工業機器人CO2氣體保護焊焊接工藝研究

王澤蔭

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

CO2氣體保護焊是一種焊接質量可靠、工作效率很高的半自動焊接技術，多年來，該技術非常廣泛地應用于機械制造行業當中。隨著自動化、智能化技術的發展，將CO2氣體保護焊技術與工業機器人技術結合起來，形成工業機器人CO2氣體保護焊，是目前焊接行業和機器人行業發展的一個主流趨勢。

某制造廠的主要產品為塔式起重機，焊接工序是該產品的主要生產環節，在生產過程中，焊接工作量大,質量要求高,技術難度大。為了提高生產效率、保證焊接質量、降低生產成本、提高經濟效益，實現由傳統制造方式向智能制造方式的轉型，該制造廠采用了型號為ABBIRB 1600-10/1.45的工業機器人和Artsen CM500RⅡ焊機進行生產。現對工業機器人CO2氣體保護焊焊接過程中存在的問題和焊接工藝進行研究。

1 存在的問題

為了獲得最佳的焊接工藝參數來指導生產和和提高焊接質量，選用了不同的方式和參數對機器人CO2氣體保護焊進行了試驗、研究、分析，發現常見的問題主要有以下幾個方面：

1.1 焊接缺陷

采用工業機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，主要的焊接缺陷形式是氣孔和裂紋。

（1）氣孔

在采用工業機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，由于熔池表面蓋覆的熔渣量很少，CO2氣流又有較強的冷卻作用，因而熔池中液態金屬凝固的速度比較快，導致液態金屬內部的氣體來不及逸出[1]，殘留于焊縫中形成氣孔。

采用工業機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，產生的氣孔主要有以下3種：CO氣孔、H氣孔和N氣孔。

①CO氣孔

產生CO氣孔的原因是熔池中的FeO和C發生了還原反應：

FeO+C==Fe+CO

該反應活性最強的溫度范圍是熔池結晶時的溫度，由于此時熔池已經開始凝固，致使CO氣體來不及逸出，于是在焊縫中形成CO氣孔[1]。

解決措施：增加焊接材料中的脫氧元素Si和Mn；限制焊接材料中的含C量。

②H氣孔

如果在焊接過程中熔池中溶入了大量的H2，在熔池金屬結晶時又不能充分、及時地排出，則在焊縫金屬中會形成H氣孔。

H元素主要來自于焊絲、工件表面的油污及鐵銹、CO2保護氣體中所含的水分，其中CO2保護氣體中的水分是引起H氣孔的主要原因[1]。

解決措施：清除工件和焊絲表面的油污及鐵銹；降低CO2氣體中的水分；另外，當采用以熔池為負極的直流反極性焊接時，熔池將發射大量的電子，使其表面的H離子復合為H原子而逸出，從而減少熔池中的H離子數量[1]。采用直流反極性焊接產生H氣孔的概率是采用直流正極性焊接時的1/3～1/5。

③N氣孔

焊縫中的N2主要來自于電弧和熔池周圍的空氣以及CO2保護氣體。正常情況下保護氣體中的N2含量≤1%，由CO2保護氣體純度不夠引起N氣孔的可能性不大。焊縫中產生N氣孔的主要原因是保護氣層遭到破壞，大量空氣侵入弧柱區和焊縫區所致[2,3]。

造成保護氣層失效的因素有：CO2氣體流量過小；飛濺物堵塞噴嘴；噴嘴與工件的距離過大；焊接場地有側向風等[2,3]。

解決措施：保證氣路暢通和氣層穩定；適當增加CO2保護氣體流量；增設防風板或在室內無風環境中焊接。

電弧電壓的增高，增大了空氣侵入弧柱區和焊縫區的幾率，在焊縫中產生氣孔的幾率也隨之增大；隨著焊接速度的降低，單位體積內的熱輸入量增加，熔池中溫度下降的速度減慢，結晶速度隨之變慢，液態金屬中的氣體有足夠的時間逸出，產生氣孔的可能性就越小，相反，焊接速度越快，熔池結晶速度也越快，則氣體不易排出，易產生N氣孔[2,3]。

（2）裂紋

在采用工業機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，產生的裂紋主要形式有結晶裂紋和液化裂紋。

①結晶裂紋

由于工業機器人CO2氣體保護焊采用的保護氣體的主要成分是CO2，具有較強的冷卻作用，另外，機器人CO2氣體保護焊在焊縫表面形成的熔渣非常稀薄，熔池及焊縫表面的熱量散失速度快，導致不同部位焊縫的晶粒體積大小在熱作用下的變化不一致，各晶粒之間會產生較大的拘束應力，晶粒間拘束應力的存在，是產生結晶裂紋的根本原因。

表2 焊接工藝參數

②液化裂紋

在采用多層多道焊時，容易產生液化裂紋，液化裂紋主要存于母材的近縫區上母材向焊縫凸進去的部位，形成的原因主要是受焊接熱循環的作用，熔合區和過熱區的晶界熔化，形成球滴狀孔洞。

