盾構機刀盤架管板結構機器人多層多道規劃及焊接工藝實踐

李斗，蔡云秀，李飛

1.中國水利水電第十四工程局有限公司 云南昆明 650051

2.云南機電職業技術學院機械工程系 云南昆明 650000

3.昆明理工大學城市學院 云南昆明 650051

1 序言

目前，盾構機管板結構刀盤架手工多層多道焊接，需要焊接的層數和道數較多，而且焊縫質量不穩定，焊縫成形差。同時，采用手工進行多層多道焊接時，焊接效率低、焊工勞動強度大、人為影響因素大等原因使其很難滿足當今焊接自動化的發展需求[1-4]。為此，需要將焊接機器人引入盾構機結構件焊接領域，實現盾構機刀盤架機器人的全自動焊接，在提高焊接生產效率的同時，也能保證良好的焊接質量及焊接過程的穩定[5，6]。

2 焊接方法與設備

由于盾構機刀盤架較大，立管和法蘭盤焊接位置模擬焊縫采用管板垂直角接的接頭形式，不開坡口，也不留間隙。母材為Q355B低合金高強度鋼，化學成分見表1。圓管外徑200mm、壁厚10mm、高度40mm，底板尺寸為250mm×250mm×10mm，如圖1所示。

圖1 盾構機刀盤架及模擬焊接試件

表1 Q355B鋼化學成分（質量分數） （%）

焊前采用機械清理，對試件進行打磨、除銹、去油污。定位時，在管板內側采用MIG焊進行定位焊，保證焊接穩固。采用德國KUKA Kr6arc機器人、德國EWM 522RC Plus force Arc焊接電源，選用直徑為1.2mm的H08Mn2SiA焊絲，常規焊接參數中焊絲干伸長為16mm，保護氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為24L/min。焊槍終端延遲息弧時間為0.4s。

3 機器人多層多道規劃及焊接工藝試驗

焊縫截面規劃采用機器人不擺動焊接模式，焊接機器人在不擺動的情況下，要得到等腰三角形較好的焊縫成形，所需要的焊接熱輸入是一定的，且得到的焊縫尺寸較小[7]。結合前期工藝試驗數據，焊縫截面尺寸規劃如圖2所示。

圖2 機器人不擺動焊縫截面尺寸規劃

由圖2可知，焊縫截面由焊道A和焊道B組成，焊道A的截面形狀簡化為等腰三角形，邊長4mm。焊道B的截面形狀簡化為菱形，邊長4mm。采用該焊縫截面規劃方式，可以使多層多道焊接做到第一層一道、第二層二道、第三層三道，以此類推，不僅能簡化對不用焊道所需焊接參數的研究，而且能夠縮短示教時間，提高焊接生產效率[8]。

焊道A的截面形狀是邊長4mm的等腰三角形，由于不考慮坡口及間隙，因此對焊道A直接采用機器人角接的焊接方法，焊槍角度45°，焊接參數見表2。根據上述試驗參數進行焊接工藝試驗，其焊接效果如圖3所示。

表2 焊道A的焊接參數

圖3 不同焊接參數時焊道A截面宏觀形貌

由圖3可知，1號焊縫與2號焊縫相比，焊腳尺寸小，焊縫中部凸起明顯，成形較差。3號焊縫與2號焊縫相比，其焊縫尺寸大致相同，但3號焊縫有輕微的熔池下淌現象。這3組中，2號焊縫截面尺寸滿足要求，焊接成形好，因此，選用2號焊接試驗參數作為焊道A的焊接參數。

焊道B的截面形狀是邊長4mm的菱形，由于是焊道A的相鄰焊道，因此其焊接成形與焊道A的截面形狀有關。焊道A截面形狀為等腰三角形，角度45°，因此焊道B是大內角135°的菱形，對于該菱形焊道的焊接，首先研究焊槍角度θ對焊縫成形的影響（θ為焊槍中心線與水平面的夾角）。根據焊縫截面尺寸規劃，焊道B的截面積是焊道A的2倍，選用送絲速度為3.2m/min、焊接速度為0.2m/min的焊接參數進行試驗，其焊后焊縫截面尺寸見表3，焊縫成形如圖4所示。

