摘"要： 應(yīng)急橋梁作為災(zāi)害救援中能發(fā)揮出極大作用的救援裝備，自身質(zhì)量應(yīng)盡量小，鋁合金自身密度低、質(zhì)量輕，可解決這個(gè)問(wèn)題.但目前，應(yīng)急橋梁的部件仍使用手工焊，這種方法不僅生產(chǎn)效率低，焊接的質(zhì)量也不穩(wěn)定.文中使用焊接工作站來(lái)焊接主橋節(jié)，分析了工件的尺寸、結(jié)構(gòu)和焊縫位置，進(jìn)行了總體方案的設(shè)計(jì)，選擇了4臺(tái)機(jī)器人搭配單臺(tái)變位機(jī)的焊接方案，完成對(duì)工作站總體布局.并對(duì)主橋節(jié)材料7005鋁合金進(jìn)行了焊接接頭組織和性能試驗(yàn)，選擇使用單絲MIG焊完成對(duì)7005鋁合金試樣的焊接，并對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試.試驗(yàn)表明：焊縫的抗拉強(qiáng)度平均為290.74 MPa，斷裂在熱影響區(qū)；焊縫區(qū)的熱影響區(qū)硬度最低，平均為75 HV，焊縫中心處區(qū)稍高，平均為115 HV，母材硬度最高，平均為165 HV.通過(guò)金相照片觀察試樣的接頭組織，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)晶粒粗大，并分析了焊縫產(chǎn)生氣孔以及焊縫熱影響區(qū)軟化的原因，并提出了解決措施，可以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中.

關(guān)鍵詞： 主橋節(jié)；7005鋁合金；MIG焊；焊接機(jī)器人工作站；焊接接頭組織與性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""文章編號(hào)：1673-4807（2024）04-043-06

Design of MIG system for 7005 aluminum alloy main bridge sectionworkstation and study on microstructure and properties of welded joints

GAO Fei1， YU Hang1， LONG Lin1， CHEN Sibing2

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100，China）

（2.CSSC Hungpu Wenchong Shipbuilding Co. Ltd.， Guangzhou 510715， China）

Abstract：As the rescue equipment that can play a great role in disaster relief， the emergency bridge should be as small as possible. The aluminum alloy itself has low density and light weight， and can solve this problem. But at present， the emergency bridge parts are still using hand welding. This method is of low production efficiency， and welding quality is not stable. In this study， the welding workstation is used to weld the main bridge section， the size， structure and weld position of the workpiece are analyzed， and the overall scheme is designed. The welding scheme of four robots with a single positioner is selected to complete the overall layout of the workstation. The microstructure and properties of the welded joint of 7005 aluminum alloy， the main bridge material， were tested. The single wire MIG welding was used to complete the welding of 7005 aluminum alloy sample， and the mechanical properties of the sample were tested. The test shows that the average tensile strength of the weld is 290.74 MPa， and the fracture is in the heat-affected zone. The hardness of the weld zone is the lowest， with an average of 75HV; the weld center is slightly higher， with an average of 115HV; the base metal hardness is the highest， with an average of 165HV. By means of metallographic observation of the joint microstructure of the sample， it is found that the grain size of the heat affected zone is coarse， and the causes of porosity and softening of the weld heat affected zone are analyzed， and the solutions are put forward， which can be applied to the actual production.

Key words：main bridge section， 7005 aluminum alloy， MIG welding， welding robot workstation， microstructure and properties of welded joint

在國(guó)內(nèi)，自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生.橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)臉屑~，對(duì)災(zāi)后救援起到關(guān)鍵作用，如何快速鋪設(shè)一條應(yīng)急橋梁對(duì)開(kāi)展一系列救援行動(dòng)，減輕災(zāi)害所帶來(lái)的損失有著重大意義.

