(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，鄭州 450016)

φ1.6mm焊絲在機(jī)器人焊接液壓支架結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用

蘭志宇趙旭孟賀超

(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，鄭州 450016)

液壓支架結(jié)構(gòu)件目前多采用φ1.2 mm焊絲焊接，焊接效率難以滿(mǎn)足機(jī)器人自動(dòng)化焊接的要求。對(duì)機(jī)器人使用φ1.6 mm焊絲在不同的焊接參數(shù)下的焊縫成形、力學(xué)性能以及焊接效率等方面進(jìn)行研究，并與φ1.2 mm焊絲進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，機(jī)器人使用φ1.6 mm焊絲在焊接電流為440～520 A區(qū)間內(nèi)，焊縫成形良好，幾乎沒(méi)有焊接飛濺，焊接接頭力學(xué)性能均能滿(mǎn)足要求，其中焊接電流在480～500 A區(qū)間的接頭力學(xué)性能最優(yōu)，而且焊接電流500 A的條件下焊接接頭金相組織符合預(yù)期，性能優(yōu)良，焊接效率比φ1.2 mm焊絲提高36.3%。

焊絲力學(xué)性能焊接效率

0 序 言

液壓支架結(jié)構(gòu)件一般由低合金高強(qiáng)鋼板(Q460,Q550,Q690等)拼焊而成，具有板材厚(20～60 mm)、結(jié)構(gòu)尺寸大(中型支架單個(gè)結(jié)構(gòu)件外形尺寸約為3 500 mm×1 500 mm×550 mm)、箱形結(jié)構(gòu)多、焊縫復(fù)雜、焊接變形量大等特點(diǎn)[1-5]。要求多層多道焊，層間溫度需控制在150～200 ℃內(nèi)。目前常用的焊接方法為φ1.2 mm焊絲的手工混合氣體保護(hù)焊(Ar+20%CO2)。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人被大量應(yīng)用在液壓支架結(jié)構(gòu)件的焊接中[6-7]。使用焊接機(jī)器人可以穩(wěn)定控制焊接過(guò)程中的焊接電流、電壓、擺動(dòng)幅度、運(yùn)行速度等關(guān)鍵參數(shù)，使用直徑1.6 mm焊絲采用機(jī)器人焊接能夠獲得較好的焊接質(zhì)量，且焊接效率將會(huì)得到明顯提升。文中將通過(guò)研究φ1.6 mm焊絲在液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接上的焊接工藝參數(shù)，并對(duì)比φ1.2 mm焊絲的焊接質(zhì)量、效率、成本等方面，得出在液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接上應(yīng)用φ1.6 mm焊絲的可行性。

1 試驗(yàn)方案

MAG焊焊接過(guò)程中，隨著電流增大，熔滴過(guò)渡狀態(tài)的變化是：短路過(guò)渡→大滴過(guò)渡→射流過(guò)渡；飛濺大小的變化是：小→大→??；對(duì)于φ1.2 mm 焊絲，臨界電流(由大滴過(guò)渡轉(zhuǎn)向射流過(guò)渡的電流)為320 A，對(duì)于φ1.6 mm焊絲，臨界電流為360 A；要達(dá)到穩(wěn)定的射流過(guò)渡，焊接電流需大于臨界電流[8-9]。從焊縫成形和焊接效率考慮，對(duì)于液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接生產(chǎn)，熔滴過(guò)渡方式最好使用射流過(guò)渡，焊接工藝電流需大于360 A。

