GMAW工藝參數對傾斜位置的穿孔塞焊焊縫成形的影響研究

修延飛　都婧婧　朱躍德　包明杰　李美琳

摘要：為實現某三代核電站屏蔽廠房鋼筋穿孔塞焊在一定傾斜角度下的GMAW自動化焊接，提出了一種針對傾斜位置的穿孔塞焊焊縫成形的焊接路徑和工藝控制策略。通過試驗研究了焊接路徑、焊接姿態、焊接氣體成分等GMAW工藝因素對穿孔塞焊接頭在傾斜位置下的焊縫成形的影響。結果表明，采用360°順逆交替和細化層道可以有效控制熔池下淌，保證表面余高在2 mm以內;當焊槍工作角θ調整為15°且焊接方向角φ為6°～10°時，電弧力可有效抵消重力的切向分量的影響，有效避免側壁和層間未熔合缺陷;相較于φ（Ar）98%Ar+φ（O2）2%混合氣體，φ（Ar）80%+φ（CO2）20%配比能明顯提高熔池金屬的表面張力，有助于穿孔塞焊表面及根部焊道成形。

關鍵詞：穿孔塞焊;路徑規劃;GMAW自動焊;焊縫成形

中圖分類號：TG444 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0117-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.23

0 前言

隨著模塊化施工技術和理念的發展，采用穿孔塞焊設計的埋件和預制墻體結構得到了廣泛應用[1]。以某三代核電站屏蔽廠房為例，其設計上采用內外層雙層鋼板，鋼板間采用鋼筋連接的混凝土鋼結構，連接鋼筋與鋼板的穿孔塞焊接頭數量多達17萬個。目前普遍采用GMAW手工氣保焊進行穿孔塞焊，勞動強度大、效率低，對自動化焊接應用具有明顯的需求。

自動焊技術應用的前提是裝配精度要求高，且焊縫位置一致或者采用變位機的方式調整成統一位置。中建鋼構的于增廣[2]等人將機器人GMAW自動焊應用于預埋件穿孔塞焊中，但對塞焊孔的加工和裝配的一致性要求極高且需要工裝輔助，同時焊接過程需要示教，多適用于小型預埋件且難以適應復雜空間焊縫。而由于某些大型結構無法采用變位機，此時傾斜位置熔池受重力下淌[3-4]，焊縫成形工藝控制顯得尤為重要。目前在全位置熔池控制方面，國內外學者主要研究了焊接電源特性和焊絲成分、控制線能量采用小熔池快速冷卻抑制下淌[5-7]。該方案多應用于管道對接直縫，對類似穿孔焊接帶弧度的坡焊且局部高溫下的熔池控制研究很少。傾斜位置穿孔塞焊焊縫熔池受重力影響下淌，焊縫表面成形上凹下凸，易造成余高超標。此外，焊接過程涉及上坡焊和下坡焊，熔池控制難度大，鐵水下淌易造成側壁及層間未熔合，進而影響焊縫有效熔深，因此需針對影響穿孔塞焊余高、側壁熔合及有效熔深等特征量的GMAW工藝參數進行研究。

傾斜位置的熔池成形控制策略大體上可分為快速凝固技術和熔池穩定成形控制技術，其中快速凝固技術主要限制能量輸入，加速熔池凝固，而熔池穩定成形技術主要從熔池受力角度，提高表面張力或改變熔池電弧力方向，以抵消重力的切向分量對熔池的影響。因此本文重點分析焊接路徑、焊接姿態、焊接保護氣體成分對穿孔塞焊接焊縫成形的影響規律，提出了一種傾斜位置的穿孔塞焊焊縫成形焊接路徑和工藝控制策略，為穿孔塞焊類接頭的離線編程GMAW自動焊接系統的應用提供了關鍵的工藝基礎。

1 試驗材料與方法

屏蔽廠房為子模塊拼接成的筒體墻，單個子模塊弧長長約12 m;弧形面板造成穿孔塞焊接頭傾角從中間向兩側不斷變化，最大傾角15°，如圖1所示。試驗設備為配備結構光視覺識別傳感器的機器人焊接系統。穿孔塞焊接頭母材為Q345B及鋼筋HRB400E，焊縫間隙2～3 mm，結構尺寸如圖2所示，有效熔深不小于11 mm。采用GMAW工藝，焊接電流160～190 A，電壓21～23 V，焊材為ER80S-G實心焊絲。采用不同的路徑、姿態和保護氣體成分焊接8件試件，焊接完成后切開試樣，并采用砂紙打磨斷面及4%的硝酸酒精溶液腐蝕處理斷面，最后在光學顯微鏡下觀察和分析各種工藝因素對成形特征量的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接路徑對穿孔塞焊焊縫成形的影響

焊接路徑規劃涉及焊接方向和焊接層道布置兩個方面。為保證起弧處封底焊道質量，起弧位置選擇在6點鐘平焊位置，焊接方向采取單向連續焊接、360°順逆交替焊接或雙向對稱上坡焊接，如圖3所示。