傳統(tǒng)搭建應(yīng)急橋梁的方法是手工搭建，但這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，容易錯(cuò)過(guò)72 h黃金救援時(shí)間.相比之下，車(chē)載式應(yīng)急橋梁［1］具備搭建速度快，所需勞動(dòng)力少的優(yōu)點(diǎn)，通常在一小時(shí)內(nèi)能鋪設(shè)完成.但由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁自重很大，又因?yàn)閼?yīng)急橋梁在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)才會(huì)使用，工作環(huán)境惡劣，因此橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料性能要求也很高.從這點(diǎn)來(lái)看，需要找到一種鋼材料的替代品，而鋁合金自身密度低強(qiáng)度高，具有良好的韌性和耐腐蝕性，易于加工成型的優(yōu)勢(shì)在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，用鋁合金材料來(lái)制造應(yīng)急橋梁，可以有效解決鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身重量大的問(wèn)題.

鋁合金在應(yīng)急橋梁制造中的傳統(tǒng)連接方法是焊接.由于鋁合金具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性強(qiáng)、熱敏性低，高溫下塑性強(qiáng)度低，焊接性差的特點(diǎn)，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生熱裂紋、軟化、氣孔、變形等焊接缺陷［2］.目前我國(guó)對(duì)于應(yīng)急橋梁的焊接方式通常采用的是手工焊，而應(yīng)急橋梁的主橋節(jié)的橋體長(zhǎng)度非常長(zhǎng)，使用人工焊接的效率非常低同時(shí)焊接的質(zhì)量也無(wú)法得到保障.這對(duì)于應(yīng)急橋橋體的生產(chǎn)制造有許多的制約.為了提高生產(chǎn)效率，采用機(jī)器人焊接是更好的方式，機(jī)器人焊接不僅可以保證工件的焊接質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以提高生產(chǎn)效率.

基于我國(guó)對(duì)應(yīng)急救援裝備中一些應(yīng)急橋梁等大型工件焊接的需求缺口，文中在焊接機(jī)器人的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)應(yīng)急橋梁主橋節(jié)大型焊接工作站.它由兩側(cè)的底座導(dǎo)軌通過(guò)三軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)以及中間的U型變位機(jī)兩部分組成.焊接工作站相較于人工焊接的優(yōu)勢(shì)在于：

（1） 焊接工作站的自動(dòng)化程度很高，在完成工件的裝夾之后只需要少量的工人對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制即可完成焊接，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地降低了人工成本.

（2） 多個(gè)機(jī)器人同時(shí)焊接極大地提升了主橋節(jié)的焊接速度，在裝夾完成之后機(jī)器人只需要按照設(shè)置好的焊縫位置移動(dòng)，可以快速到達(dá)焊點(diǎn)的位置，且沒(méi)有太多的停頓，這樣也保證了焊縫的質(zhì)量以及焊縫的連續(xù)性.

（3） 焊接的工作環(huán)境比較惡劣，使用焊接機(jī)器人就可以將工人從充滿噪音、弧光、有害氣體的環(huán)境中解放出來(lái)，一定程度上降低了工作環(huán)境對(duì)于進(jìn)行焊接操作的工人的危害［3］.

1"焊接機(jī)器人工作站總體設(shè)計(jì)

鋁合金主橋節(jié)工件長(zhǎng)為10 m、寬為1.2 m、高0.8 m，如圖1.其中C字梁的上平面為200 mm、高80 mm、下底面100 mm，兩側(cè)的工字梁上下邊長(zhǎng)為100 mm、高800 mm.所有型材包括筋板的板厚為10 mm.工件的材料為7005鋁合金，整個(gè)工件重達(dá)1 056 kg.表面焊縫一共有6條長(zhǎng)直焊縫，每條焊縫長(zhǎng)10.3 m，背面一共9塊筋板每塊筋板與5塊C字梁接觸，每一處接觸的長(zhǎng)度為80 mm，故背面的焊縫總長(zhǎng)度為3.6 m.每個(gè)工件的焊縫總長(zhǎng)度為65.4 m.

