當(dāng)電弧到達(dá)根部，由于間隙的存在以及電弧的自身調(diào)節(jié)效應(yīng)迫使熔池金屬部分向間隙內(nèi)部填充，熔化金屬向間隙方向的流動(dòng)，一定程度增加了側(cè)壁熔深，當(dāng)間隙尺寸達(dá)到4 mm及以上時(shí)，熔深又有所下降，這是因?yàn)殚g隙尺寸的增加導(dǎo)致熔體流向間隙的阻力大幅降低，相比熔化金屬，流向空隙損耗的能量更低，熔化金屬趨向于沿著間隙法線方向流動(dòng)，因而側(cè)壁端板形成了有效熔深。此外，間隙造成的“斷弧”現(xiàn)象形成方向不唯一的爆炸力，爆炸力作用在熔池上，擾亂了熔池內(nèi)部平衡的對(duì)流換熱過(guò)程，加之熔池金屬有間隙填充的趨勢(shì)，導(dǎo)致在兩側(cè)壁形成的熔深不均勻。

圖9 間隙尺寸與熔深的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)機(jī)器人MAG立向上焊接過(guò)程中，隨著間隙尺寸的增加，表面狀態(tài)逐漸下降。

(2)機(jī)器人MAG立向上焊接過(guò)程中，相同焊接工藝參數(shù)下，隨著間隙尺寸的增加，焊縫“中鼓”現(xiàn)象總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(3)隨著間隙尺寸增加，焊縫側(cè)壁熔深整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)間隙尺寸達(dá)到3 mm時(shí)略有上升，可能是由于熔化金屬向間隙方向填充，對(duì)母材根部的熔化程度增加，使熔深增加。

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2016-06-21

TG441

王子然，1990年出生，碩士研究生。主要從事機(jī)器人氣保焊焊接工藝方向的研究，已發(fā)表論文1篇。