兩種常見焊接接頭的機器人焊接工藝

李杰，周鵬，惠媛媛

(1.西安航空職業技術學院，西安 710089；2. 蘭州理工大學，省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050)

0 前言

近幾十年來，隨著電子技術、計算機技術、信息技術和自動控制技術等的發展，自動化焊接技術特別是機器人焊接技術得到了快速發展，自動化焊接已經成為今后焊接發展的方向，將在一些行業中逐漸替代傳統的手工焊接工藝[1-4]。目前用于實際生產的弧焊機器人，其焊接路徑、焊接姿態和焊接工藝參數的設置完全基于手工焊接的經驗參數。焊接機器人的焊接不同于人的焊接過程，工人在焊接過程中能夠聽到電弧的聲音，感受到焊槍的反作用力，觀察到熔池表面流動情況，利用這些信息，工人能夠評估焊接過程是否達到所希望的狀態，通過自己的焊接經驗實時地調整焊接姿態和焊接參數最終達到所希望的焊接狀態[5-7]。焊接機器人的焊接是一個自動化過程，焊接路徑、焊接姿態和焊接工藝參數也不同于人的經驗參數。因此，全面深入系統的研究焊接機器人各工藝參數對焊縫成形和焊接質量的影響是十分必要的，這對實現機器人代替工人焊接有重要的意義。

目前關于焊接機器人的相關研究，科研院所主要開展焊接機器人控制技術、傳感器技術和機器人本體結構優化等的工作[8-9]；職業院校主要開展焊接機器人示教-再現操作、基本功能應用和調試與故障排除等的工作；但關于焊接機器人具體焊接工藝參數對焊縫成形和焊接質量影響的研究較少。

對接接頭和T形接頭是焊接結構中應用最廣泛的接頭形式，文中主要研究了中厚板對接接頭、T形接頭的機器人焊接工藝，分析了電弧電壓、焊接電流、焊接速度等對兩種焊接接頭焊縫成形的影響。這對焊接機器人的實際工程運用有指導作用，有助于制定和優化具體工程中機器人焊接的工藝參數。

1 試驗方法

試驗材料為Q235鋼板,試件規格為300 mm×100 mm×8 mm和300 mm×100 mm×6 mm。8 mm厚鋼板開對稱V形坡口,坡口角度60°,留鈍邊0.5～1 mm；6 mm厚鋼板不開坡口；焊前清除待焊焊縫兩側20 mm范圍內的氧化物、油污等。填充焊絲采用直徑1.2 mm焊絲，型號為ER 49-1；焊接保護氣體為80% Ar + 20%CO2混合氣，氣體流量為18 L/min；機器人焊槍擺動形式均為一次函數；對接焊縫焊絲伸出長度為15 mm，角焊縫焊絲伸出長度為18 mm。試驗采用弧焊機器人和CPVE 400R 型焊接電源。

2 焊接過程及結果分析

2.1 板板對接打底焊

采用焊接機器人進行了板對接接頭的焊接，合理的焊縫排列方式，可有效避免焊縫夾渣和層間未熔合等缺陷，對于8 mm 厚板對接V形坡口焊接采用兩層兩道焊，以保證焊接接頭質量，提高焊接效率。按照前期基礎試驗數據積累，研究焊接工藝參數對板V形坡口對接打底焊焊縫成形的影響因素，主要包括坡口根部間隙、焊槍角度、焊槍擺動振幅寬度和頻率、焊槍上下振幅停留時間、焊接電流、電弧電壓、焊接速度和焊絲伸出長度。試驗表明，在打底焊焊接過程中，坡口根部間隙、焊槍角度、焊接電流、電弧電壓和焊接速度對打底焊焊接質量和焊接成形有顯著影響。

在實際中厚板焊接中，兩板間的根部間隙對打底焊縫根部熔合有明顯影響[10]，文中分析了坡口根部間隙對打底層焊縫成形的影響，焊接工藝參數見表1。結果發現，當根部間隙為 2 mm時，由于焊接電弧未能穿透坡口根部間隙，坡口根部金屬未完全發生熔化，打底層焊縫出現了明顯的未焊透現象。當根部間隙為2.5 mm 時，試驗發現約有1/3的電弧穿過根部間隙燃燒，坡口根部兩側金屬完全發生熔化；打底層正面焊縫下凹、成形美觀、焊縫波紋均勻，打底層背面焊縫熔合良好，如圖1a所示。數顯游標卡尺測得背面焊縫余高為0.6 mm,背面焊縫寬度為4.11 mm;由此可知坡口根部兩側約0.8 mm 的金屬發生了熔化。當根部間隙為3.2 mm 時，焊縫根部兩側液態金屬下淌而使焊縫成形不良，未形成連續焊縫，如圖1b所示。這是由于根部間隙較大時，根部焊縫成形所需要的熔化金屬量增加，同時焊接電弧的熱效率也有所降低，因此熔化的焊絲和母材金屬不足以填充坡口根部；除此之外，間隙增大，氣體間隙增大，維持電弧的難度越大，焊接過程不穩定性及出現“斷弧”現象[11]，形成不連續焊縫。