文中研究的是針對(duì)應(yīng)急橋梁主橋節(jié)的焊接，工件的特點(diǎn)是體積大、質(zhì)量大，因此如果使用搬運(yùn)機(jī)器人難以對(duì)主橋節(jié)這樣的大型工件進(jìn)行搬運(yùn).同時(shí)焊縫的長(zhǎng)度也長(zhǎng)達(dá)十余米，焊縫過(guò)長(zhǎng)，使用單臺(tái)焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)方案會(huì)導(dǎo)致焊接工作站生產(chǎn)效率不夠高.而如果用2臺(tái)焊接機(jī)器人針對(duì)本課題的主橋節(jié)工件所需要的生產(chǎn)效率來(lái)說(shuō)也略顯不足.綜上所述，為了保證焊接的生產(chǎn)效率以及實(shí)際操作的可行性，初步擬定使用4臺(tái)焊接機(jī)器人這樣的設(shè)計(jì)理念來(lái)保證焊接工作站的生產(chǎn)效率，如圖2（a）.

對(duì)于7005鋁合金主橋節(jié)機(jī)器人焊接工作站而言，整個(gè)工作站由焊接系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、導(dǎo)軌底座、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)等組成［4］，如圖2（b）.

工作站一共配置4臺(tái)焊接機(jī)器人，分布在工件兩側(cè)用以提升焊接生產(chǎn)效率，中間的變位機(jī)以及框架能夠帶動(dòng)工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)對(duì)工件的內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接作業(yè).考慮到工件的重量體積，工件首先由人工點(diǎn)焊進(jìn)行裝配，隨后運(yùn)輸裝配在變位機(jī)上進(jìn)行焊縫整體的焊接.4臺(tái)焊接機(jī)器人同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行焊接能極大地提升焊接生產(chǎn)效率.按照企業(yè)的生產(chǎn)要求，每年該企業(yè)需要生產(chǎn)2 000件這樣的產(chǎn)品，假設(shè)每年工作200天，那么每天最少應(yīng)該生產(chǎn)10件這樣的產(chǎn)品.每個(gè)主橋節(jié)工件的焊縫總長(zhǎng)為65 400 mm，焊接速度為500 mm/min，焊接一個(gè)這樣的工件所需要的焊接時(shí)間為32.7 min，算上30%的輔助時(shí)間，每個(gè)工件完成焊接需42.5 min，那么每天可以生產(chǎn)11件，達(dá)到了企業(yè)的生產(chǎn)要求.

隨著焊接機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越多，在焊接領(lǐng)域提出了許多新的要求以及新的焊接工藝，焊接機(jī)器人也被使用的越來(lái)越多.文中針對(duì)7005鋁合金主橋節(jié)機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)選擇在焊接領(lǐng)域享譽(yù)盛名，總體性能良好的庫(kù)卡機(jī)器人，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)大型的焊接工作站，選定的庫(kù)卡器人型號(hào)為KR 16 R1610-2機(jī)器人.

本次試驗(yàn)使用的焊接電源是Fronius TPS5000焊接電源.

2"焊接接頭力學(xué)性能和微觀組織

文中研究的鋁合金試樣牌號(hào)為7005.其焊接性能優(yōu)異，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化［5］.常用于制造既要有高的強(qiáng)度又要有高的斷裂韌性的大型焊接構(gòu)件，如交通運(yùn)輸車(chē)輛的桁架、桿件、容器；大型熱交換器［5］，以及焊接后不能進(jìn)行固熔處理的部件；還可用于制造體育器材如網(wǎng)球拍與壘球棒.其化學(xué)成分如表1.

本試驗(yàn)采用單絲MIG焊接方法對(duì)7005鋁合金進(jìn)行焊接.母材的抗拉強(qiáng)度為417 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為15.6%.焊絲采用的是5356焊絲，焊絲規(guī)格為1.2 mm，該焊絲的化學(xué)成分如表2［6］.

焊槍與工件的夾角為70°，焊前需要用砂紙打磨坡口區(qū)域，并用酒精清洗坡口區(qū)域，裝配試樣時(shí)留有1 mm左右的間隙［7］，試驗(yàn)所用的保護(hù)氣是高純度的99.99%氬氣，相關(guān)的焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表3.

參照 GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在試板上橫向制取拉伸試樣，拉伸試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.每組試樣截取兩個(gè)樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，3個(gè)試樣的對(duì)接接頭都在熱影響區(qū)斷裂，7005鋁合金焊接接頭的拉伸性能實(shí)際為焊縫力學(xué)性能［8］，試驗(yàn)結(jié)果如圖3.

