[摘 要]文章探討了全自動氬弧焊在異形焊接件中的應用及其優(yōu)越性。通過系統(tǒng)設計、工藝分析、試驗驗證及案例研究，全面評估了全自動氬弧焊在復雜形狀和多種材質(zhì)組合工件中的應用效果。結(jié)果表明，合理的工藝參數(shù)和路徑規(guī)劃，結(jié)合實時監(jiān)測和精確控制，能夠顯著提高焊接質(zhì)量，滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高效、穩(wěn)定焊接的需求。盡管面臨設備成本高、編程復雜等挑戰(zhàn)，但全自動氬弧焊在異形件焊接中的應用前景廣闊。

[關(guān)鍵詞]全自動氬弧焊；異形焊接件；焊接工藝；焊接質(zhì)量控制；試驗驗證

[中圖分類號]TG444.74 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0136–03

Research on the Application of Fully Automatic Argon Arc Welding in Irregular Welding Parts

ZHAO Jianxin，SUN Jia，F(xiàn)ENG Ping

[Abstract]This study explores the application and superiority of fully automatic argon arc welding technology in irregular welded parts. Through system design， process analysis， experimental verification， and case studies， the application effect of fully automatic argon arc welding in complex shaped and multi material combination workpieces was comprehensively evaluated. The results indicate that reasonable process parameters and path planning， combined with real-time monitoring and precise control， can significantly improve welding quality and meet the modern manufacturing industry’s demand for efficient and stable welding. Despite facing challenges such as high equipment costs and complex programming， the application prospects of fully automatic argon arc welding technology in the welding of irregular parts are broad.

[Keywords]fully automatic argon arc welding； irregular welded components； welding process； welding quality control； experimental verification

1 全自動氬弧焊系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

全自動氬弧焊系統(tǒng)主要由以下部分組成：①焊接電源。提供穩(wěn)定的電弧電流和電壓。②焊槍。通過噴射氬氣保護焊接區(qū)域，并傳輸電流形成電弧。③送絲機構(gòu)。自動送進焊絲，確保焊接過程中的材料供應。④控制單元。集中控制整個系統(tǒng)的運行，包括電流、電壓及焊接速度等參數(shù)。⑤冷卻系統(tǒng)。防止設備過熱，確保焊接穩(wěn)定性。⑥操作平臺。固定和移動焊接工件，使焊接位置精準可控。

系統(tǒng)的工作原理如下：焊接電源通過焊槍傳輸電流，在焊槍與工件之間形成電弧，同時氬氣從焊槍噴出，保護焊接區(qū)域不受氧化；送絲機構(gòu)持續(xù)提供焊絲，融化并填充焊接接頭；控制單元實時監(jiān)控和調(diào)整各項參數(shù)，確保焊接過程的穩(wěn)定和精確；冷卻系統(tǒng)保證設備在高溫環(huán)境下的正常運行。

1.2 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)是全自動氬弧焊系統(tǒng)的核心，其設計決定了全自動氬弧焊系統(tǒng)的性能和可靠性。其主要控制模塊包括：①電流電壓控制模塊。實時調(diào)節(jié)焊接電流和電壓，確保電弧穩(wěn)定。②運動控制模塊。控制操作平臺的移動，實現(xiàn)焊接路徑的準確定位。③氣體流量控制模塊。調(diào)節(jié)氬氣流量，確保焊接區(qū)域的保護。④溫度監(jiān)控模塊。監(jiān)控和調(diào)節(jié)焊接過程中的溫度，防止過熱。

控制系統(tǒng)通常采用PLC（可編程邏輯控制器）或工業(yè)計算機進行管理，通過傳感器反饋信息，進行實時調(diào)整。此外，控制系統(tǒng)還應具備故障診斷和安全保護功能，確保焊接過程的安全性和連續(xù)性。

1.3 傳感器與反饋系統(tǒng)

