侯仰強(qiáng) 王天琪 李亮玉 李天旭 劉曉輝

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)

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擺焊參數(shù)對焊縫成形的影響分析

侯仰強(qiáng) 王天琪 李亮玉 李天旭 劉曉輝

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)

采用擺焊工藝對3 mm厚的普通低碳鋼進(jìn)行了焊接，并對擺焊參數(shù)的改變對焊縫成形的影響進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)施了3組不同焊縫寬度的寬焊縫焊接試驗(yàn)。 結(jié)果表明，擺動(dòng)模式對焊縫形狀的影響不明顯，隨著周期擺動(dòng)長度的增大，焊縫在水平方向上的間隙逐漸增大，適當(dāng)增大周期擺動(dòng)寬度可增大焊縫寬度，擺動(dòng)停頓距離應(yīng)控制在4 mm以內(nèi)，否則會(huì)出現(xiàn)焊縫塌陷現(xiàn)象。所設(shè)計(jì)的3組寬焊縫焊接參數(shù)，其焊縫成形良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，滿足寬焊縫焊接要求。

寬焊縫 擺焊 焊縫形狀 焊接參數(shù)

0 序 言

隨著交通運(yùn)輸、石油產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在一些汽車、石油管道的焊接加工中，存在著寬焊縫焊接的問題[1-2]。傳統(tǒng)的解決方法是依靠焊工在進(jìn)行焊接操作時(shí)，以一定的周期、一定的擺動(dòng)軌跡進(jìn)行擺動(dòng)焊接，典型的擺動(dòng)軌跡有月形、栗形、三角形等[3-4]。通過擺動(dòng)操作，除了能夠防止產(chǎn)生咬邊、焊瘤、夾渣等焊縫缺陷外，還對進(jìn)行橫焊、立焊、仰焊及單面焊雙面成形有良好的作用[5-6]。目前，焊接擺動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)擺焊的功能；另一方面弧焊機(jī)器人逐漸得到普及，特別是近十幾年來由于世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市場的激烈競爭使那些用于大中批量生產(chǎn)的焊接自動(dòng)化專機(jī)已不能適應(yīng)小規(guī)模、多品種的生產(chǎn)模式，逐漸被具有柔性的焊接機(jī)器人代替，焊接已成為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最大的領(lǐng)域之一[7-8]。因此，為了滿足焊接工藝對焊縫寬度控制的要求，提高焊縫層間及表面的焊接質(zhì)量，減少焊接缺陷的產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。要求焊接機(jī)器人除了能夠直線焊接外，還應(yīng)具有擺焊的功能[9]。經(jīng)過近幾年的研發(fā)，一些著名的電焊機(jī)生產(chǎn)廠家，如福尼斯、威特力、東升焊機(jī)等，已經(jīng)開發(fā)出了多種能夠?qū)崿F(xiàn)擺焊功能的電焊機(jī)及自動(dòng)焊接設(shè)備，配合弧焊機(jī)器人末端執(zhí)行器的擺動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬焊縫擺焊的焊接要求[10-11]。

針對弧焊機(jī)器人擺焊系統(tǒng)，影響焊縫形狀的因素除了焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲傾角等參數(shù)[12-13]，擺焊參數(shù)也對焊縫成形產(chǎn)生了重要的影響。文中采用經(jīng)典的單一變量控制理論對普通低碳鋼板進(jìn)行焊接，在控制焊接電流、焊接電壓等焊接參數(shù)一致的前提下，通過改變擺動(dòng)模式、周期擺動(dòng)長度、周期擺動(dòng)寬度以及擺動(dòng)停頓距離等，來觀察焊縫形態(tài)的不同，以此探究擺焊參數(shù)對焊縫成形的影響。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)施了3組不同焊縫寬度的寬焊縫焊接試驗(yàn)，觀察其焊縫成形情況。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

文中采用的擺焊試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，電焊機(jī)采用的是福尼斯的CMT 4000R型焊機(jī)，機(jī)器人采

圖1 擺焊試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

用的是ABB的IRB2600型六自由度工業(yè)機(jī)器人。電焊機(jī)與機(jī)器人通過DeviceNet進(jìn)行通訊，DeviceNet是一個(gè)基于CAN的開放系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是體積小并且高度模塊化，可以簡單緊湊地將其安裝在標(biāo)準(zhǔn)C型滑軌內(nèi)，而且不需在連接端子之間添加任何連接件而直接連接執(zhí)行器和傳感器。CMT4000R型焊機(jī)是一款性能卓越的焊接設(shè)備，它采用先進(jìn)的CMT焊接技術(shù)，不僅可以降低熱輸入量，并且與脈沖MIG 焊相比較而言，焊絲熔化率提高且焊縫成形美觀。對于擺焊參數(shù)設(shè)置可以通過與其連接的ABB機(jī)器人的示教器進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便快捷。

