基于變量法對(duì)焊縫咬邊的研究試驗(yàn)

呂光宙 李卓 商浩

1. 概述

在動(dòng)車組實(shí)際生產(chǎn)中，焊縫缺陷越來越受到大家的重視，所以對(duì)結(jié)構(gòu)件焊縫外部的咬邊缺陷進(jìn)行分析和試驗(yàn)，對(duì)CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)操作也就提出了更高的要求，也就需要我們解決這些問題。

2. 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

咬邊的形成與熔池的擾動(dòng)、熔融金屬形成紊流與焊縫金屬在凝固前未能填滿有關(guān)。熔化電極過渡至擾動(dòng)的熔池及之后凝固構(gòu)成的焊縫可由其表面上留存的波紋反映出熔池?cái)_動(dòng)的劇烈程度。促使熔池兩側(cè)急劇攪動(dòng)的因素有焊條類型、電弧長(zhǎng)度、焊接速度、電流大小及電特性、待焊件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及工藝等。應(yīng)能在獲得成形良好的焊縫同時(shí), 保證近焊縫區(qū)材料無明顯咬邊現(xiàn)象。

通過本次試驗(yàn)，對(duì)影響焊縫咬邊缺陷的非人工操作因素進(jìn)行深入討論，驗(yàn)證焊接速度、焊槍角度和焊接功率對(duì)咬邊的影響。要實(shí)現(xiàn)非人工操作焊接，就必須使用焊接機(jī)械手進(jìn)行，在機(jī)械手穩(wěn)定擺動(dòng)的前提下，使得電壓和電流擺動(dòng)范圍和數(shù)值升降速度有了強(qiáng)有力的保證，排除了由于人工作業(yè)失誤導(dǎo)致的電流電壓暫時(shí)性超差帶來的影響。本文利用焊接機(jī)械手可調(diào)參數(shù)，包括焊接功率（由焊接電流和電壓匹配得出）、焊槍傾角和焊接速度進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)用于對(duì)接和角接焊縫兩種情況。

第一，焊接功率。在焊槍傾角和焊接速度確定的情況下，采用由低到高多組功率進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)出數(shù)據(jù)并對(duì)比，得出結(jié)論。

第二，焊槍傾角。焊槍傾角主要對(duì)角焊縫產(chǎn)生影響，由于機(jī)械手僅能保持垂直的方位，故焊槍傾角需要對(duì)板進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過程中可能有±5°公差。

第三，焊接速度。在相同的送絲速度下，焊接速度調(diào)整不當(dāng)往往會(huì)造成焊縫未填滿、錯(cuò)邊以及焊接咬邊等缺陷。在焊接機(jī)械手中，由于能設(shè)定穩(wěn)定的焊接速度，所以使得這個(gè)參數(shù)得以量化，同時(shí)做出不同焊接速度下焊縫質(zhì)量的對(duì)比，得出結(jié)論。

3. 前期準(zhǔn)備

（1）母材準(zhǔn)備 第一，試驗(yàn)鋼板材質(zhì)應(yīng)當(dāng)與生產(chǎn)常用鋼板材質(zhì)相同。

第二，無論是對(duì)接接頭還是角接接頭都應(yīng)采用長(zhǎng)直焊縫，方便焊接機(jī)械手調(diào)試和焊接。

第三，試驗(yàn)鋼板厚度應(yīng)當(dāng)適中，利于隨時(shí)觀察，方便進(jìn)行調(diào)平，以及后續(xù)斷面檢查等工作。因此，試驗(yàn)準(zhǔn)備鋼板材質(zhì)為Q345C，尺寸為1000mm×175mm×10mm，拋丸處理，開45°坡口。

（2）焊接填充材料準(zhǔn)備 焊絲選取常用的CHW—55CNH，φ1.2mm。

（3）工裝準(zhǔn)備 由于對(duì)接焊縫板厚為8mm，板長(zhǎng)為1000mm，因此在各工序前除對(duì)平板進(jìn)行調(diào)平以外，還需要工裝來增加板的厚度，以防止變形，工裝設(shè)計(jì)如圖1所示。

角焊縫工裝要求保證對(duì)焊接接頭以不同的焊槍傾角進(jìn)行焊接，因此工裝必須滿足較為精確的調(diào)整角接焊縫的垂直位置，從而達(dá)到角接焊縫的目的。角接接頭工裝如圖2所示。

圖1 對(duì)接接頭工裝

圖2 角接接頭工裝

4. 試驗(yàn)過程

（1）試板的定位焊與打底焊 試板長(zhǎng)為1 000mm，為了保證試驗(yàn)質(zhì)量，焊縫長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)保證足夠長(zhǎng)，本次試驗(yàn)采用每條焊縫長(zhǎng)300mm，每個(gè)試板預(yù)焊3條焊縫，定位焊位置分別在距離試板邊100mm、310mm、620mm和1000mm處，定位焊完畢后進(jìn)行調(diào)平處理，注意調(diào)平過程中不能破壞焊點(diǎn)處。

調(diào)平后安裝工裝，調(diào)試機(jī)械手準(zhǔn)備打底焊，注意機(jī)械手的調(diào)試比較費(fèi)時(shí)，需要非常精細(xì)的調(diào)整路徑與焊縫完全吻合，而且在焊接過程中嚴(yán)格觀察焊接進(jìn)度，一旦出現(xiàn)焊槍偏移處焊道馬上停止，調(diào)整后才能繼續(xù)施焊。打底焊采用功率為15kW，焊接速度25cm/min。打底焊完畢后，不進(jìn)行層間清理與打磨。