傳感器與反饋系統(tǒng)在全自動氬弧焊中起到關(guān)鍵作用，通過實時監(jiān)測焊接過程中的各種參數(shù)，確保焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性。常用的傳感器包括：①電流傳感器。監(jiān)測焊接電流，確保電弧穩(wěn)定。②電壓傳感器。監(jiān)測焊接電壓，防止電弧過強或過弱。③溫度傳感器。檢測焊接區(qū)域和設備的溫度，防止過熱。④氣體流量傳感器。監(jiān)控氬氣流量，確保保護效果。反饋系統(tǒng)則將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給控制單元，通過分析和處理這些數(shù)據(jù)，控制單元可以實時調(diào)整焊接參數(shù)，保持最佳的焊接狀態(tài)。反饋系統(tǒng)不僅提高了焊接過程的精度，還能及時發(fā)現(xiàn)并糾正異常，減少焊接缺陷。

1.4 自動化編程與操作

（1）根據(jù)工件的形狀和焊接要求，設計焊接路徑。根據(jù)材料和工藝要求，設置電流、電壓、速度等焊接參數(shù)。在實際操作前進行虛擬焊接模擬，驗證路徑和參數(shù)的合理性。

（2）自動化操作過程中，只需選擇相應的程序并啟動設備，系統(tǒng)即可根據(jù)預設的路徑和參數(shù)自動執(zhí)行焊接任務。自動化編程不僅簡化了操作流程，還提高了焊接的一致性和質(zhì)量。

通過以上設計，全自動氬弧焊系統(tǒng)能夠在多種復雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定、高效地運行，為現(xiàn)代制造業(yè)提供了可靠的焊接解決方案。

2 異形焊接件的工藝

2.1 異形件焊接的難點

形狀復雜性異形件的非規(guī)則形狀使焊接路徑難以規(guī)劃，需要高精度的定位和控制。材質(zhì)多樣性異形件通常由多種材料組成，不同材料的熱物理性質(zhì)差異較大，容易產(chǎn)生焊接變形和應力集中。熱輸入控制復雜形狀和材質(zhì)組合要求精確控制熱輸入，以避免焊接區(qū)域的過熱或不足。焊接位置多變異形件的焊接位置多變，包括平焊、立焊、仰焊等，要求焊接設備具有良好的適應性。

2.2 焊接工藝參數(shù)的選擇

（1）焊接電流和電壓。根據(jù)材料的厚度和導熱性選擇合適的電流和電壓。例如，對于厚度為5 mm的高強度鋼，推薦焊接電流為150～200 A，電壓為20～24 V。

（2）焊接速度。焊接速度直接影響焊縫成形和熱輸入量。對于復雜形狀的異形件，焊接速度一般控制在5～10 mm/s。

（3）焊接角度。根據(jù)焊接位置調(diào)整焊槍的角度，以保證焊縫成形良好。例如，立焊時焊槍應與焊縫垂直或略微前傾10°～15°。

（4）保護氣體流量。氬氣流量一般控制在15～25 L/min，確保焊接區(qū)域充分保護，防止氧化。

2.3 焊接路徑規(guī)劃

焊接路徑規(guī)劃是保證異形件焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。合理的路徑規(guī)劃可以減少焊接變形和殘余應力，提升焊縫質(zhì)量。

（1）路徑優(yōu)化。通過CAD（計算機輔助設計）軟件進行三維建模，模擬焊接過程，優(yōu)化焊接路徑，避免重復加熱和過度冷卻。

（2）分段焊接。將復雜的焊接件分成多個小段進行焊接，逐段完成，以控制熱輸入和焊接變形。

（3）反向焊接。在應力集中的區(qū)域采用反向焊接方法，先焊接一部分，再焊接相對部分，以平衡焊接應力。

（4）預熱與緩冷。對于容易開裂的材料，焊前進行預熱，焊后緩慢冷卻，減少熱應力。

2.4 焊接質(zhì)量控制方法

（1）焊前準備。確保焊接設備和材料的準備工作充分，包括清潔焊接表面，檢查設備狀態(tài)，設置正確的工藝參數(shù)。

（2）焊接過程監(jiān)控。通過傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測焊接電流、電壓、溫度及氣體流量等參數(shù)，保證焊接過程穩(wěn)定。

