周坤，程爽，黃思俊，譚明，徐慶俠

(1．中國(guó)船柴(大連)柴油機(jī)有限公司，遼寧 大連116113;2．大連造船廠工具實(shí)業(yè)公司，遼寧大連116113;3．北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司，北京100176;4．揚(yáng)州誠(chéng)德重工有限公司，江蘇 揚(yáng)州225119)

0 前言

隨著產(chǎn)品的多元化發(fā)展，以及客戶對(duì)焊接質(zhì)量要求和焊接自動(dòng)化水平的內(nèi)在需求，自動(dòng)化焊接設(shè)備的應(yīng)用已成趨勢(shì)所需［1］。國(guó)外自動(dòng)焊接小車針對(duì)性強(qiáng)，主要是專用立角焊小車和軌道式立焊小車。全位置自動(dòng)焊接小車在十多年前從國(guó)外引進(jìn)，目前已開(kāi)始國(guó)產(chǎn)化制造，但主要以硬質(zhì)軌道為主。全位置自動(dòng)焊接小車已在國(guó)內(nèi)造船行業(yè)使用，目前已有用于DH36級(jí)高強(qiáng)鋼的平對(duì)接接頭，但大部分還只用于造船分段中大平直角焊縫薄板的焊接，其焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，既能擺動(dòng)焊接還可全位置焊接，不僅提高焊接效率，同時(shí)降低焊工勞動(dòng)強(qiáng)度［2］。通過(guò)Auto SK-MW全位置擺動(dòng)式自動(dòng)焊接小車在船用柴油機(jī)大厚度T形對(duì)接接頭擺動(dòng)式立焊試驗(yàn)和應(yīng)用，研究其工藝及難點(diǎn)，為提升公司產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和效率以及降低制造成本提供了工藝基礎(chǔ)，并為其它產(chǎn)品制造中的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 全位置焊接小車特點(diǎn)

圖1 Auto SK-MW全位置擺動(dòng)式自動(dòng)焊接小車

Auto SK-MW全位置擺動(dòng)式自動(dòng)焊接小車如圖1所示，可廣泛應(yīng)用于平對(duì)接、T形對(duì)接、角焊縫，同時(shí)配置柔性軌道可實(shí)現(xiàn)曲面對(duì)接、曲面角接焊縫。焊槍夾持機(jī)構(gòu)可沿平行于焊接方向和垂直于焊接方向偏轉(zhuǎn)一定角度，既可實(shí)現(xiàn)立焊時(shí)焊槍仰角控制，也可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)式焊接。焊接擺動(dòng)器的無(wú)間隙傳動(dòng)可保證焊槍擺動(dòng)的精確度［3－4］。導(dǎo)軌采用柔性軌道，長(zhǎng)度根據(jù)需要進(jìn)行定制，配備ND磁性開(kāi)關(guān)吸盤(pán)及插接口［5］，安裝拆卸方便，以滿足不同位置焊接需求。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)材料

在擺動(dòng)式全位置焊接小車正式應(yīng)用于生產(chǎn)前，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。接頭采用生產(chǎn)中涉及最多的開(kāi)有K形坡口的T形對(duì)接接頭，如圖2所示。板材采用Q235鋼，厚度均為30 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用CO2氣體保護(hù)焊，使用Φ1．4 mm藥芯焊絲，焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 焊接試驗(yàn)接頭形式

表1 Q235鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)

2．2 焊接試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

焊接試驗(yàn)共有3個(gè)方案，方案1為初始試驗(yàn)，方案2和方案3是在方案1的結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行不同參數(shù)匹配對(duì)比試驗(yàn)。焊接試驗(yàn)方案1的工藝參數(shù)見(jiàn)表3(擺動(dòng)模式3指鋸齒形擺動(dòng))，焊道成形如圖3所示。從圖3a可以看出，每個(gè)焊道擺動(dòng)形成的瓣?duì)钪g有明顯的過(guò)渡凹槽。同時(shí)從圖3b可見(jiàn)，各焊道之間過(guò)渡凸起也較大，焊道之間熔合性較差。焊后超聲波無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊道之間有大量未熔合缺陷，因此該試驗(yàn)工藝參數(shù)焊接質(zhì)量差。試驗(yàn)方案2和方案3焊縫外觀成形如圖4所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析并結(jié)合純手工半自動(dòng)焊接試驗(yàn)結(jié)果，排除了左、右停止時(shí)間(即擺動(dòng)到左、右端點(diǎn)處的停留時(shí)間)及擺動(dòng)寬度、電流、電壓的影響，因此針對(duì)行走速度和擺動(dòng)速度兩參數(shù)制定了不同匹配下的焊接試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)方案1的工藝參數(shù)