7005鋁合金母材為T(mén)6處理態(tài)，其抗拉強(qiáng)度為418 MPa，比這3組試樣的抗拉強(qiáng)度都高很多.對(duì)比3組試樣，試樣a的拉伸性能相較于b和c來(lái)說(shuō)都要更好并且更加接近母材的拉伸性能.說(shuō)明在7005鋁合金焊接中開(kāi)單V坡口焊接出來(lái)的焊縫性能更好，而雙V坡口的焊縫軟化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，導(dǎo)致焊縫性能不佳.在開(kāi)雙V坡口的兩組試樣中，焊縫的拉伸性能非常接近，而試樣b的拉伸性能稍高一些，說(shuō)明7005鋁合金焊接中板厚與抗拉強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)，板厚越大，焊縫抗拉強(qiáng)度越高.

在彎曲試驗(yàn)中，試樣彎曲到30°的時(shí)候就發(fā)生斷裂，如圖4.彎曲試驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明鋁合金焊接試樣的彎曲韌性都比較差，同一組試樣的性能差距也比較大，試驗(yàn)的結(jié)論參考價(jià)值不大，性能較差的原因是焊縫當(dāng)中存在氣孔.

硬度測(cè)試在德國(guó)KB全自動(dòng)顯微維氏硬度機(jī)上進(jìn)行.熱影響區(qū)受到了焊接熱循環(huán)作用，使得細(xì)小彌散分布的強(qiáng)化相發(fā)生聚集長(zhǎng)大，材料產(chǎn)生了過(guò)時(shí)效，導(dǎo)致顯微硬度較母材來(lái)說(shuō)低一些；而焊核區(qū)因出現(xiàn)細(xì)小的等軸晶，所以硬度高于熱影響區(qū).因?yàn)楦咚俸附拥臒彷斎胂鄬?duì)較小，母材受到的熱循環(huán)時(shí)間較短，軟化程度較低，其相應(yīng)的力學(xué)性能更高［9］.硬度測(cè)試在各試樣上標(biāo)記9個(gè)不同的點(diǎn)，并進(jìn)行硬度試驗(yàn)，兩個(gè)點(diǎn)之間的間距是10 mm.測(cè)試結(jié)果如圖5.

圖6～8為試樣焊接接頭各區(qū)域的顯微組織.由圖中可看出，各試樣的母材區(qū)為擠壓加工后的再結(jié)晶組織，顯微組織致密，主要是α（Al）與時(shí)效析出的彌散分布的Mg2Si共晶組織［10］.圖中表明，靠近焊縫的熔合區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下，沿散熱方向以聯(lián)生結(jié)晶形式形成柱狀晶組織.但由于 Mg、Si 合元素溶入α（Al）中，形成過(guò)飽和固溶體，且過(guò)剩的 Mn、Cr 等合金元素提高了淬火冷卻速度，導(dǎo)致熔合區(qū)產(chǎn)生了淬火效應(yīng)［11］.焊后自然存放時(shí)，過(guò)飽和固溶體自然分解，產(chǎn)生自然時(shí)效硬化［12］.焊縫區(qū)為焊絲與基體熔化后形成的激冷結(jié)晶組織，此處熱輸入高，熔池凝固速度慢，導(dǎo)致晶粒完全自由生長(zhǎng)成以α（Al）固溶體為基體的等軸晶鑄態(tài)組織［13］，伴隨有部分微小氣孔，主要是由于晶界液化和焊接收縮導(dǎo)致［14］.熱影響區(qū)位于焊縫中心附近，此處受焊接熱循環(huán)影響，加熱時(shí)溫度遠(yuǎn)超人工時(shí)效溫度，但仍未達(dá)到均勻化溫度，導(dǎo)致組織產(chǎn)生過(guò)時(shí)效效應(yīng)［15］，Mg2 Si 強(qiáng)化相顆粒聚集長(zhǎng)大，晶界隨之粗化，致使該區(qū)域硬度下降，形成軟化區(qū)［16］.參照焊縫的拉伸試驗(yàn)也可以看出來(lái)這一點(diǎn)，7005鋁合金的母材拉伸強(qiáng)度有417 MPa，而焊縫的硬度只有290.74 MPa只有母材強(qiáng)度的70%.接頭軟化的解決措施是在焊接時(shí)選擇合適的熱輸入從而避免熱輸入過(guò)大導(dǎo)致焊接接頭的軟化［14］.

