基于變量法對焊縫咬邊的研究試驗

呂光宙 李卓 商浩

1. 概述

在動車組實際生產中，焊縫缺陷越來越受到大家的重視，所以對結構件焊縫外部的咬邊缺陷進行分析和試驗，對CO2氣體保護焊接技術操作也就提出了更高的要求，也就需要我們解決這些問題。

2. 試驗目的與方法

咬邊的形成與熔池的擾動、熔融金屬形成紊流與焊縫金屬在凝固前未能填滿有關。熔化電極過渡至擾動的熔池及之后凝固構成的焊縫可由其表面上留存的波紋反映出熔池擾動的劇烈程度。促使熔池兩側急劇攪動的因素有焊條類型、電弧長度、焊接速度、電流大小及電特性、待焊件的結構狀態及工藝等。應能在獲得成形良好的焊縫同時, 保證近焊縫區材料無明顯咬邊現象。

通過本次試驗，對影響焊縫咬邊缺陷的非人工操作因素進行深入討論，驗證焊接速度、焊槍角度和焊接功率對咬邊的影響。要實現非人工操作焊接，就必須使用焊接機械手進行，在機械手穩定擺動的前提下，使得電壓和電流擺動范圍和數值升降速度有了強有力的保證，排除了由于人工作業失誤導致的電流電壓暫時性超差帶來的影響。本文利用焊接機械手可調參數，包括焊接功率（由焊接電流和電壓匹配得出）、焊槍傾角和焊接速度進行試驗，應用于對接和角接焊縫兩種情況。

第一，焊接功率。在焊槍傾角和焊接速度確定的情況下，采用由低到高多組功率進行試驗，測出數據并對比，得出結論。

第二，焊槍傾角。焊槍傾角主要對角焊縫產生影響，由于機械手僅能保持垂直的方位，故焊槍傾角需要對板進行調整，調整過程中可能有±5°公差。

第三，焊接速度。在相同的送絲速度下，焊接速度調整不當往往會造成焊縫未填滿、錯邊以及焊接咬邊等缺陷。在焊接機械手中，由于能設定穩定的焊接速度，所以使得這個參數得以量化，同時做出不同焊接速度下焊縫質量的對比，得出結論。

3. 前期準備

（1）母材準備 第一，試驗鋼板材質應當與生產常用鋼板材質相同。

第二，無論是對接接頭還是角接接頭都應采用長直焊縫，方便焊接機械手調試和焊接。

第三，試驗鋼板厚度應當適中，利于隨時觀察，方便進行調平，以及后續斷面檢查等工作。因此，試驗準備鋼板材質為Q345C，尺寸為1000mm×175mm×10mm，拋丸處理，開45°坡口。

（2）焊接填充材料準備 焊絲選取常用的CHW—55CNH，φ1.2mm。

（3）工裝準備 由于對接焊縫板厚為8mm，板長為1000mm，因此在各工序前除對平板進行調平以外，還需要工裝來增加板的厚度，以防止變形，工裝設計如圖1所示。

角焊縫工裝要求保證對焊接接頭以不同的焊槍傾角進行焊接，因此工裝必須滿足較為精確的調整角接焊縫的垂直位置，從而達到角接焊縫的目的。角接接頭工裝如圖2所示。

圖1 對接接頭工裝

圖2 角接接頭工裝

4. 試驗過程

（1）試板的定位焊與打底焊 試板長為1 000mm，為了保證試驗質量，焊縫長度應當保證足夠長，本次試驗采用每條焊縫長300mm，每個試板預焊3條焊縫，定位焊位置分別在距離試板邊100mm、310mm、620mm和1000mm處，定位焊完畢后進行調平處理，注意調平過程中不能破壞焊點處。

調平后安裝工裝，調試機械手準備打底焊，注意機械手的調試比較費時，需要非常精細的調整路徑與焊縫完全吻合，而且在焊接過程中嚴格觀察焊接進度，一旦出現焊槍偏移處焊道馬上停止，調整后才能繼續施焊。打底焊采用功率為15kW，焊接速度25cm/min。打底焊完畢后，不進行層間清理與打磨。