（2）蓋面焊 本次試驗(yàn)板厚為10mm，實(shí)踐中兩道焊縫即可填滿焊道，所以所有討論的變量以及在當(dāng)前參數(shù)下的焊縫成形質(zhì)量和相關(guān)缺陷都體現(xiàn)在蓋面焊上。如前面所述試驗(yàn)分為3個(gè)大方面，每個(gè)方面分為若干試驗(yàn)組進(jìn)行試驗(yàn)，后面將介紹具體組別。

首先，焊接功率。焊接功率的編組為由低到高，應(yīng)用于對(duì)接焊縫和角接焊縫當(dāng)中，具體分組如表1所示。

由于受到工件厚度問題的影響，焊接功率已經(jīng)無法再次加大，避免鋼板被燒穿，以及填充材料堆積等后果。

其次，焊接速度。由于焊接速度編組從低到高進(jìn)行，并要求焊接參數(shù)穩(wěn)定，所以選定焊接功率為30kW，具體編組如表2所示。

當(dāng)焊接速度達(dá)到32cm/min時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了焊縫成形方面缺陷（焊縫成蛇形、焊道未填滿等），所以不再加大焊接速度進(jìn)行試驗(yàn)。

最后，焊槍傾角。焊槍傾角一般以45°為宜，在特殊情況下（封閉箱體內(nèi)部焊縫的焊接）焊槍傾角可能出現(xiàn)高于或者低于45°角的情況。論證焊槍傾角的試驗(yàn)將以50°、45°和40°為界分5組進(jìn)行，具體組別如表3所示。

表1 焊接功率編組

表2 焊接速度編組

5. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果總匯 本次試驗(yàn)結(jié)果全部以照片顯示，焊后發(fā)現(xiàn)咬邊缺陷，以手電燈光或紅圈顯示，缺陷相關(guān)參數(shù)如表4所示，焊接試驗(yàn)缺陷及組別實(shí)例如圖3所示。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 前述已經(jīng)列出了所有組別的試驗(yàn)結(jié)果，紅圈中標(biāo)注出了焊接咬邊的位置，圖中僅出現(xiàn)咬邊較為明顯的地方，周圍焊縫上還有很多細(xì)小的咬邊處，除此之外，還有很多其他缺陷比如錯(cuò)邊、焊縫未填滿等，也由以上因素引起。本次試驗(yàn)中，在變量焊接功率下，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯咬邊，經(jīng)觀察除了焊槍擺動(dòng)以及前進(jìn)速率均勻以外，焊接電流和電壓匹配適當(dāng)是其中的主要因素。

在焊接速度組別中，很明顯焊接速度過快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，咬邊也非常明顯，出現(xiàn)在焊接速度＞26的3個(gè)組別中，因此當(dāng)焊接速度達(dá)到27.5cm/min或者更高數(shù)值的時(shí)候，焊接質(zhì)量很難保證。在焊槍角度組別中，當(dāng)角度在60°或者＞60°的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)較為明顯的咬邊，同時(shí)在較小的角度范圍內(nèi)（＜35°）也會(huì)出現(xiàn)輕微的咬邊。

表3 焊槍傾角組別

表4 發(fā)生咬邊組別缺陷尺寸

圖3 缺陷組別

6. 結(jié)語

本試驗(yàn)通過焊縫實(shí)例分析，驗(yàn)證了影響焊縫咬邊的非人工因素，在試驗(yàn)過程中排除了諸多困難，共焊接不同參數(shù)焊縫20條，發(fā)現(xiàn)缺陷焊縫5條，通過對(duì)5條焊縫的焊接參數(shù)以及現(xiàn)實(shí)假設(shè)，得出焊接優(yōu)化改善以及咬邊預(yù)防措施。

熱輸人大, 特別是焊接電流過高, 焊接速度過快, 不但有未焊透的可能, 還會(huì)削減熔合線區(qū)的材料，導(dǎo)致焊趾局部下凹，故應(yīng)適當(dāng)控制焊接速度。

操作者應(yīng)該以穩(wěn)定的擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)振幅進(jìn)行操作，在可能情況下采用船形位置焊接。另外，過量的擺動(dòng)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生咬邊, 因此, 宜以多道焊工藝克服這一缺陷。

對(duì)于上文所討論的三種參數(shù)提出以下建議：①在穩(wěn)定的手法操控下，隨著焊接電流、電壓的升高或降低，很少出現(xiàn)焊接咬邊。②焊接速度對(duì)焊縫成形質(zhì)量影響極為明顯，在一般情況下，焊接速度應(yīng)保持在25cm/min以下。③焊槍傾角越大對(duì)焊縫質(zhì)量的影響就越大，盡量保持焊槍傾角在45°以下，最多不要超過50°。

本次試驗(yàn)所作的試驗(yàn)工作不僅對(duì)于咬邊的研究具有較為實(shí)際的意義，更是對(duì)在各個(gè)方面的影響下整個(gè)焊縫成形做出了一個(gè)實(shí)物的范例，這些焊縫實(shí)例可以經(jīng)過剖切進(jìn)行截面分析，發(fā)現(xiàn)更多的缺陷問題，并對(duì)各焊縫成形有一個(gè)大體的形狀總結(jié)，并對(duì)在其他參數(shù)下的焊縫形狀預(yù)測(cè)工作中起到一定借鑒的作用。