（3）焊后檢測。采用無損檢測方法，如超聲波檢測、X射線檢測及磁粉檢測等，檢查焊縫內(nèi)部缺陷。同時進行外觀檢查，確保焊縫表面平整，無裂紋、氣孔及夾雜等缺陷。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗裝置與材料

全自動氬弧焊設備包括焊接電源、焊槍、送絲機構(gòu)、控制單元、冷卻系統(tǒng)及操作平臺。傳感器系統(tǒng)用于監(jiān)測焊接電流、電壓、溫度及氣體流量等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄試驗數(shù)據(jù)，便于后續(xù)分析。檢測設備（如超聲波檢測儀、X射線檢測儀及顯微硬度計）用于焊接質(zhì)量檢測。

焊接母材包括高強度鋼和鋁合金等不同材質(zhì)的異形件。焊絲匹配母材的焊絲，如ER70S–6（用于鋼材）和ER4043（用于鋁合金）。高純度氬氣流量控制在15～25 L/min。

3.2 試驗方法與步驟

（1）焊前準備。清潔焊接母材表面，安裝試驗裝置。

（2）參數(shù)設定。根據(jù)焊接母材的厚度和材質(zhì)，設定焊接電流、電壓、焊接速度及氣體流量等參數(shù)。

（3）路徑規(guī)劃。利用CAD軟件進行三維建模，規(guī)劃焊接路徑，并進行模擬仿真以優(yōu)化焊接過程。

（4）安裝母材。將異形件母材固定在操作平臺上，確保定位準確。

（5）啟動設備。按照預設的程序啟動全自動氬弧焊設備，進行焊接操作。

（6）數(shù)據(jù)采集。通過傳感器系統(tǒng)實時監(jiān)測和記錄焊接過程中的電流、電壓、溫度及氣體流量等數(shù)據(jù)。

（7）焊后處理。完成焊接后，冷卻焊縫并進行清理，準備焊后檢測。

3.3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

通過試驗，收集了不同參數(shù)下的焊接數(shù)據(jù)和焊縫樣本。表1為試驗中獲取的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

試驗數(shù)據(jù)表明，在設定參數(shù)下，全自動氬弧焊能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的焊接，焊縫均勻，內(nèi)部缺陷少，硬度分布均勻。

3.4 焊接質(zhì)量評價指標

為全面評價異形件焊接質(zhì)量，制訂了以下焊接質(zhì)量評價指標。

（1）外觀質(zhì)量。包括焊縫表面的光滑度、均勻性及焊接飛濺等。

（2）內(nèi)部缺陷。通過無損檢測（如超聲波和X射線）評估焊縫內(nèi)部的氣孔、裂紋及夾雜物等缺陷。

（3）力學性能。包括焊縫及熱影響區(qū)的硬度、拉伸強度及沖擊韌性等。

（4）殘余應力和變形。測量焊接過程中產(chǎn)生的殘余應力和變形量，評估焊接對工件尺寸和形狀的影響。

通過試驗和數(shù)據(jù)分析，可以證明全自動氬弧焊在異形件焊接中的優(yōu)越性。合理的工藝參數(shù)和路徑規(guī)劃，結(jié)合實時監(jiān)測和精確控制，能夠有效提高焊接質(zhì)量，滿足復雜工況下的異形件焊接需求。