1.2 試驗(yàn)材料

焊接母材為3 mm厚的普通低碳鋼，焊絲選用牌號為ER50-6的G3Si1焊絲，焊絲直徑為1.2 mm。母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。保護(hù)氣體成分為CO2(18%)+Ar(82%)，保護(hù)氣流量為20 L/min。

1.3 焊接工藝參數(shù)

在進(jìn)行擺動(dòng)焊接試驗(yàn)時(shí)，除了常規(guī)焊接參數(shù)，例如焊接電流、焊接電壓等會(huì)對焊縫成形產(chǎn)生影響外，擺動(dòng)模式、擺動(dòng)長度以及擺動(dòng)寬度等也會(huì)影響焊接過程。為了探究擺動(dòng)參數(shù)對焊縫成形的影響，將焊接常規(guī)參數(shù)作為固定參數(shù)，通過改變擺焊相關(guān)參數(shù)來觀察焊縫成形的影響規(guī)律。經(jīng)過前期常規(guī)焊接參數(shù)對焊縫成形影響規(guī)律的研究，最終確定的常規(guī)焊接優(yōu)化參數(shù)見表2，采用CMT工藝進(jìn)行焊接。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

1.4 擺焊參數(shù)及編程

在確定焊接材料和焊接工藝參數(shù)之后，需要對焊接機(jī)器人進(jìn)行弧焊編程，文中用到的試驗(yàn)系統(tǒng)編程語句和普通的弧焊指令相同，其基本格式為：

ArcL,p1,v100,seam1,weld1weave:=wv1,fine,gun1其中,ArcL是焊接指令關(guān)鍵字，相當(dāng)于機(jī)器人編程中的MoveL；seam1用來定義起弧和收弧時(shí)的焊接參數(shù)，通常有保護(hù)氣管路的預(yù)充氣時(shí)間、收弧時(shí)的回?zé)?、保護(hù)氣的吹氣時(shí)間等；p1用來定義目標(biāo)點(diǎn)的位置；v100用來定義機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度為100 mm/s；weld1用來定義焊縫的焊接參數(shù)，通常有焊接速度、焊接電壓、送絲速度等；weave:=wv1用來定義擺焊的相關(guān)參數(shù)，也是文中研究的重點(diǎn)，通常有擺動(dòng)模式、擺動(dòng)一個(gè)周期的長度、擺動(dòng)一個(gè)周期的寬度以及擺動(dòng)停頓距離等，擺焊具體參數(shù)如圖2所示，圖中L表示擺焊擺動(dòng)一個(gè)周期的長度;W表示擺動(dòng)一個(gè)周期的寬度;L1表示擺動(dòng)到左邊時(shí)的停頓距離;L2表示擺動(dòng)到中心點(diǎn)時(shí)的停頓距離;L3表示擺動(dòng)到右邊時(shí)的停頓距離；gun1同機(jī)器人的Move指令一樣，定義了焊槍的TCP等參數(shù)。

圖2 擺焊參數(shù)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 擺動(dòng)模式對焊縫成形的影響

為了研究擺焊參數(shù)中擺動(dòng)模式對焊縫成形的影響，排除其他參數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果的干擾，故將其他參數(shù)設(shè)置成相同的合適值，其具體試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 擺動(dòng)模式試驗(yàn)參數(shù)

得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖中序號與試驗(yàn)序號一一對應(yīng)，其中圖3a,3b,3c為一組，圖3d,3e,3f為一組，分別進(jìn)行比較。由試驗(yàn)結(jié)果可知，圖3a,3b,3c三種擺動(dòng)模式所得到的焊縫寬度差別不大，焊縫的輪廓形狀也相似；圖3d,3e,3f這一組進(jìn)行比較，可以看到V字形擺動(dòng)圖3e時(shí)，其得到的焊縫寬度比另外兩種略大，其余兩種所得到的焊縫形狀差別不大。總體而言，擺動(dòng)模式對焊縫成形的影響不大，在進(jìn)行寬焊縫焊接時(shí)可以適當(dāng)選取。

圖3 改變擺動(dòng)模式試驗(yàn)結(jié)果

2.2 改變周期長度對焊縫成形的影響

運(yùn)用控制變量理論，將擺動(dòng)周期長度作為單一變量，進(jìn)一步探究其對焊縫形狀的影響。得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出隨著周期長度的改變，焊縫截面形狀也發(fā)生了明顯的改變，但焊縫寬度沒有發(fā)生變化。 隨著周期長度的增大，焊縫形狀在水平方向上的間隙逐漸增大，可見在寬焊縫焊接時(shí)其周期擺動(dòng)長度不易過大，應(yīng)控制在6 mm以下。其對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表4。

圖4 改變周期長度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)序號擺動(dòng)模式周期長度L/mm周期寬度W/mm左邊停頓距離L1/mm中心點(diǎn)停頓距離L2/mm右邊停頓距離L/mm2-1鋸齒形341112-2鋸齒形641112-3鋸齒形941112-4鋸齒形1241112-5鋸齒形1841112-6鋸齒形244111

mm以下。

2.3 改變周期寬度對焊縫成形的影響

探究改變擺動(dòng)周期寬度對焊縫形狀的影響，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)參數(shù)見表5。

