葛佳棋,萬升云,湯旭祥,鐘奎,邵戧,盧永建
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熔化極氣體保護焊(GMAW)是一種利用連續(xù)送進的焊絲與工件間產(chǎn)生的電弧作為熱源將金屬熔化的焊接方法,其焊接效率高、焊縫質(zhì)量好,在軌道交通裝備的生產(chǎn)制造中獲得廣泛的應(yīng)用。目前,軌道車輛碳素鋼、不銹鋼車體及轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)件的焊接主要以氣體保護焊工藝為主[1]。
熔化極氣體保護焊的焊接參數(shù),如焊接電流、電弧電壓、干伸長等均會影響到焊縫成形,探索焊接參數(shù)的變化與焊縫成形之間的關(guān)系,對提高焊工焊接水平,提升工藝制定的合理性有重要意義。本文采用機器人自動焊開展堆焊工藝試驗,試驗以單因素變化的形式進行,即在其他焊接參數(shù)固定的條件下,分別改變焊接電流、電弧電壓和焊絲干伸長進行試驗,以獲得不同焊接參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律。
試驗?zāi)覆臑镼 2 3 5 B 低碳鋼板,尺寸為300mm×150mm×6mm,焊接材料選用ER50-6、φ1.2m m低合金鋼焊絲,母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。保護氣體為80%Ar+20%CO2,氣體流量為
表1 試驗用母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)
15L/min。焊前采用角磨機將鋼板表面氧化層打磨干凈,確保無銹及其他污染物。焊接設(shè)備為薩福MIG/MAG焊機,型號OPTIPULS380IW,搭載KR16-2庫卡機器人進行自動焊。采用單因素變化方法進行焊接,焊后采用游標卡尺每隔10mm測量焊縫余高及寬度,然后取平均值,如圖1所示,并在焊縫中心處制作焊縫橫截面金相試樣,測量并記錄熔深。
圖1 測量焊縫余高及寬度位置
通過機器人示教器設(shè)置以下參數(shù):電弧電壓21V,焊絲干伸長15mm,焊接速度0.36m/min,焊接電流在180~220A內(nèi)每10A增加一次,不同焊接電流下的焊縫成形如圖2所示,焊縫尺寸隨焊接電流變化趨勢如圖3所示。
圖2 不同焊接電流下的焊縫成形
由圖2、圖3可看出,隨著焊接電流的增加,電弧的穿透力增加,熱源位置下移,造成熔深逐漸增大,因此可認為熔深與焊接電流成正比關(guān)系;同時,電流增大后,焊絲熔化量成比例增多,液態(tài)金屬在鋼表面的潤濕鋪展性能變好,焊縫寬度逐漸變大,而焊縫余高基本無變化。
圖3 焊縫尺寸隨焊接電流變化趨勢
然而,當焊接電流過大且與電弧電壓不匹配時,會造成焊絲送絲速度過快,焊絲熔化速度趕不上送絲的速度,焊槍容易出現(xiàn)頂絲現(xiàn)象,以及電弧聲音過于尖銳,從而導(dǎo)致焊縫成形較差。
將焊接電流設(shè)置為1 9 0 A,焊絲干伸長為15mm,焊接速度0.36m/min,電弧電壓在19.5~22.5V內(nèi)逐步增加,不同電弧電壓下的焊縫成形如圖4所示,焊縫尺寸隨電弧電壓的變化趨勢如圖5所示。
由圖4、圖5可知,隨著電弧電壓的增加,電弧功率加大,工件熱輸入增大,同時弧長變長,分布半徑增大,焊縫寬度顯著增加,而由于焊絲熔敷量不變,所以焊縫余高和熔深略微下降。當電弧電壓過大,超過與焊接電流的正常匹配范圍時,焊接過程變得不穩(wěn)定。電弧聲音變得沙啞,焊絲熔化較快,送絲速度跟不上熔化速度,因此焊接完成時焊絲尖端通常熔化成球滴狀后凝固,嚴重時容易導(dǎo)致導(dǎo)電嘴的燒損。
圖5 焊縫尺寸隨電弧電壓的變化趨勢
