鍍鋅鋼板機器人焊接工藝研究

摘 要：公司ATP列控車載機柜接地螺釘為保證接地性，在螺釘周圍一定面積未做表面粉噴處理。在長期處于暴露及振動環境下， 接地螺釘連接處銹蝕嚴重、容易脫落，影響設備接地性能。為解決接地螺釘周圍粉噴層去除后的生銹問題，提出了直接使用鍍鋅板制作柜體的方案。本文通過對鍍鋅板焊接特點的分析，選擇合適的焊接方法，從焊接設備的升級選型、焊接材料選擇、焊接工藝參數優化等方面進行論述，以減少焊接過程中出現的焊接裂紋、氣孔、氧化物夾渣及鍍鋅層熔化等缺陷，提高焊接質量，并避免鋅蒸氣及煙塵對人體帶來的危害。

關鍵詞：鍍鋅板;焊接;缺陷;優化

Abstract： Company train control on-board ATP cabinet earthing screws in order to ensure the grounding resistance， a certain area around the screw do not make table flour processing. In chronically exposed and vibration environment， grounding screw joint corroded seriously， easy to fall off， influence equipment grounding performance. To solve the problem around the grounding screw powder spray layer after removing rust problem， put forward the project of the direct use galvanized sheet to make cabinet put oneself in anothers position. In this article， through the analysis of the characteristics of the galvanized sheet welding， choosing the appropriate welding method， welding equipment from the upgrade of type selection， choice of welding material and welding technology parameters optimization， etc， in order to reduce the welding process of welding cracks， porosity， oxide slag and melting defects such as galvanized layer， improve the welding quality， and to avoid zinc steam and smoke harm to human body.

Key Words： galvanized steel shee;welding;defect;optimization

在對ATP列控車載機柜選用的鍍鋅鋼板進行焊接的過程中，鋅的熔點遠遠低于鐵，熔池中的鐵首先結晶，液態鋅會沿著鋼的晶界滲入其中，導致晶間結合變弱。在焊接殘余應力的作用下，焊縫易沿晶界裂開，同時會伴生氧化物夾渣及鍍鋅層熔化破壞等缺陷。焊縫附近的鋅層在電弧熱的作用下產生氧化（形成ZnO）及蒸發，并揮發出白色煙塵和蒸氣，易在焊縫中產生氣孔，對產品質量造成影響且對操作人員造成健康危害。

1 焊接機器人焊接工藝特性

為確保焊接質量的穩定可靠，焊接加工一方面要求操作人員要有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗、穩定的焊接水平;另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業機器人的出現代替了手工焊接，減輕了操作人員的勞動強度，同時更好的保證了焊接質量，并提高了焊接效率。

與傳統焊接方式相比，焊接機器人具備以下優點：

（a）提高焊接質量，保證產品一致性;

（b）提高勞動生產率;

（c）改善勞動條件;

（d）降低操作人員的技能要求;

（e）縮短產品改型換代的準備周期，減少相應的設備投資;

（f）可實現小批量產品的焊接自動化;

機器人焊接在實際的運用中必須對以下幾點進行嚴格控制：

（a）嚴格控制裝配精度及偏差。焊接機械臂會按照程序設定路徑及對應工藝參數進行精確焊接，這就要求產品在進行上道裝配及固定工序時，裝配精度及偏差在要求的范圍內;

（b）對夾具的精度要求較高。較高精度及穩定性的焊接配套夾具可有效提升焊接機器人的焊接質量及焊接效率。為此，我們為產品制作了專用的焊接平臺及固定夾具（圖1），確保焊接質量的穩定;

（c）精密跟蹤，要求焊接機器人能夠根據焊縫的實際情況進行焊接路徑及參數的精細控制。工件在變位機上固定之后，若焊縫不是理想的位置與角度，就要求操作人員編程時不斷調整變位機，使得焊接的焊縫按照焊接順序逐次達到水平位置，確保焊接機器人在最合理的位置進行焊接作業。同時，要不斷調整機器手各軸位置，合理地確定焊槍相對接頭的位置、角度與焊絲伸出長度。