表1為各組焊接工藝參數(shù)。為了試驗(yàn)不同參數(shù)下φ1.6 mm焊絲的力學(xué)性能，并與φ1.2 mm焊絲作比較，選取了φ1.6 mm焊絲電流分別為440 A,460 A,480 A,500 A,520 A共5組試驗(yàn)參數(shù)，并與焊絲電流為360 A的φ1.2 mm焊絲進(jìn)行焊縫熔深、力學(xué)性能、焊接效率等方面的對(duì)比。其中焊接力學(xué)性能試驗(yàn)選取目前液壓支架結(jié)構(gòu)件中強(qiáng)度級(jí)別較高的Q690的板材匹配ER76級(jí)別的焊絲進(jìn)行試板對(duì)接，如圖1所示。焊接工藝選取MAG多層多道焊(5層9道)，保護(hù)氣體為Ar+20%CO2，焊前預(yù)熱100～150 ℃，道間溫度控制在135～165 ℃。選取CLOOS公司的CLOOS QRH 390-E型直立式機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 不同焊接電流對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)

圖1 對(duì)接試板尺寸圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 焊縫成形對(duì)比

圖2為表1中對(duì)應(yīng)的6組焊接工藝參數(shù)條件下焊縫外觀形貌。從圖中可以看出，這6組參數(shù)下的焊縫外觀成形良好，基本沒(méi)有飛濺，說(shuō)明這6組參數(shù)的焊接工藝性均較好。

圖2 不同工藝參數(shù)下的焊縫成形形貌(右向左依次為編號(hào)1-6)

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1拉伸及彎曲試驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭分別進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，其中彎曲試驗(yàn)選取的壓頭直徑為彎曲試樣厚度的3倍。具體結(jié)果如表2所示，拉伸與彎曲試樣形貌如圖3所示。

表2 不同工藝參數(shù)焊接接頭的力學(xué)性能

圖3 部分試樣的拉伸和彎曲形貌

焊接接頭拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度要求≥760 MPa，從表2中可以看出，以上6組工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的焊接接頭拉伸和彎曲均能滿(mǎn)足要求，且對(duì)于φ1.6 mm焊絲來(lái)說(shuō)，電流在480 A和500 A下的拉伸性能優(yōu)于其他組的參數(shù)，與φ1.2 mm焊絲的拉伸性能基本相當(dāng)。

2.2.2沖擊試驗(yàn)

對(duì)6組工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的焊接接頭分別進(jìn)行焊縫中心和熔合線外1 mm處的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20 ℃，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，6組工藝參數(shù)下的焊接接頭相應(yīng)區(qū)域的沖擊吸收能量均大于要求值47 J，且以上各參數(shù)下φ1.6 mm焊絲的沖擊吸收能量與φ1.2 mm焊絲基本相當(dāng)。

表3 不同工藝參數(shù)試板的沖擊吸收能量KV J

2.2.3硬度試驗(yàn)

表4為選取的6組工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)焊接接頭的維氏硬度。6組工藝參數(shù)所用的母材均為Q690板材，平均硬度值為310 HV。由表4可以看到，6組試樣各區(qū)域的硬度值均小于要求的最大值450 HV，但整體上看，隨著焊接電流的增大，φ1.6 mm焊絲的焊縫和熱影響區(qū)的硬度均有增大的趨勢(shì)，且電流在500 A以下時(shí)，焊縫的硬度均小于母材，熱影響區(qū)的硬度也遠(yuǎn)小于要求的最大值。而電流大于500 A時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)的硬度將會(huì)顯著增大，當(dāng)電流達(dá)到520 A時(shí)，熱影響區(qū)的最高硬度最大值達(dá)到445.6 HV，接近要求硬度的上限值。

表4 6組工藝參數(shù)的硬度測(cè)試結(jié)果(HV10)

2.2.4金相分析

圖4和圖5為4號(hào)試樣(φ1.6 mm焊絲電流500 A)下的焊接接頭宏微觀組織形貌。從圖4可以看出，采用φ1.6 mm焊絲焊接電流在500 A的條件下，接頭焊縫熔合情況良好，有較好的對(duì)稱(chēng)性，無(wú)宏觀焊接缺欠。從圖5中可以看出，4號(hào)試樣接頭組織中的焊縫區(qū)組織為貝氏體+鐵素體，焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)組織為馬氏體+貝氏體，不完全相變區(qū)組織為馬氏體+貝氏體+鐵素體，母材組織為回火索氏體。