（2）蓋面焊 本次試驗板厚為10mm，實踐中兩道焊縫即可填滿焊道，所以所有討論的變量以及在當前參數下的焊縫成形質量和相關缺陷都體現在蓋面焊上。如前面所述試驗分為3個大方面，每個方面分為若干試驗組進行試驗，后面將介紹具體組別。

首先，焊接功率。焊接功率的編組為由低到高，應用于對接焊縫和角接焊縫當中，具體分組如表1所示。

由于受到工件厚度問題的影響，焊接功率已經無法再次加大，避免鋼板被燒穿，以及填充材料堆積等后果。

其次，焊接速度。由于焊接速度編組從低到高進行，并要求焊接參數穩定，所以選定焊接功率為30kW，具體編組如表2所示。

當焊接速度達到32cm/min時已經出現了焊縫成形方面缺陷（焊縫成蛇形、焊道未填滿等），所以不再加大焊接速度進行試驗。

最后，焊槍傾角。焊槍傾角一般以45°為宜，在特殊情況下（封閉箱體內部焊縫的焊接）焊槍傾角可能出現高于或者低于45°角的情況。論證焊槍傾角的試驗將以50°、45°和40°為界分5組進行，具體組別如表3所示。

表1 焊接功率編組

表2 焊接速度編組

5. 試驗結果與分析

（1）試驗結果總匯 本次試驗結果全部以照片顯示，焊后發現咬邊缺陷，以手電燈光或紅圈顯示，缺陷相關參數如表4所示，焊接試驗缺陷及組別實例如圖3所示。

（2）試驗結果分析 前述已經列出了所有組別的試驗結果，紅圈中標注出了焊接咬邊的位置，圖中僅出現咬邊較為明顯的地方，周圍焊縫上還有很多細小的咬邊處，除此之外，還有很多其他缺陷比如錯邊、焊縫未填滿等，也由以上因素引起。本次試驗中，在變量焊接功率下，并沒有發現明顯咬邊，經觀察除了焊槍擺動以及前進速率均勻以外，焊接電流和電壓匹配適當是其中的主要因素。

在焊接速度組別中，很明顯焊接速度過快時，會出現很多缺陷，咬邊也非常明顯，出現在焊接速度＞26的3個組別中，因此當焊接速度達到27.5cm/min或者更高數值的時候，焊接質量很難保證。在焊槍角度組別中，當角度在60°或者＞60°的時候會出現較為明顯的咬邊，同時在較小的角度范圍內（＜35°）也會出現輕微的咬邊。

表3 焊槍傾角組別

表4 發生咬邊組別缺陷尺寸

圖3 缺陷組別

6. 結語

本試驗通過焊縫實例分析，驗證了影響焊縫咬邊的非人工因素，在試驗過程中排除了諸多困難，共焊接不同參數焊縫20條，發現缺陷焊縫5條，通過對5條焊縫的焊接參數以及現實假設，得出焊接優化改善以及咬邊預防措施。

熱輸人大, 特別是焊接電流過高, 焊接速度過快, 不但有未焊透的可能, 還會削減熔合線區的材料，導致焊趾局部下凹，故應適當控制焊接速度。

操作者應該以穩定的擺動頻率、擺動振幅進行操作，在可能情況下采用船形位置焊接。另外，過量的擺動有時會產生咬邊, 因此, 宜以多道焊工藝克服這一缺陷。

對于上文所討論的三種參數提出以下建議：①在穩定的手法操控下，隨著焊接電流、電壓的升高或降低，很少出現焊接咬邊。②焊接速度對焊縫成形質量影響極為明顯，在一般情況下，焊接速度應保持在25cm/min以下。③焊槍傾角越大對焊縫質量的影響就越大，盡量保持焊槍傾角在45°以下，最多不要超過50°。

本次試驗所作的試驗工作不僅對于咬邊的研究具有較為實際的意義，更是對在各個方面的影響下整個焊縫成形做出了一個實物的范例，這些焊縫實例可以經過剖切進行截面分析，發現更多的缺陷問題，并對各焊縫成形有一個大體的形狀總結，并對在其他參數下的焊縫形狀預測工作中起到一定借鑒的作用。