船舶管路用三通接頭機器人MAG焊接工藝設計

朱征宇,謝 榮,梁 艷

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

船舶管路用三通接頭機器人MAG焊接工藝設計

朱征宇,謝 榮,梁 艷

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

為了提高船舶管路用三通接頭的焊接質量和生產效率，對機器人在船舶管路用三通接頭中的MAG焊接工藝設計進行了系統研究。最終得到如下結果：焊縫成型質量較好，焊縫表面比較平整，焊縫連續性好，焊接飛濺也較小。此外，加入外部軸聯動后，不僅熔深和熔寬一致性好，且余高減小,應力集中減弱，焊縫成型也較好。電弧電壓要合適，弧壓偏高時容易造成焊縫局部咬邊現象。研究結果充分說明如下結論：利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接，整體焊接質量高，焊縫成型好；焊接速度相較手工電弧焊提高2～3倍；焊接時如果加入外部軸聯動，焊接效果更好。

船舶管路；三通接頭；機器人;氣體保護焊

0 引言

三通接頭又稱三通管件，是目前船舶管路中常用的一種管接頭。以往船舶管路用三通接頭多采用手工電弧焊進行焊接，效率低、焊縫質量不夠好，因此，研究提高三通接頭的焊接質量和生產效率有著重要意義。船用管-法蘭機器人MAG(Metal active gas, 熔化極活性氣體保護焊)焊接工藝得到的焊接質量和焊接效率都比較高，這為研究利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接提供了堅實的基礎。本文針對實際生產當中的船舶管路用的三通接頭進行了焊接工藝設計研究，為提高其焊接質量和生產效率以及降低工人的勞動強度提供了可能。

1 MAG焊接工藝設計

1.1 主要試驗設備及功能

本次MAG焊接工藝試驗采用的焊接機器人為KR5 arc HW型焊接機器人系統。KR5 arc HW焊接機器人是KUKA焊接機器人中的1種小型機器人。它由機器人本體、控制柜、示教器和外部軸組成。外部軸的作用是帶動工件作回轉臺運動的，以實現焊件的變位和移動。KR5 arcHW焊接機器人系統結構如圖1所示。焊接電源為1臺Pulse MIG/MAG-350數字化直流弧焊逆變器，其最大額定焊接電流為350 A，采用脈沖焊接電流，波形穩定，焊縫質量高。另外，該電源可以實現焊絲選擇功能，帶有一元化調節功能，也可以單獨對焊接電壓進行調整。

圖1 KR5 arc HW焊接機器人系統組成

1.2 試驗母材及焊接材料

1.2.1 母材

試驗所采用的母材為Q235B低碳鋼管，其化學成分見表1。由于Q235B低碳鋼管具有塑形良好、沖擊韌性高、焊接性優良的特點，一般不需要采用焊前預熱和后熱的措施。

表1 Q235B化學成分

1.2.2 焊材

試驗所采用的焊材為與Q235B相匹配的ER49-1(H08Mn2SiA)。其化學成分見表2。

表2 ER49-1(H08Mn2SiA)化學成分

1.2.3 氣體

由于采用MAG焊接，保護氣體采用混合活性氣體，其比例為20%CO2(二氧化碳)加上80%Ar(氬氣)。氬氣具有惰性性質，不與焊縫發生化學反應，故而焊縫純凈，產生氣孔等缺陷的可能小。加入少量CO2后可提高電弧的導熱性能，對提高焊接效率具有重要的作用。

1.3 裝焊順序方案設計

船舶管路用三通接頭的焊縫主要有兩類，一類是主管和支管相貫線的焊接，另一類是管子與法蘭的焊接(包括主管和兩頭法蘭的焊接以及支管與法蘭的焊接)。裝焊順序如下：先裝配焊接支管和法蘭，然后裝配焊接主管和支管的相貫線，最后裝配主管和兩頭法蘭。這種裝焊順序方法一是最大程度地減小焊接接頭的剛度，降低應力開裂的可能性，二是盡量降低焊接時構件對焊槍位置的阻礙現象。

1.4 主管和支管相貫線角焊工藝設計

1.4.1 工藝規范

主管和支管相貫線角焊試驗分為2組，一組是6 mm壁厚的管子相貫線角焊，另一組是12 mm壁厚的管子相貫線焊接，所采用的工藝規范分別見表3和表4。

表3 6 mm壁厚管相貫線角焊縫焊試驗規范

注明：打底焊的目的是盡量使得兩管相貫時間隙一致。

1.4.2 試驗過程

試驗過程分為試驗準備、試驗操作2個過程。

1.4.2.1 試驗準備

準備工作主要包含：打開機器人和焊機電源，檢查設備情況是否良好；打開MAG氣瓶以及對工件坡口30 mm范圍內進行除塵和除銹過程，以保證管路焊接質量。

1.4.2.2 試驗操作

每次在焊接之前先關閉起弧信號，通過示教器對焊接路徑進行示教。示教結束后再打開起弧信號進行焊接。整個焊接過程均在自動模式下操作。

表4 12 mm壁厚管相貫線角焊縫焊試驗規范

注明：打底焊的目的是盡量使得兩管相貫時間隙一致。

1.5 圓管和法蘭的角焊工藝設計

1.5.1 工藝規范設計

圓管和法蘭的角焊試驗分為2組，一組是6 mm厚壁管和22 mm厚板法蘭的角焊，另一組是12 mm厚壁管和15 mm厚法蘭的角焊。其工藝規范分別見表5和表6。

表5 6 mm厚壁管和22 mm厚板法蘭的角焊工藝規范

表6 12 mm厚壁管和15 mm厚板法蘭的角焊工藝規范

1.5.2 試驗過程

焊接工藝試驗過程與主管和支管相貫線角焊的過程一樣。

2 試驗結果及分析

2.1 主管和支管相貫線角焊工藝結果及分析

從厚管焊縫圖片中觀察到，6 mm壁厚管子相貫線的焊縫成型質量較好，焊縫表面比較平整，焊縫連續性好，焊接飛濺也較小，但是存在局部地區焊縫寬度稍微不一致的現象。這個可能是因為在手工打底焊時，間隙稍有大小不一樣的地方。解決的方法為在打底焊時留取的間隙盡量一致。

12 mm壁厚管子相貫線的焊縫成型質量均較好，但在不加外部軸聯動焊接時采用單軸聯動的方式，使得焊縫成型余高較高，熔寬較窄，焊縫不夠鋪展。在加入外部軸聯動后，焊槍位置保持不變，工件轉動，始終將焊縫擺成船型位置，這樣不僅熔深和熔寬一致性好，且余高減小,應力集中減弱，焊縫成型也較好。

2.2 圓管和法蘭的角焊工藝結果及分析

從6 mm厚壁管和22 mm厚板法蘭的角焊焊縫圖片可以看出，焊縫成型良好，無飛濺現象。12 mm厚壁管和15 mm厚板法蘭的角焊第1條焊縫成型良好，但是第2條焊縫中在左側位置有咬邊現象存在，這是由于弧壓偏高導致的結果。

3 結論

本文通過對機器人在船舶管路用三通接頭中的MAG焊接工藝進行了設計，得出如下結論。

(1)利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接，整體焊接質量高，焊縫成型較好。

(2)利用機器人對船舶管路用三通接頭進行MAG焊接，焊接速度相較手工電弧焊提高2～3倍。

(3)焊接時如果加入外部軸聯動，焊接效果會更好。

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2016-09-18

朱征宇(1982—)，男，博士，講師，工程師，研究方向為焊接技術及自動化。

U671.8

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