當母材或焊材中的C元素含量較高時，熔池重新冶煉的過程中會產生硬而脆的碳化物，這類碳化物將會導致焊縫開裂；當母材或焊材中S元素的含量較高時，焊縫容易產生熱裂紋；當母材或焊材中P元素的含量較高時，可使焊縫的強度和硬度增加，而塑性和韌性則顯著降低，容易產生裂紋，特別在溫度較低時更容易導致產生裂紋。

為了防止焊縫裂紋的產生，解決的措施主要有：限制焊縫中C、S、P等元素的含量；通過焊絲增加Mn、Ti、Zr等合金元素的含量來提高焊縫抗熱裂紋的能力；提高焊縫的成型系數ψ=H/W；焊前對工件進行預熱；采用堿性焊絲；設計合理的焊接接頭形式，降低接頭的剛度和拘束度。

1.2 飛濺

與焊條電弧焊、埋弧焊相比，機器人CO2氣體保護焊的飛濺較為嚴重，產生飛濺的原因主要有以下幾個方面：

（1）工藝因素的影響

影響飛濺率的主要工藝因素有焊接電流、電弧電壓、干伸長、焊絲直徑、回路串聯電感量、電流極性等。隨著焊接電流、電弧電壓、干伸長、焊絲直徑、回路串聯電感量的增大，飛濺傾向明顯增大。采用直流正接時比直流反接時的飛濺嚴重。

經現場試驗得知，當焊接工藝參數不合理時，焊接飛濺率可高達25%以上，選擇合理的焊接工藝參數時，飛濺率通常可控制在5%～10%左右。

（2）焊接材料的影響

焊接材料包括母材、焊材、保護氣體等，母材和焊材中的C、Mn、Si等元素對裂紋、氣孔、飛濺的影響最為嚴重。選用含C量較低、脫氧元素（Mn、Si）含量較高的焊絲（比如H08MN2SiA），或在焊絲中加入稀土（REM）、Ba、K、Na、Ti等活性元素，或在焊絲涂層中加入活性元素來增大弧根面積，改善電弧穩定性，減弱或限制熔滴的非軸向性，細化熔滴，減少短路次數，減少熔滴中氣體含量[4]，均可有效消除短路爆炸和氣體膨脹爆炸引起的焊接飛濺；采用20%Ar+80%CO2的混合氣體作為保護氣體比采用純CO2做保護氣體的飛濺率要低；采用脈沖送絲比等速送絲的飛濺率要低。

2 焊接工藝研究

2.1 焊接材料及接頭形式

（1）焊接材料

母材：Q235-A，其化學成分如表1所示，板厚δ=6～25mm。

表1 Q235化學成分（質量分數） %

焊 材：焊 絲ER50-6，φ1.0mm，保 護 氣 體 為20%Ar+80%CO2。

（2）接頭形式

塔式起重機機架中焊接接頭形式較多，常見的有V型、I型、T型等形式，本文以應用最多的T型接頭形式為例進行闡述。T型接頭形式如圖1所示，根據板厚的不同，焊腳大小分別為6mm,8mm,10mm,12mm,15mm。

圖1 T型接頭形式

2.2 焊接前的準備與焊接工藝

（1）焊接前的準備

①用丙酮擦洗、清除待焊部位及兩側10～20mm范圍內的油污物，用不銹鋼鋼絲刷或棒式合金砂輪清理坡口處的氧化膜及雜物。在焊件表面涂上一層飛濺防粘劑，在噴嘴上涂一層噴嘴防堵劑[5]。清理后及時焊接。

②排除CO2氣瓶中的水分；在氣瓶與焊機之間增加氣體干燥設備。

（2）焊接工藝

①建立工件坐標系

以待編程工件的3個相互垂直的平面建立工件坐標系并確定X、Y、Z軸的正方向。

②選擇并建立點碼位置

根據焊縫的形式選擇合適的位置建立點碼，焊接時讓機器人根據點碼位置準確地判斷焊槍的位置和需要旋轉的角度與方向，并將判斷出來的位置、角度、方向通過變量值的正負來調整焊槍的槍姿[6]。

③對于板厚δ＜12mm的角焊縫，一般不開坡口即可進行雙面單道焊接。

④對于板厚δ≥12mm的角焊縫，可開單面V型坡口焊接；根據板厚的不同，可采用多層單道焊或多層多道焊。多層多道焊時，要注意控制每層焊道厚度、焊槍橫向擺動的幅度、坡口兩側的熔化寬度、焊道間的重疊寬度等因素。

⑤經試驗后確定的機器人CO2氣體保焊的工藝參數如表2所示。

3 結論

（1）采用機器人CO2氣體保焊進行生產，生產效率是人工生產的3～5倍。

（2）采用機器人CO2氣體保焊進行生產，前期投入較大。

（3）機器人CO2氣體保焊適宜于大批量、大規模的生產。

（4）采用機器人CO2氣體保焊進行生產，生產質量可靠、穩定。