圖4 4號(hào)試樣焊縫截面宏觀金相

圖5 4號(hào)試板焊接接頭顯微組織

總的來(lái)說(shuō)，4號(hào)試樣的焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷于焊縫，抗拉強(qiáng)度827 MPa，接頭彎曲性能良好(側(cè)彎d=3a，α=180°)，焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)-20 ℃下沖擊吸收能量KV分別達(dá)到79 J和68 J，焊接接頭的最高硬度位于熱影響區(qū)，最大值為414.8 HV。這表明采用φ1.6 mm焊絲焊接電流在500 A的條件下，接頭的焊接質(zhì)量良好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良，能夠滿(mǎn)足液壓支架結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和使用要求。

3 焊接效率分析

φ1.2 mm焊絲和φ1.6 mm焊絲在各焊接參數(shù)下的效率見(jiàn)表5。可以看出，機(jī)器人使用φ1.6 mm焊絲在500 A電流條件下每小時(shí)的熔敷焊絲量可達(dá)到8.71 kg/h，比使用φ1.2 mm焊絲360 A條件下的熔敷焊絲量6.39 kg/h提高36.3%。車(chē)間批量采用φ1.6 mm焊絲的新工藝后，效果顯著，焊接機(jī)器人的焊接效率得到了極大提高，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表5 不同參數(shù)下的焊接效率對(duì)比表

4 結(jié) 論

(1)機(jī)器人使用直徑1.6 mm的焊絲在焊接電流440～520 A區(qū)間內(nèi)，焊縫成形良好，幾乎沒(méi)有飛濺；焊接接頭力學(xué)性能均能滿(mǎn)足要求，其中焊接電流在480～500 A區(qū)間的焊接接頭力學(xué)性能最優(yōu)。

(2)機(jī)器人使用直徑1.6 mm焊絲在焊接電流500 A的條件下焊縫金相組織符合預(yù)期，焊接接頭具有良好的性能，且焊接效率比使用直徑1.2 mm焊絲提高約36.3%。

[1] 趙 旭,蘭志宇,孟賀超. 液壓支架立柱窄間隙環(huán)焊線速度研究[J]. 熱加工工藝,2017,46(17):243-245.

[2] 王春華,劉 燦. 液壓支架掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板焊接變形的數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝,2016,45(9):229-233.

[3] 張明銘,李鵬偉,楊志勇,等. 鋁擠壓型材表面粗晶對(duì)焊接熱裂紋的影響[J]. 焊接,2013(12):43-46，70-71.

[4] 方臣富,吳文烈,劉 川,等. 基于固有應(yīng)變法預(yù)測(cè)雙絲CO2氣體保護(hù)焊液壓支架頂梁變形[J]. 焊接學(xué)報(bào),2013,34(11):1-4，113.

[5] 孟曉輝. 液壓支架頂梁焊接變形控制研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[6] 馮占淼,李臣陽(yáng),趙快樂(lè). 液壓支架焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 焊接技術(shù), 2013(11): 3-6.

[7] 任懷偉. 液壓支架機(jī)器人智能焊接生產(chǎn)線研發(fā)與應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2017(5): 16-21.

[8] 劉恩亮.φ1.2和φ1.6焊絲焊接中厚板綜合效率的對(duì)比[J]. 裝備制造技術(shù)，2009(12): 117-119.

[9] 齊志龍,李 科,孫佳男,等. CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡熔滴尺寸的研究[J]. 焊接,2016(11): 34-37.

TG444

2017-02-07

河南省重大科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(161100211300)

蘭志宇,1987年出生，碩士研究生，工程師。主要研究方向?yàn)楦邚?qiáng)鋼和機(jī)器人焊接技術(shù)及工藝，已發(fā)表論文3篇。