2 焊接機器人焊接鍍鋅鋼板工藝應用優化研究

2.1在焊接過程中，熔化的鋅浮在熔池的表面或位于焊縫根部，為了使高溫時產生盡可能少的鋅蒸汽，或者使產生鋅蒸汽更好的逸散出去，可以焊前在鍍鋅板焊接處開坡口V，并在坡口周圍打磨去除鋅層。

2.2由于二氧化碳氣體保護焊會產生飛濺，且Zn在焊接過程中會產生氧化（形成ZnO）及蒸發現象，產生密集性氣孔，嚴重時會引起爆炸。焊接電流越大，鋅的蒸發越嚴重，氣孔敏感性越大。保護氣體對焊縫中Zn的含量有明顯的影響，采用純CO2或CO2+O2時，焊縫中Zn的含量較高，而采用Ar+CO2或Ar+O2時，焊縫中Zn的含量較低。所以建議考慮采用Ar（80%）+CO2 （20%）混合氣 [1]。

2.3采用氣體保護焊焊接鍍鋅鋼時，焊接煙塵要比手工電弧焊大得多，電流越大，或保護氣體中CO2或O2含量越大，焊接煙塵越大，而且煙塵中ZnO含量也增大，焊接速度越大越易產生氣孔 [2]，所以考慮在滿足焊接需求的情況下盡量采用低電流慢速焊接。

2.4其他工藝參數的設定見表1。

3 焊接機器人焊接鍍鋅鋼板焊接材料的選擇

不同合金成分對母材性能的分析 [3]：

碳（C）：鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結構鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易銹蝕;此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。

硅（SI）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮靜鋼含有0.15-0.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%，硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調質結構鋼中加入1.0-1.2%的硅，強度可提高15-20%。硅和鉬、鎢、鉻等結合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅1-4%的低碳鋼，具有極高的導磁率，用于電器工業做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。

錳（MN）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30-0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16MN鋼比A3屈服點高40%。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。

綜上所述，為了避免焊接材料中Si及Mn影響母材的焊接性，在選用焊接材料時，應該盡可能采用Si及Mn含量較少的焊接材料。

適合我公司鍍鋅板產品母材的常用焊絲為ER50系列：

目前公司產品焊接采用的為ER50-6，該型焊絲為較為普遍使用的一種高性價比焊絲。但是使用在鍍鋅板焊接時，由于鋼板表面鋅層的存在，在焊接過程中，熔化的鋅浮在熔池的表面或位于焊縫根部。由于鋅的熔點遠遠低于鐵，熔池中的鐵首先結晶，液態鋅會沿著鋼的晶界滲入其中，導致晶間結合變弱。而且鋅與鐵之間易形成金屬間脆性化合物Fe3Zn10和FeZn10，進一步降低了焊縫金屬的塑性。因此在焊接殘余應力的作用下易沿晶界裂開，形成裂紋。

為了避免合金成分與表面鋅層對母材焊接性能的雙重影響，考慮在含碳量不變的情況下，選用Si及Mn含量相對較低的焊絲型號，故項目組在ER50系列焊絲里選擇了ER50-3作為焊接材料替換對象。

4 小結

通過在焊接過程中采用焊接機器人、在鍍鋅板焊接處開坡口V，并在坡口周圍打磨去除鋅層、采用Ar（80%）+CO2（20%）混合氣作為保護氣體、采用低電流慢速焊接、選用ER50-3作為焊接材料等一系列優化方案，不僅解決了公司ATP列控車載機柜接地螺釘的焊接質量問題，同時減少了焊接作業對操作人員身體的危害。

參考文獻：

[1] 曾樂.現代焊接技術手冊[M].上海：上海科技出版社，2009.

[2] 趙熹華.焊接檢驗[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 張文鉞.焊接冶金學：基本原理[M].北京：機械工業出版社，2008.

作者簡介：

方超，男，江蘇人，上海鐵路通信有限公司工藝部工藝工程師。

（上海鐵路通信有限公司，上海 200436）