水工鋼結構雙面坡口機器人焊接工藝

蔡云秀　李斗　李飛

摘要：基于弧焊機器人對接平焊雙面不對稱坡口焊接工藝，通過試驗研究焊接電流、焊接速度等工藝參數對焊接質量的影響。結果發現：針對20 mm厚Q345B熱軋鋼板不對稱雙邊坡口，打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min時，焊縫成形良好，填充高度合適，焊縫背面根部成形良好;采用脈沖MAG焊接，電流245 A、焊接速度0.25 m/min時，背面焊縫根部完全熔透，焊縫熱影響區未出現淬硬組織，且鈍邊處的熔寬由常規MAG焊的3 mm增加至5 mm，解決了水電水工鋼結構行業焊接自動化應用不清根難以實現的工藝難題。

關鍵詞：弧焊機器人;脈沖MAG焊;中厚板;不清根;雙面不對稱坡口

中圖分類號：TG444+.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.22

0 前言

隨著先進制造技術的發展，實現焊接產品制造的自動化、柔性化及智能化已成為必然趨勢。風電設備、機械工程、鐵路車輛和航空航天等領域廣泛引入機器人焊接技術，大大提高了生產過程的自動化程度。既很好地保證了焊件質量，提高了生產效率，又降低了工人的勞動強度，改善了焊接生產環境[1-2]。

在常規中厚板焊接中，一般鋼板開V型或雙邊V型坡口，機器人焊接工藝尚不成熟，使得其在很多領域仍處于空白[3]。在水電水工鋼結構焊接領域，水電水工鋼結構水閘門的生產過程中涉及大量中厚板的焊接，一般是對鋼板開雙邊V型坡口，先進行打底焊，對背面焊縫清根之后再進行填充和蓋面焊[4-5]。但是對焊縫的清根處理限制了弧焊機器人自動化焊的應用。因此解決中厚板焊接時背面清根的問題，對于實現高效的機器人自動化焊接具有重要的意義。

1 焊接性分析

試件選用20 mm厚Q345B熱軋鋼板，執行標準GB/T 1591-1994，化學成分如表1所示。

由Ceq=C+++求出Q345B鋼的碳當量為0.49%，為中高碳鋼，有淬硬傾向，對焊接熱過程敏感，需嚴格遵守焊接工藝規范。

2 焊接方法與設備

試樣鋼板尺寸600 mm×200 mm×20 mm，X5032銑床加工K型坡口，坡口角度50°，留2 mm鈍邊，連接方式為對接，坡口形式如圖1所示。采用德國KUKA Kr6arc機器人、德國EWM 522RC Plus force Arc焊接電源，直徑φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊絲，其化學成分如表2所示，采用φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣體MAG焊，氣體流量18 L/min。使用引弧板和熄弧板對接頭進行點固，一是固定試件得到一條間隙2 mm的焊縫，二是有效預防焊接過程中的變形，點固后的試件使用焊接夾具剛性固定。

3 焊接工藝試驗結果及分析

焊接工藝參數如表3所示。

不同焊接電流、焊接速度的對接接頭打底正反面宏觀形貌如圖2所示。由圖2a、圖2d可知，當焊接電流為160 A、焊接速度為0.22 m/min時，焊縫成形一般，填充高度不足，背面根部高度過小，正面填充根部熔透困難，根部易出現未焊透現象。由圖2b、圖2e可知，當焊接電流為160 A，焊接速度為0.25 m/min時，焊縫成形不佳，但焊縫背面根部成形良好。由圖2c、圖2f可知，當焊接電流增至170 A、焊接速度為0.25 m/min時，焊縫成形良好，填充高度合適，焊縫背面根部成形良好。

不同焊接電流及焊接模式下焊縫截面宏觀金相圖如圖3所示。由圖3a可知，背面打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接電流為210 A、焊接速度0.25 m/min時，根部出現未焊透、未熔合焊接缺陷。由圖3b可知，背面打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接電流增加到245 A時，金屬填充量隨之增加，但焊接熔深并未隨之增加，根部反而出現更加嚴重的未焊透、未熔合焊接缺陷。由圖3c可知，背面打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接電流為245 A時，采用脈沖模式，峰值電流460 A，脈沖寬度Tp=1.6 ms，脈沖頻率185 Hz，焊縫根部熔透情況良好，未出現未焊透、未熔合等焊接缺陷。