表5 改變周期寬度試驗(yàn)參數(shù)

得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出擺動(dòng)周期寬度在14 mm以內(nèi)時(shí)，隨著周期寬度的增大，焊縫寬度也隨之增大，周期寬度為14 mm和周期寬度為18 mm的焊縫寬度差別不大，但是焊縫形狀不同，可見在寬焊縫焊接時(shí)可適當(dāng)增大周期寬度，來增大焊縫寬度。

圖5 改變周期寬度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 改變停頓距離對焊縫成形的影響

停頓距離包括左邊停頓距離、中心點(diǎn)停頓距離和右邊停頓距離，為了分別探究其對焊縫成形的影響，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)，其具體試驗(yàn)參數(shù)見表6。

得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其圖中序號與試驗(yàn)序號一一對應(yīng)，圖6h為對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果背面照片。將圖6b、圖6c與圖6a進(jìn)行比較來分析左邊停頓距離對焊縫成形的影響，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著左邊停頓距離的增加，焊縫形狀在水平方向上的間隙逐漸減小，但焊縫寬度沒有發(fā)生變化，當(dāng)左邊停頓距離為7 mm時(shí)，出現(xiàn)了明顯的焊縫塌陷現(xiàn)象。將圖6d、圖6e與圖6a進(jìn)行比較來分析中心點(diǎn)停頓距離對焊縫成形的影響，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著中心點(diǎn)停頓距離的增加，焊縫形狀在水平方向上的間隙逐漸減小，且減小速度明顯比左邊停頓距離增加導(dǎo)致焊縫形狀在水平方向間隙減小的要快，當(dāng)中心點(diǎn)停頓距離為4 mm和7 mm時(shí)，均出現(xiàn)了焊縫塌陷現(xiàn)象，且中心點(diǎn)停頓距離為7 mm時(shí)，塌陷現(xiàn)象更加明顯。將圖6f、圖6g與圖6a進(jìn)行比較來分析右邊停頓距離對焊縫成形的影響，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著右邊停頓距離的增加，焊縫形狀在水平方向上的間隙略有減小，但焊縫寬度沒有發(fā)生變化，當(dāng)右邊停頓距離為7 mm時(shí)，出現(xiàn)了明顯的焊縫塌陷現(xiàn)象。可見，左邊停頓距離、中心點(diǎn)停頓距離和右邊停頓距離都對焊縫形狀產(chǎn)生了明顯的影響，在進(jìn)行寬焊縫焊接時(shí)，三者的長度不應(yīng)過大，應(yīng)在4 mm以內(nèi)為宜。

表6 改變停頓距離試驗(yàn)參數(shù)

2.5 綜合應(yīng)用

綜合以上各擺焊參數(shù)對焊縫形狀的影響，設(shè)計(jì)了幾種不同焊縫寬度的寬焊縫焊接參數(shù)，其具體參數(shù)見表7。

得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其圖中序號與試驗(yàn)序號一一對應(yīng)。所得到的焊縫寬度從上到下依次為10 mm,14 mm以及17 mm，焊縫上所呈現(xiàn)的褐色物質(zhì)，為焊絲表面熔敷物質(zhì)受熱熔化滴落到焊縫上，然后遇冷凝固所致。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫成形良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，符合寬焊縫焊接的要求。

圖6 改變停頓距離試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)序號擺動(dòng)模式周期長度L/mm周期寬度W/mm左邊停頓距離L1/mm中心點(diǎn)停頓距離L2/mm右邊停頓距離L/mm5-1鋸齒形1．0160．20．30．25-2鋸齒形1．5200．50．50．55-3V字形1．0240．30．30．3

圖7 寬焊縫焊接試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)采用擺焊工藝對3 mm厚的普通低碳鋼進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，擺焊模式的改變對焊縫形狀的影響不明顯；隨著周期長度的增大，焊縫水平方向上的間隙逐漸增大，為了獲得良好的焊縫形狀，擺動(dòng)周期長度應(yīng)控制在6 mm以內(nèi)；增加擺動(dòng)周期寬度可增大焊縫寬度，擺動(dòng)停頓距離應(yīng)控制在4 mm以內(nèi)，否則會(huì)出現(xiàn)焊縫塌陷現(xiàn)象。

(2)綜合擺焊各參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了幾組不同焊縫寬度的寬焊縫焊接參數(shù)并進(jìn)行了焊接。結(jié)果表明，焊

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縫成形良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，符合寬焊縫焊接的要求。

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2016-12-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1333128)；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(14ZCDZGX00802，15ZCZDGX00300)。

TG444

侯仰強(qiáng)，1991年出生，碩士研究生。主要從事焊接機(jī)器人方面研究，已發(fā)表論文5篇。