圖3 試驗(yàn)方案1的焊縫形貌

圖4 試驗(yàn)方案2和試驗(yàn)方案3的焊縫形貌

表4 試驗(yàn)方案2和試驗(yàn)方案3的工藝參數(shù)

對(duì)比圖4可以看出，大行走速度匹配小擺動(dòng)速度時(shí)，焊道擺動(dòng)形成的瓣?duì)罱惶婢鶆蛞?guī)則，但凸凹較大;小行走速度匹配大擺動(dòng)速度時(shí)，焊道擺動(dòng)形成的瓣?duì)钔瑯咏惶婢鶆蛞?guī)則，但凸凹幾乎沒(méi)有，整個(gè)焊道致密美觀，超聲波無(wú)損檢測(cè)沒(méi)有未熔合等缺陷，唯一不足是有明顯的間斷鼓肚流掛趨勢(shì)。該試驗(yàn)方案對(duì)比證明了相對(duì)小的行走速度匹配相對(duì)大的擺動(dòng)速度可獲得明顯的致密美觀焊縫，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化并確定最終焊接應(yīng)用工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 焊接生產(chǎn)工藝

結(jié)合焊接方案2和方案3的結(jié)果，通過(guò)進(jìn)一步工藝參數(shù)優(yōu)化和裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的焊接生產(chǎn)。焊接應(yīng)用工藝參數(shù)見(jiàn)表5，焊縫外觀成形如圖5所示。由圖5可以看出，焊道擺動(dòng)形成的瓣?duì)罱惶婢鶆蛞?guī)則，無(wú)凸凹現(xiàn)象，焊道與母材間過(guò)渡良好，整個(gè)焊道致密美觀，表面沒(méi)有立焊形成的鼓肚流掛現(xiàn)象。超聲波無(wú)損檢測(cè)沒(méi)有未熔合等缺陷，檢測(cè)結(jié)果符合要求。

表5 焊接應(yīng)用工藝參數(shù)

圖5 焊縫形貌

3．2 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)DNV GL船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，其中規(guī)定沖擊吸收能量最低值為27 J。試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6～7。

表6 拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果(0℃) J

4 工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化

4．1 焊帶夾持裝置設(shè)計(jì)

小車在立焊位置爬高過(guò)程中，隨著小車位置的提升，焊帶懸空的長(zhǎng)度和重量不斷增加，導(dǎo)致焊槍夾持裝置承受重量超載，使得焊槍擺動(dòng)穩(wěn)定性變差，焊道成形不良，如圖6～7所示。針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)支桿，將焊帶重量轉(zhuǎn)移至支桿，同時(shí)合理設(shè)計(jì)支桿位置及焊帶彎曲方式以保證出絲順暢。

圖6 高位擺動(dòng)式立焊焊縫外觀

圖7 焊帶夾持裝置設(shè)計(jì)

4．2 導(dǎo)軌改造

當(dāng)小車導(dǎo)軌吸附在腹板上對(duì)T形對(duì)接接頭進(jìn)行橫焊時(shí)，小車主體雖采用鋁合金結(jié)構(gòu)，但整體自重較大且懸空，導(dǎo)致兩吸盤(pán)之間的導(dǎo)軌剛度不足，使焊縫整體呈“S”形，如圖8所示。針對(duì)此問(wèn)題，合理優(yōu)化吸盤(pán)間距并定制導(dǎo)軌，同時(shí)合理設(shè)計(jì)導(dǎo)軌兩端下吸盤(pán)至導(dǎo)軌端部距離，確保兩導(dǎo)軌接頭處剛度。

圖8 “S”形焊縫外觀

5 結(jié)論

(1)通過(guò)全位置擺動(dòng)式自動(dòng)焊接小車焊接試驗(yàn)，立焊時(shí)采用小的行走速度(17～18 mm/min)匹配大的擺動(dòng)速度(36～38 r/min)，焊道擺動(dòng)形成的瓣?duì)罱惶婢鶆蛞?guī)則，整個(gè)焊道致密美觀，幾乎沒(méi)有凸凹，超聲波無(wú)損檢測(cè)沒(méi)有未熔合等缺陷，唯一不足是有明顯的間斷鼓肚流掛趨勢(shì)。

(2)通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化確定了小車實(shí)際焊接應(yīng)用的工藝參數(shù)匹配，填充焊道行走速度24～26 mm/min匹配合適的擺動(dòng)速度、蓋面焊道行走速度20～22 mm/min匹配合適的擺動(dòng)速度，焊縫外觀成形、力學(xué)性能及無(wú)損檢測(cè)結(jié)果均滿足要求。

(3)通過(guò)設(shè)計(jì)焊帶夾持裝置及優(yōu)化導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，保證了焊縫外觀質(zhì)量。