在保證焊接電流、電弧電壓和焊接速度不變的條件下,通過增加導(dǎo)電嘴到工件的距離(CTWD)來增加焊絲干伸長,以觀察焊縫成形的變形規(guī)律。電弧電壓設(shè)置為18V,焊接電流設(shè)置為150A,焊接速度為0.36m/min,干伸長在15~35mm內(nèi)每5mm增加一次。不同干伸長時的焊縫成形如圖6所示,焊縫尺寸隨干伸長的變化趨勢如圖7所示。
由圖6、圖7可知,由于氣體保護焊焊機為恒壓(CV)電源,當干伸長增加時,回路中負載電阻增加導(dǎo)致實際的焊接電流下降,熔深逐漸減小,同時由于電弧力的下降,導(dǎo)致焊接熱輸入降低,熔池金屬的流動性減弱,導(dǎo)致焊縫寬度逐漸變小而余高逐漸增加。當干伸長增大到25mm后,焊槍過高,氣體保護效果變差,焊接過程不穩(wěn)定,飛濺增加,因此在焊縫表面出現(xiàn)明顯氣孔。
圖6 不同干伸長時的焊縫成形
圖7 焊縫尺寸隨干伸長的變化趨勢
在焊接生產(chǎn)中,穩(wěn)定的焊接過程是保證焊縫質(zhì)量、減少焊后清理工作量的前提,因此焊接時通常會選擇一個合適的焊槍高度以維持焊絲干伸長。這樣既可保證氣體保護效果,又能維持穩(wěn)定連續(xù)的焊接,而不去具體考慮焊絲干伸長對焊絲熔敷速率的影響。
目前,國內(nèi)外已有不少學(xué)者針對干伸長與焊絲熔敷速率/焊絲送絲速度之間的關(guān)系開展了相關(guān)研究。韓國學(xué)者研究表明[2,3],提高焊接過程中導(dǎo)電嘴與工件之間的距離(CTWD)或提高焊絲干伸長可增加焊絲的熔敷速率,但同時可能會引起送絲的不穩(wěn)定,且會影響氣體保護效果,造成焊縫質(zhì)量的下降。研究結(jié)果還表明,提高焊絲干伸長后焊絲的送絲速度和熔敷速率也隨之增加。TITI C D等[4]針對導(dǎo)電嘴與工件間距離(CTWD)對焊縫成形的影響開展了基礎(chǔ)研究。研究結(jié)果表明,隨著工件間距離(CTWD)的增加,焊接時焊絲的消耗速度明顯上升。國內(nèi)也有研究表明[5],氣體保護焊過程中隨著焊絲干伸長的增加,焊絲受到的電阻熱增加,導(dǎo)致焊絲熔敷速率加快,單位時間內(nèi)過渡到熔池的焊絲金屬增多。
通過改造后的焊槍噴嘴驗證干伸長與焊絲熔敷速率之間的關(guān)系,延長噴嘴長度,使得在提高焊槍高度、增加焊絲干伸長的同時,保證焊接過程中氣體保護的效果。干伸長分別設(shè)定為15mm、35mm和55mm,焊接速度為0.45m/min,保護氣體流量為20L/min。由于干伸長的增加,焊前在焊機上設(shè)置的焊接參數(shù)與焊接時實際的工藝參數(shù)有較大差異,因此焊前要進行焊接參數(shù)的調(diào)節(jié),使得3種干伸長條件下實際的電弧電壓與焊接電流基本一致,以觀察焊縫成形情況,焊接參數(shù)設(shè)置見表2,各干伸長條件下焊縫橫截面如圖8所示。通過在較大數(shù)值范圍內(nèi)增加干伸長,可發(fā)現(xiàn)堆焊焊縫橫截面積顯著增加,而3條焊縫的焊接速度一致,則說明隨著干伸長的增加,焊絲的送絲速度以及熔敷速率隨之增加。
表2 不同干伸長條件下的焊接參數(shù)設(shè)置
圖8 不同干伸長條件下的焊縫橫截面形貌
基于此規(guī)律,焊接生產(chǎn)中制定工藝規(guī)程時,可在確保氣體保護良好的前提下適當提高焊槍高度,或通過改造焊槍噴嘴結(jié)構(gòu)來獲得較高的焊絲熔敷速率,進而使提高焊接速度成為可能。
1)焊接電流的增加可提高電弧的穿透力,使熱源位置下移,增加焊縫熔深,同時熔池尺寸的變大使焊縫寬度顯著增加,而余高無明顯變化。
2)電弧電壓的增加,使得電弧分布半徑增大,焊縫寬度顯著增加,而由于焊絲熔敷量基本不變,所以焊縫熔深和余高呈略微下降趨勢。
3)干伸長的增加會顯著降低實際的焊接電流,因而焊縫的熔深會降低,焊縫寬度逐漸變小,余高逐漸增加。
4)通過調(diào)整焊前參數(shù)的設(shè)置,使得焊接過程中實際焊接電流、電弧電壓維持不變時,干伸長的增加可顯著提高焊絲的熔敷速率。