表1 打底焊不同坡口間隙下的焊接工藝參數

圖1 不同坡口間隙下的焊縫成形

通過分析焊槍角度(焊槍中心線與焊接行走方向之間的夾角)對打底層焊縫成形的影響，結果發現，在其它焊接工藝參數一定的情況下，當焊槍角度為90°時，打底層焊接易出現未熔合，背面焊縫余高較高的現象，如圖2所示。這是由于電弧直接作用于根部間隙，全部焊接熔池位于坡口根部，此時熔化的液態金屬在電弧力和重力的作用下會向焊縫背面流動，致使背面焊縫余高變高；另一方面側壁熔合的金屬量變少，在接近側壁的區域易產生未熔合的焊接缺陷。當焊槍角度為85°時，部分電弧作用于已凝固的金屬，部分電弧作用于坡口根部，已凝固金屬對焊接熔池有一定的支撐作用，可避免大量液態金屬向焊縫背面流動，同時作用于坡口根部的電弧又能保證根部金屬熔化，因此可獲得成形良好的焊縫。

圖2 焊槍角度90°時的焊縫成形

試驗還分析了焊接速度對打底層焊縫成形的影響，在其它焊接工藝參數一定的情況下，當焊接速度為20 cm/min時，由于焊接速度過快，焊接熱輸入不足，焊縫中易出現未熔合缺陷。當焊接速度為15 cm/min時，獲得了成形良好的焊縫，如圖1a所示；游標卡尺測得背面焊縫寬度為4.11 mm，高度為0.6 mm。當焊接速度為10 cm/min時，焊縫成形良好，但焊接效率降低；與焊接速度為15 cm/min時的背面焊縫對比，結果發現背面焊縫寬度有所變寬，約為4.68 mm；背面焊縫高度明顯變高，達到了1.37 mm，該值超出了Ⅰ級焊縫等級標準范圍。

分析焊接電流對打底層焊縫成形的影響，結果發現，在其它焊接工藝參數一定的情況下，當焊接電流為90 A時，焊接熱量不足，坡口根部兩側母材熔合不良，在靠近母材側壁的區域易形成未熔合等缺陷，如圖3a所示。當焊接電流為110 A時，由于焊接熱量熱輸入較大，坡口根部兩側母材熔化量增加，在焊接中心區域出現了燒穿，如圖3b所示。

試驗還分析了電弧電壓對打底層焊縫成形的影響，在其它焊接工藝參數一定的情況下，不同的電弧電壓下，均獲得了成形良好的打底層焊縫，當電弧電壓為20 V時，背面焊縫部分區域出現了輕微的未熔合，如圖4所示。表2所為不同電弧電壓下的焊縫背面寬度和余高，可以看出，電弧電壓對打底層背面焊縫寬度無明顯影響，但對背面焊縫余高有影響，當電弧電壓為20 V時，背面焊縫余高顯著減小。

基于以上試驗數據，對8 mm中厚板對接平位打底焊焊接工藝進行了優化，優化后的打底焊焊接工藝參數見表3。在該焊接工藝參數下獲得了成形美觀、熔合良好的焊縫，如圖5所示。游標卡尺測得背面焊縫寬度為4.04 mm，背面焊縫余高為0.17 mm，該數值符合Ⅰ級焊縫等級標準要求。

2.2 板板對接蓋面焊

前期試驗中，該課題已進行了一系列關于焊接機器人平敷焊的試驗[12]，積累了大量有效數據。板對接平位蓋面焊過程與平敷焊過程類似，在此基礎上，結合蓋面焊特點進行了蓋面焊焊接試驗，通過試驗優化了焊接工藝參數，見表4。焊接過程中焊槍在V形坡口棱邊兩側稍作停留，防止產生咬邊、未熔合等。在上述工藝參數下獲得的蓋面焊焊縫如圖6所示，可以看出焊縫成形美觀，寬窄、高低均勻，波紋均勻細膩，無焊接缺陷產生。游標卡尺測得正面焊縫寬度為14.20 mm，正面焊縫高度余高為1.22 mm。