由于雙向對稱上坡焊會造成起收弧點過多易出現缺陷，且焊接效率降低，故不宜采用。分別測試了單向連續焊和360°順逆交替焊在不同層道分布下的焊縫成形，結果如表1所示。

上坡焊時，重力有助于熔池金屬排向熔池尾部，因而熔深大、熔寬窄、余高大。下坡焊時，該作用阻止熔池金屬排向熔池尾部，電弧不能深入加熱熔池底部金屬，熔深減小，電弧斑點移動范圍擴大，熔寬增大，余高減小。因此，上下坡焊縫熔敷金屬厚度和余高均有差異。試驗結果表明，與單向連續焊相比，采用360°順逆交替的方式使后一層補償前一層的熔敷厚度，有效降低了左右半圓余高累計差值，由最高值2.5 mm降至0.8 mm。此外，采用4道焊接可減少單層焊道的熔池量和熱量輸入，進一步縮短熔池的凝固時間，從而有效控制熔池受重力下淌的趨勢，成形后的余高基本控制在2 mm左右。

2.2 焊接姿態對穿孔塞焊焊縫成形的影響

焊接姿態可由焊槍工作角θ和焊接方向角ψ來描述，是影響熔池形態的重要因素。本項目中焊槍工作角是指焊槍軸線與鋼筋軸線之間的夾角，焊接方向角是指焊槍軸線與焊接方向矢量的垂線之間的夾角。

（1）焊槍工作角θ。分別以13°、15°、18°三個傾角進行焊接試驗，擺動后焊絲距鋼板和鋼筋側壁的距離均為1 mm，并進行了宏觀金相檢測，結果如表2所示，對應的焊縫宏觀金相如圖4所示。

由圖4可知，由于鋼筋導熱性能較差、容積熱容小，故熔化單位體積金屬所需熱量就越少，因此在焊接電流等其他條件一定的情況下，鋼筋側熔化量及熔深明顯大于鋼板側。液體金屬密度是溫度的函數[8]，溫度高則密度小，反之亦然。由于熔池溫度分布不均勻導致熔池內各點密度不同，而密度差將使液體金屬從低溫區向高溫區流動，由于鋼筋一側熱源集中且熱量擴散慢，鐵水容易向熱量高的鋼筋一側流動，此時未完全熔化的鋼筋就被熔敷金屬覆蓋形成虛焊現象，造成鋼筋未熔合。隨著工作角由13°增加到18°，鋼筋側熔深越來越大，而坡口側則越來越小，試驗結果表明當工作角為15°時，兩側實現了良好的熔合，熔深達到12.3 mm，同時各焊道較為平整，有利于保證下一層焊接后的層間熔合質量。

（2）焊接方向角ψ。在上坡焊和下坡焊位置，重力的切向分量作用會破壞熔池的穩定性，是影響焊縫成形的主要因素。此時通過焊接方向角控制電弧力方向，進而平衡重力的切向分量的影響。尤其在下坡焊時，焊接速度過慢，熔池中液態金屬將流到電弧前面，電弧在液態金屬上燃燒，導致焊縫熔合不良，形成未焊透。當方向角ψ為6°～10°時，可有效控制穿孔塞焊熔池下淌，避免了由此產生的未熔合缺陷。

2.3 保護氣體成分對穿孔塞焊焊縫成形的影響

較小的熔池金屬的表面張力可以降低流動性，有利于提高熔池的穩定性，其大小除了受液體金屬成分和溫度影響外，還受保護氣體成分的影響。目前主要采用混合氣作為GMAW保護氣體，尤其在細化熔滴、控制熔深等方面優勢明顯。對于碳鋼和低合金材料，一般采用Ar+O2或者Ar+CO2兩種。本文分別采用φ（Ar）98%+φ（O2）2%、φ（Ar）80%+φ（CO2）20%兩種氣體配比進行穿孔塞焊的工藝試驗，結果如表3和圖5所示。

由圖5可知，少量O2的加入在提高電弧的氧化性同時降低了表面張力，使得Ar-O2保護氣體下熔池流動性明顯高于Ar-CO2，其根部熔池下淌量達到約3 mm，表面余高約為2.8 mm，下淌造成的根部未熔合使得有效熔深減少至10.5 mm。而Ar-CO2保護氣熔池的表面張力高于Ar-O2，根部焊道基本無下淌，焊道成形呈“駝峰狀”，有效熔深達12.3 mm。由此可見，表面張力的提高有效減弱了熔池金屬在重力作用下的流動，表面及根部焊道均獲得了良好的成形。

3 結論

（1）通過對比GMAW自動焊不同焊接路徑下的焊縫成形發現，采用了360°順逆交替的方式，后一層補償前一層的熔敷厚度，使左右半圓的熔敷厚度基本一致，同時采用細化層數進一步減小鐵水下淌帶來的余高問題，進而獲得了比較理想的焊縫表面成形。

（2）鋼筋較鋼板的導熱差，溫度上升快，電弧和熔池向鋼筋側傾斜，當GMAW自動焊焊槍工作角調整為15°時，焊道平整、兩側和層間熔合情況較好。當焊接方向角ψ為6°～10°時，電弧力可有效抵消重力的切向分量影響，同時避免未熔合缺陷的出現。

（3）相較于φ（Ar）98%+φ（O2）2%混合氣體，采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%配比的GMAW工藝可明顯提高熔池金屬的表面張力，穿孔塞焊接頭的表面和根部均可獲得更好的成形尺寸。

參考文獻：

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