GMAW自動焊工藝參數(shù)對焊縫成形影響研究

葛佳棋，萬升云，湯旭祥，鐘奎，邵戧，盧永建

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）是一種利用連續(xù)送進(jìn)的焊絲與工件間產(chǎn)生的電弧作為熱源將金屬熔化的焊接方法，其焊接效率高、焊縫質(zhì)量好，在軌道交通裝備的生產(chǎn)制造中獲得廣泛的應(yīng)用。目前，軌道車輛碳素鋼、不銹鋼車體及轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)件的焊接主要以氣體保護(hù)焊工藝為主[1]。

熔化極氣體保護(hù)焊的焊接參數(shù)，如焊接電流、電弧電壓、干伸長等均會影響到焊縫成形，探索焊接參數(shù)的變化與焊縫成形之間的關(guān)系，對提高焊工焊接水平，提升工藝制定的合理性有重要意義。本文采用機(jī)器人自動焊開展堆焊工藝試驗，試驗以單因素變化的形式進(jìn)行，即在其他焊接參數(shù)固定的條件下，分別改變焊接電流、電弧電壓和焊絲干伸長進(jìn)行試驗，以獲得不同焊接參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律。

2 試驗材料與方法

試驗?zāi)覆臑镼 2 3 5 B 低碳鋼板，尺寸為300mm×150mm×6mm，焊接材料選用ER50-6、φ1.2m m低合金鋼焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為

表1 試驗用母材及焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

15L/min。焊前采用角磨機(jī)將鋼板表面氧化層打磨干凈，確保無銹及其他污染物。焊接設(shè)備為薩福MIG/MAG焊機(jī)，型號OPTIPULS380IW，搭載KR16-2庫卡機(jī)器人進(jìn)行自動焊。采用單因素變化方法進(jìn)行焊接，焊后采用游標(biāo)卡尺每隔10mm測量焊縫余高及寬度，然后取平均值，如圖1所示，并在焊縫中心處制作焊縫橫截面金相試樣，測量并記錄熔深。

圖1 測量焊縫余高及寬度位置

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊接電流對焊縫成形的影響

通過機(jī)器人示教器設(shè)置以下參數(shù)：電弧電壓21V，焊絲干伸長15mm，焊接速度0.36m/min，焊接電流在180～220A內(nèi)每10A增加一次，不同焊接電流下的焊縫成形如圖2所示，焊縫尺寸隨焊接電流變化趨勢如圖3所示。

圖2 不同焊接電流下的焊縫成形

由圖2、圖3可看出，隨著焊接電流的增加，電弧的穿透力增加，熱源位置下移，造成熔深逐漸增大，因此可認(rèn)為熔深與焊接電流成正比關(guān)系；同時，電流增大后，焊絲熔化量成比例增多，液態(tài)金屬在鋼表面的潤濕鋪展性能變好，焊縫寬度逐漸變大，而焊縫余高基本無變化。

圖3 焊縫尺寸隨焊接電流變化趨勢

然而，當(dāng)焊接電流過大且與電弧電壓不匹配時，會造成焊絲送絲速度過快，焊絲熔化速度趕不上送絲的速度，焊槍容易出現(xiàn)頂絲現(xiàn)象，以及電弧聲音過于尖銳，從而導(dǎo)致焊縫成形較差。

3.2 電弧電壓對焊縫成形的影響

將焊接電流設(shè)置為1 9 0 A，焊絲干伸長為15mm，焊接速度0.36m/min，電弧電壓在19.5～22.5V內(nèi)逐步增加，不同電弧電壓下的焊縫成形如圖4所示，焊縫尺寸隨電弧電壓的變化趨勢如圖5所示。

由圖4、圖5可知，隨著電弧電壓的增加，電弧功率加大，工件熱輸入增大，同時弧長變長，分布半徑增大，焊縫寬度顯著增加，而由于焊絲熔敷量不變，所以焊縫余高和熔深略微下降。當(dāng)電弧電壓過大，超過與焊接電流的正常匹配范圍時，焊接過程變得不穩(wěn)定。電弧聲音變得沙啞，焊絲熔化較快，送絲速度跟不上熔化速度，因此焊接完成時焊絲尖端通常熔化成球滴狀后凝固，嚴(yán)重時容易導(dǎo)致導(dǎo)電嘴的燒損。

圖5 焊縫尺寸隨電弧電壓的變化趨勢

3.3 干伸長對焊縫成形的影響

在保證焊接電流、電弧電壓和焊接速度不變的條件下，通過增加導(dǎo)電嘴到工件的距離（CTWD）來增加焊絲干伸長，以觀察焊縫成形的變形規(guī)律。電弧電壓設(shè)置為18V，焊接電流設(shè)置為150A，焊接速度為0.36m/min，干伸長在15～35mm內(nèi)每5mm增加一次。不同干伸長時的焊縫成形如圖6所示，焊縫尺寸隨干伸長的變化趨勢如圖7所示。