研究表明，鋁合金焊接的氣孔缺陷主要為氫氣孔.當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時(shí)，對(duì)一道焊縫來(lái)說(shuō)開(kāi)雙V坡口的鋁合金試樣比開(kāi)單V坡口的鋁合金試樣焊接熱輸入更大，熔池內(nèi)部翻滾加劇，導(dǎo)致氣體保護(hù)效果不良，部分空氣進(jìn)入熔池［13］，且氫的溶解度隨溫度升高而增大，當(dāng)電弧趨近時(shí)，熔池內(nèi)部氫含量增加，導(dǎo)致氣孔多且大.開(kāi)單V坡口的焊縫氣孔比較少是由于合適的焊接熱輸入對(duì)焊縫液態(tài)冶金影響較大，但電弧離開(kāi)時(shí)，焊縫溫度驟降，熔池內(nèi)大量的氫氣泡上浮溢出，但由于鋁的密度小，且結(jié)晶速度快，形成的氣泡來(lái)不及在鋁結(jié)晶前溢出，仍存留在焊縫內(nèi)部，形成氫氣孔［17］.

根據(jù)以上焊接接頭組織的照片可知，焊前要對(duì)焊接試樣的清理做到完美，把母材和焊絲表面打磨干凈并且烘干，避免雜質(zhì)以及水分的殘留；其次加強(qiáng)保護(hù)氣體的輸出，注意焊接時(shí)周邊的環(huán)境，避免穿堂風(fēng)對(duì)保護(hù)氣的影響［18］.在焊接時(shí)，避免焊接電流與電弧電壓過(guò)大導(dǎo)致氣孔過(guò)多，降低材料的抗拉強(qiáng)度與焊縫區(qū)硬度.

3"結(jié)論

（1） 文中對(duì)主橋節(jié)工件尺寸、結(jié)構(gòu)、焊縫位置進(jìn)行了分析，結(jié)合生產(chǎn)和工藝要求，使用單絲MIG焊方法開(kāi)單V坡口，設(shè)計(jì)了較為合理的4臺(tái)機(jī)器人搭配單臺(tái)變位機(jī)的焊接方案，完成了焊接機(jī)器人工作站總體布局的設(shè)計(jì)，對(duì)工作站整體進(jìn)行三維建模，取得較好效果；

（2） 根據(jù)焊接工作站的設(shè)計(jì)要求，使用10 mm厚的7005鋁合金試樣開(kāi)35°單V坡口進(jìn)行試驗(yàn)，使用單絲MIG焊的方法對(duì)試樣進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，并做了力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，試樣a焊縫的抗拉強(qiáng)度為290.74 MPa，對(duì)比7005鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度417 MPa，焊縫區(qū)發(fā)生了接頭軟化的現(xiàn)象降低了焊縫區(qū)的強(qiáng)度.對(duì)試樣a進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣彎曲30°之后就發(fā)生了斷裂.對(duì)試樣進(jìn)行了硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)焊縫熱影響區(qū)的硬度最低，平均值為75 HV，焊縫區(qū)的硬度稍高，平均值為115 HV，母材的硬度最高，平均值為165 HV.通過(guò)金相照片可以看出焊縫熱影響區(qū)晶界粗大.文中還進(jìn)行了8 mm和10 mm板厚的雙V坡口試樣的對(duì)比焊接試驗(yàn)；

（3） 分析了焊接接頭軟化的原因是因?yàn)楹附訜嵫h(huán)作用的結(jié)果，焊縫中氣孔主要是氫氣孔，原因是氫氣在焊縫凝固時(shí)溶解度急速下降所產(chǎn)生.接頭軟化需要控制焊接熱輸入來(lái)解決，在焊前對(duì)工件和焊絲進(jìn)行清理可減少氣孔.

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（責(zé)任編輯：顧琳）