圖3 不同焊接電流下的焊縫成形

圖4 電弧電壓20 V下的焊縫成形

表2 不同電弧電壓下的背面焊縫尺寸

表3 優化后的打底焊焊接工藝參數

圖5 優化焊接工藝參數下的焊縫成形

表4 蓋面焊焊接工藝參數

圖6 蓋面焊焊縫成形

2.3 板板T形接頭焊接

采用弧焊機器人進行了6 mm厚T形接頭的焊接，試驗。試驗結果表明，對6 mm厚T形接頭采用單層單道焊即可獲得符合Ⅰ級焊縫等級標準的角焊縫。機器人T形接頭焊接主要工藝參數包括電弧電壓、焊接電流、焊接速度、焊槍中心線與立板及水平板之間的夾角、焊槍中心線與焊接行走方向的夾角。焊接過程中焊槍中心線與焊接行走方向的夾角為90°，焊槍與立板、水平板之間的夾角為45°，拼焊間隙為0 mm[13]。

文中主要試驗了焊接速度、焊接電流和電弧電壓對角焊縫焊縫成形、焊腳尺寸和焊縫凸度的影響。分別選取焊接速度15 cm/min,20 cm/min,25 cm/min和30 cm/min對T形接頭進行焊接，具體焊接工藝參數見表5。用焊縫量規測得了不同焊接速度下角焊縫的焊腳尺寸和焊縫凸度，如圖7所示，可以看出，隨著焊接速度的變大，焊腳尺寸逐漸變小，當焊接速度為20 cm/min 時，焊腳尺寸為6.8 mm；當速度不高于25 cm/min 時，焊縫凸度隨著焊接速度的增加而增加，這是由于當焊接速度增加時，焊接熱輸入減小，熔池的凝固速度增加，不利于液態金屬的流動，易形成凸度較大的焊縫。當速度大于25 cm/min 時，角焊縫單位長度的填充金屬不足，焊縫凸度變小。

表5 T形接頭不同焊接速度下的焊接工藝參數

通過分析電弧電壓對角焊縫焊縫成形、焊腳尺寸和焊縫凸度的影響，結果發現，其它焊接工藝參數一定的情況下，隨著電弧電壓的增大，角焊縫焊腳尺寸稍有增大，焊縫凸度明顯變小，如圖8所示。圖9所示為不同電弧電壓下的角焊縫成形，從圖可以看出，當電弧電壓為19 V時，角焊縫焊縫中心明顯凸出，焊縫兩側棱邊熔合不良；當電弧電壓為23 V時，角焊縫下凹，焊縫兩側棱邊熔合良好。

圖7 不同焊接速度下的焊腳尺寸和焊縫凸度

圖8 不同電弧電壓下的焊腳尺寸和焊縫凸度

圖9 T形接頭不同電弧電壓下的焊縫成形

試驗還分析了焊接電流對角焊縫焊腳尺寸和焊縫凸度的影響，在其它焊接工藝參數一定的情況下，不同焊接電流下角焊縫焊腳尺寸和焊縫凸度幾乎保持不變，僅略有增加，如圖10所示。這說明，在一定的電流范圍內，焊接電流對角焊縫焊腳尺寸和焊縫凸度的影響不顯著。

基于上述的試驗數據，對6 mm厚T形接頭焊接工藝參數進行了優化，優化后的焊接工藝參數見表6，在此焊接工藝參數下的焊縫成形如圖11所示。可以看出，角焊縫兩焊趾區域熔合良好，焊縫平齊，焊縫表面微下凹，測得焊腳尺寸為6.8 mm。

圖10 不同焊接電流下的焊腳尺寸和焊縫凸度

表6 優化后的T形接頭焊接工藝參數

圖11 T形接頭焊縫成形

3 結論

(1)通過板對接打底焊發現，坡口間隙過小易產生未焊透焊接缺陷；坡口間隙過大、焊接電流過小、電弧電壓過高和焊接速度過高時易產生未熔合缺陷；焊接過程中焊槍角度與焊接方向的夾角15°左右為宜，有助于背面焊縫成形；焊接電流過大時，出現了燒穿現象；焊接速度過低時，背面焊縫余高明顯變大。

(2)對8 mm厚板板對接平位打底焊，在電弧電壓17.5 V，焊接電流100 A，焊接速度15 cm/min，焊槍角度85°，坡口間隙2.5 mm，焊槍擺動頻率1 Hz，焊槍左右振幅2.2 mm，焊槍左右停留時間0.3 s時，可獲得正反面成形美觀，熔合良好的打底層焊縫。

(3)通過T形接頭焊接試驗發現，隨著焊接速度的減小、電弧電壓的變大，焊腳尺寸變大；電弧電壓對焊縫的凸度有明顯影響，當電弧電壓為23 V時，形成了下凹的角焊縫；焊接電流對焊腳尺寸和焊縫凸度的影響不顯著。

(4)對6 mm厚T形接頭平角焊，在電弧電壓23 V、焊接電流180 A、焊接速度20 cm/min、焊槍與立板及水平板之間的夾角45°、焊槍與焊接行走方向的夾角90°時，可獲得兩焊趾區域熔合良好，焊縫平齊，波紋均勻，焊縫表面微下凹的角焊縫。