由圖6、圖7可知，由于氣體保護(hù)焊焊機(jī)為恒壓（CV）電源，當(dāng)干伸長增加時，回路中負(fù)載電阻增加導(dǎo)致實(shí)際的焊接電流下降，熔深逐漸減小，同時由于電弧力的下降，導(dǎo)致焊接熱輸入降低，熔池金屬的流動性減弱，導(dǎo)致焊縫寬度逐漸變小而余高逐漸增加。當(dāng)干伸長增大到25mm后，焊槍過高，氣體保護(hù)效果變差，焊接過程不穩(wěn)定，飛濺增加，因此在焊縫表面出現(xiàn)明顯氣孔。

圖6 不同干伸長時的焊縫成形

圖7 焊縫尺寸隨干伸長的變化趨勢

3.4 干伸長對焊絲熔敷速率的影響

在焊接生產(chǎn)中，穩(wěn)定的焊接過程是保證焊縫質(zhì)量、減少焊后清理工作量的前提，因此焊接時通常會選擇一個合適的焊槍高度以維持焊絲干伸長。這樣既可保證氣體保護(hù)效果，又能維持穩(wěn)定連續(xù)的焊接，而不去具體考慮焊絲干伸長對焊絲熔敷速率的影響。

目前，國內(nèi)外已有不少學(xué)者針對干伸長與焊絲熔敷速率/焊絲送絲速度之間的關(guān)系開展了相關(guān)研究。韓國學(xué)者研究表明[2，3]，提高焊接過程中導(dǎo)電嘴與工件之間的距離（CTWD）或提高焊絲干伸長可增加焊絲的熔敷速率，但同時可能會引起送絲的不穩(wěn)定，且會影響氣體保護(hù)效果，造成焊縫質(zhì)量的下降。研究結(jié)果還表明，提高焊絲干伸長后焊絲的送絲速度和熔敷速率也隨之增加。TITI C D等[4]針對導(dǎo)電嘴與工件間距離（CTWD）對焊縫成形的影響開展了基礎(chǔ)研究。研究結(jié)果表明，隨著工件間距離（CTWD）的增加，焊接時焊絲的消耗速度明顯上升。國內(nèi)也有研究表明[5]，氣體保護(hù)焊過程中隨著焊絲干伸長的增加，焊絲受到的電阻熱增加，導(dǎo)致焊絲熔敷速率加快，單位時間內(nèi)過渡到熔池的焊絲金屬增多。

通過改造后的焊槍噴嘴驗證干伸長與焊絲熔敷速率之間的關(guān)系，延長噴嘴長度，使得在提高焊槍高度、增加焊絲干伸長的同時，保證焊接過程中氣體保護(hù)的效果。干伸長分別設(shè)定為15mm、35mm和55mm，焊接速度為0.45m/min，保護(hù)氣體流量為20L/min。由于干伸長的增加，焊前在焊機(jī)上設(shè)置的焊接參數(shù)與焊接時實(shí)際的工藝參數(shù)有較大差異，因此焊前要進(jìn)行焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)，使得3種干伸長條件下實(shí)際的電弧電壓與焊接電流基本一致，以觀察焊縫成形情況，焊接參數(shù)設(shè)置見表2，各干伸長條件下焊縫橫截面如圖8所示。通過在較大數(shù)值范圍內(nèi)增加干伸長，可發(fā)現(xiàn)堆焊焊縫橫截面積顯著增加，而3條焊縫的焊接速度一致，則說明隨著干伸長的增加，焊絲的送絲速度以及熔敷速率隨之增加。

表2 不同干伸長條件下的焊接參數(shù)設(shè)置

圖8 不同干伸長條件下的焊縫橫截面形貌

基于此規(guī)律，焊接生產(chǎn)中制定工藝規(guī)程時，可在確保氣體保護(hù)良好的前提下適當(dāng)提高焊槍高度，或通過改造焊槍噴嘴結(jié)構(gòu)來獲得較高的焊絲熔敷速率，進(jìn)而使提高焊接速度成為可能。

4 結(jié)束語

1）焊接電流的增加可提高電弧的穿透力，使熱源位置下移，增加焊縫熔深，同時熔池尺寸的變大使焊縫寬度顯著增加，而余高無明顯變化。

2）電弧電壓的增加，使得電弧分布半徑增大，焊縫寬度顯著增加，而由于焊絲熔敷量基本不變，所以焊縫熔深和余高呈略微下降趨勢。

3）干伸長的增加會顯著降低實(shí)際的焊接電流，因而焊縫的熔深會降低，焊縫寬度逐漸變小，余高逐漸增加。

4）通過調(diào)整焊前參數(shù)的設(shè)置，使得焊接過程中實(shí)際焊接電流、電弧電壓維持不變時，干伸長的增加可顯著提高焊絲的熔敷速率。