4 案例研究

4.1 案例一：航空發(fā)動機渦輪葉片的焊接

渦輪葉片是一種具有極其復雜的三維曲面，且由多種材料組合而成的零件，如高溫合金和鈦合金。由于渦輪葉片的工作環(huán)境特殊，對其焊接質(zhì)量的要求極高，需要保證高強度、耐高溫、無裂紋及焊縫無氣孔。為了達到這些要求，設定焊接電流為180 A，電壓為22 V，焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為20 L/min。采用了全自動氬弧焊設備，并配備了六軸機器人和實時監(jiān)控系統(tǒng)，以確保焊接過程的穩(wěn)定和可靠。

渦輪葉片的焊接面臨著高溫合金和鈦合金的熱膨脹系數(shù)差異，容易導致焊接過程中產(chǎn)生裂紋和焊接變形。為了解決這一挑戰(zhàn)，通過全自動氬弧焊設備的精密控制，實現(xiàn)了精準的熱輸入控制，并配合預熱和緩冷措施，有效減少了焊接變形和裂紋的產(chǎn)生。經(jīng)過焊接，焊縫的質(zhì)量達到了航空標準，內(nèi)部無任何缺陷，外觀平整，完全滿足了高強度和耐高溫的要求。

4.2 案例二：汽車底盤結(jié)構(gòu)件的焊接

汽車底盤結(jié)構(gòu)件由多種鋼材組合而成，其形狀復雜，且需要承受高強度和沖擊。由于底盤結(jié)構(gòu)件的特殊性，對其焊接質(zhì)量的要求也極為嚴格，需要保證高精度、高強度，且焊接變形要盡量小。為了達到焊接要求，設定焊接電流為150 A，電壓為20 V，焊接速度為8 mm/s，氬氣流量為18 L/min。采用了全自動氬弧焊設備，并配備了三維運動平臺和智能控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)焊接過程的精確控制。

汽車底盤結(jié)構(gòu)件的焊接要求高強度和低變形，焊接位置多變，需要高精度的控制。通過使用三維運動平臺和智能控制系統(tǒng)，同時優(yōu)化焊接路徑，分段焊接，并實時監(jiān)控焊接參數(shù)，確保了焊接的精度和一致性。經(jīng)過焊接，焊縫的強度和質(zhì)量完全符合汽車行業(yè)標準，焊接變形小，工藝穩(wěn)定。

4.3 成功經(jīng)驗與存在問題

通過精密控制全自動氬弧焊設備在焊接電流、電壓及速度上的精準調(diào)節(jié)，有效提高了焊接質(zhì)量。使用三維建模和模擬仿真優(yōu)化焊接路徑，減少焊接變形和殘余應力。通過傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測焊接過程，及時調(diào)整參數(shù)，確保焊接過程穩(wěn)定。預熱和緩冷措施在處理不同材質(zhì)焊接時，顯著減少了裂紋和焊接缺陷。

全自動氬弧焊設備成本較高，初期投資較大，對于中小企業(yè)來說，資金壓力較大。異形件焊接的自動化編程復雜，需要專業(yè)技術(shù)人員進行編程和調(diào)試，增加了人力成本。高精度設備的維護和保養(yǎng)要求高，需定期進行檢查和維護，保證設備長期穩(wěn)定運行。對于極端復雜的異形件，現(xiàn)有設備在靈活性和適應性上仍有待提升，需要進一步研發(fā)改進。

5 結(jié)束語

全自動氬弧焊在異形件焊接中的應用已證明其卓越性，不僅顯著提高了生產(chǎn)效率，更在焊接質(zhì)量上取得了顯著突破。通過精準的工藝參數(shù)控制和優(yōu)化，實現(xiàn)了焊縫的高質(zhì)量、低缺陷率，滿足了復雜工況下的異形件焊接需求。盡管設備成本和技術(shù)復雜性仍是挑戰(zhàn)，但全自動氬弧焊的優(yōu)勢不容忽視，其在現(xiàn)代制造業(yè)中的應用前景廣闊。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，全自動氬弧焊技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應用和發(fā)展。

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