由圖3a、圖3b可知，正面填充焊接電流由210 A增至245 A，未起到增大熔深的效果，背面打底焊與正面填充焊之間仍然存在未焊透、未熔合現象，并且增大電流后，熔敷金屬的大量增加造成了填充焊與坡口面之間產生大面積的未熔合缺陷。這是由于隨著電流的增大，熔敷金屬增加，電弧未達到背面焊縫根部而是直接打到熔池上造成的。由圖3b、圖3c可知，在焊接工藝參數相同的情況下，由常規MAG焊切換成脈沖MAG焊后，背面打底焊與正面填充焊之間熔透情況良好，未出現未熔合現象，且使用脈沖MAG焊的6號焊縫的根部熔寬由3 mm增至5 mm。這是因為脈沖MAG焊提供周期變化的脈沖電流，從而控制熔滴過渡和焊接熱輸入。在實際焊接時，脈沖MAG焊希望達到一個脈沖一滴或者幾滴（2～3滴）。脈沖MAG焊焊接電流波形如圖4所示，脈沖波形主要參數有：基值電流Ib、脈沖電流Ip、脈沖寬度Tp、基值時間Tb。其中基值電流Ib和基值時間Tp維持電弧穩定燃燒，同時對預熱焊絲和母材提供一定的能量。脈沖電流Ip和脈沖寬度Tp決定脈沖能量，通過采用脈沖MAG焊增加脈沖電流Ip，隨著脈寬比的增大，占空比也增大，脈沖峰值電流輸入的時間增加，所以焊接電流平均值和有效值增加，焊縫熔深增大[6]。

圖5a是6號焊縫熱影響區顯微硬度測試點分布示意，圖5b、5c是6號焊縫熱影響區顯微硬度測試后帶壓痕金相顯微組織。由圖可知，Q345B的母材組織由鐵素體、珠光體組成，呈長條狀分布，焊后熱影響區組織由鐵素體、珠光體組成，鐵素體組織呈針葉狀分布。

6號焊縫熱影響區顯微硬度測試結果如圖6所示。由圖可知，由焊接接頭熔合線附近距焊縫表面2 mm處垂直焊縫以測試間距0.05 mm向外移動，1號點顯微硬度為280.7 HV，2號點顯微硬度為263.7 HV，3號點顯微硬度為254.6 HV，4號點顯微硬度237.8 HV，5號點顯微硬度231.3 HV，焊縫熱影響區并未出現淬硬組織，符合焊接工藝規范要求。

5 結論

針對20 mm厚Q345B熱軋鋼板不對稱雙邊K型坡口，使用機器人脈沖MAG焊，可以實現在不清根的前提下，直接進行正面填充，解決了水電站水工閘門領域機器人焊接自動化難以實現的難題。打底采用電流170 A、焊接速度0.25 m/min工藝參數時，焊縫成形良好，填充高度合適，焊縫背面根部成形良好;采用脈沖電流245 A、焊接速度0.25 m/min填充時，背面焊縫根部完全熔透，焊縫熱影響區未出現淬硬組織，熔寬由常規MAG焊的3 mm增至5 mm。

參考文獻：

[1] 徐方. 工業機器人產業現狀與發展[J]. 機器人技術與應用，2007（5）：2-4.

[2] 唐新華. 焊接機器人的現狀及發展趨勢（二）[J]. 電焊機，2006（4）：43-46.

[3] 劉偉，周廣濤，王玉松. 中厚板焊接機器人系統及傳感技術[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[4] 趙宏磊. 淺談閘門焊接工藝[J]. 內蒙古水利，2013（1）：6768.

[5] 林尚揚，陳善本，李成桐，等. 焊接機器人及其應用[M]. 北京：機械工業出版社，2000：231-232.

[6] 郭勝. 脈沖埋弧焊工藝研究及工程應用[D]. 天津：天津大學，2005.