表3 不同焊槍角度焊道B焊縫截面尺寸

由圖4可知，隨著焊槍角度的增加，焊縫寬度在逐漸減小，焊縫高度在逐漸增加。由圖4a可知，當焊槍角度過小時，焊縫上部填充金屬量不足，存在咬邊的焊接缺陷。由圖4d可知，當焊槍角度過大時，填充金屬過于堆積，導致焊縫寬度不夠，成形差。由圖4a～d可知，當焊槍角度為67.5°時，即焊槍中心線與該菱形大內角的角平分線重合時，焊縫成形較為理想。因此，在規劃焊槍角度時，采用焊槍中心線與菱形大內角的角平分線相重合的方式進行焊接。焊道B的焊接參數見表4，不同焊接參數下焊道B截面宏觀形貌如圖5所示。

表4 焊道B的焊接參數

圖4 不同焊槍角度對焊縫宏觀形貌的影響

由圖5a、b可知，8號和9號焊縫熱輸入近似相等，其焊縫成形均比較理想，焊縫截面尺寸滿足焊接截面規劃要求。由圖5c可知，10號焊縫熱輸入較大，其單位時間內的填充金屬量多，焊縫成形較差且截面尺寸過大。由圖5d可知，11號焊縫熱輸入較小，其單位時間內的焊縫填充金屬量不足，導致焊縫截面尺寸偏小，成形不滿足要求。為提高焊接生產效率，選擇9號試驗焊接參數作為焊道B的焊接參數。

圖5 不同焊接參數下焊道B截面宏觀形貌

4 機器人多層多道焊接工藝試驗

機器人多層多道焊接工藝試驗的焊接參數見表5，焊接順序如圖6所示。

圖6 機器人多層多道焊焊接順序

表5 機器人多層多道試驗焊接參數

在前期焊接工藝試驗的基礎上，為避免層間未熔合等焊接缺陷，在理論計算和實際焊后對熔合線進行測量，選取合適的焊縫軌跡偏移量。焊接效果如圖7所示。

圖7 機器人多層多道焊縫宏觀形貌

對焊縫截面規劃進行多層多道焊接后，經觀察，其焊縫成形較好，無明顯焊接缺陷，經實際測量，各項參數見表6。

表6 機器人多層多道焊縫參數

5 焊縫質量

不同層道間焊縫微觀組織如圖8所示。由圖8可知，焊縫各焊道的熔合情況良好，不同焊道之間的晶粒度及組織幾乎相同，整個焊縫組織均勻，焊縫質量良好。其中，焊縫熱影響區的寬度約為0.8mm，焊縫截面規劃的熱影響區均滿足相應的尺寸要求。

圖8 不同層道間焊縫微觀組織

母材、熱影響區、焊縫顯微硬度測試如圖9所示。母材顯微硬度值為240.5HV，熱影響區顯微硬度值為283.4HV，焊縫顯微硬度值為290.5HV。由顯微硬度測試結果可知，在焊縫、熱影響區并未出現淬硬組織，符合焊接工藝規范要求。

圖9 母材、熱影響區、焊縫顯微硬度測試

6 結束語

1）機器人采用不擺動、三角形加菱形規劃策略，三角形截面焊接參數為送絲速度3.2m/min、焊接速度0.3m/min、焊槍角度45°；菱形截面焊接參數為送絲速度5m/min、焊接速度0.4m/min、焊槍角度67.5°。焊后總焊縫高度14.24mm，總焊縫寬度16.48mm，總焊接時間1560s，熱影響區寬度0.8mm，焊縫成形良好，表面光滑。通過無損檢測和金相檢測，沒有發現焊接缺陷，焊道熔合良好。

2）對平行四邊形的焊縫成形，提出了新的焊槍姿態規劃，并通過焊接工藝試驗進行驗證，其結果表明該焊槍姿態規劃是可行的，能夠得到較好的平行四邊形焊縫成形。