不等間隙碳鋼厚板機器人埋弧焊焊接工藝研究

■ 周軍，黃建鵬，賈小磊，陳永剛

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目前港口機械平衡梁構件作為岸橋起重機的組成配套件，是重要的承重構件。隨著市場需求逐漸增多，公司每年生產不同大小平衡梁數量也在逐漸提高。現有的平衡梁拼板焊接工序主要是FCAW打底→正面埋弧焊→反面碳弧氣刨清根→反面埋弧焊。仍然依賴傳統的焊接，且背面碳弧氣刨清根不僅增加了焊接生產周期和焊材成本，同時還會產生粉塵煙霧、噪聲弧光等污染，惡化工人的勞動環境。另外，由于碳弧的熱輸入較大，易造成構件變形而影響焊接質量。

埋弧焊焊接工藝具有生產效率高、焊縫質量優，且能夠降低裂紋傾向和改善接頭性能等優點，在生產實踐中得到廣泛的應用和發展。由于機器人的技術發展以及智能制造的提出，許多焊接技術與機器人進行相結合，促進了焊接技術的自動化發展。機器人自動化焊接技術的快速發展，加快了工業生產的自動化，整體提高了工廠生產的效率。

鑒于現有的厚板平衡梁拼板構件焊接工藝，本論文提出了機器人和埋弧焊相結合焊接工藝。此焊接工藝是弧焊和埋弧焊接相結合，均采用了機器人自動焊接。目前，在厚板直板埋弧焊接，還未見到過采用機器人焊接。本論文針對公司的產品研究此種焊接方法，通過前期科研研究，將來可以為公司生產推廣機器人自動化應用打下堅實的基礎，以此來推動公司產品制造方法的轉型升級，進一步提高公司的機器人自動化使用率。

1. 試驗方法

（1）試驗材料 試驗采用的母材Q235，板厚為30mm，坡口形式為V形，角度為50°。試驗焊絲直徑為1.2mm，實芯焊絲，牌號為伊薩OK AristoRod 12.50，焊絲化學成分和力學性能如表1和表2所示。埋弧焊絲直徑為2.5mm，牌號為大西洋CHW－S3，化學成分和力學性能如表3和表4所示。焊劑牌號為大西洋CHF101，氣體采用Ar和CO2混合氣體。

表1 伊薩焊絲化學成分（質量分數） （%）

表2 伊薩焊絲熔敷金屬力學性能

（2）試驗過程 試驗前將所需的母材，焊材和焊劑等準備好，并將坡口兩側30mm范圍內的鐵銹、油污、氧化皮等清除干凈，并打磨至金屬光澤，然后將試板進行定位點焊。采用反變形使工件成凸形，然后用卡瑪夾具將工件進行夾緊，防止焊接過程中產生大變形。工件裝配間隙如圖1所示，工件間隙呈現不等間隙，最大為3mm，最小為0mm。

在進行機器人埋弧焊焊接之前，需要將埋弧焊試劑進行300～350℃烘焙，然后在200℃保溫2h。

焊接順序如圖2所示，總共9道。首先工件焊接路徑都是經過機器人在線示教，然后通過機器人焊接程序自動焊接。第1道采用機器人弧焊打底，第2~8道采用機器人埋弧焊填充蓋面；最后對工件進行翻身并且固定好位置，進行第9道機器人埋弧焊蓋面。通過這種焊接工藝方法可以不進行清根處理，直接進行埋弧焊填充蓋面焊接，可以提高整個焊接工藝效率。焊接參數如表5所示。

表3 大西洋焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 大西洋焊絲熔敷金屬力學性能

圖1 工件裝配間隙

圖2 焊接順序

圖3 焊縫表面成形

圖4 焊縫橫截面

表5 焊接參數

2. 試驗結果與分析

（1）宏觀組織第一道采用機器人弧焊進行打底焊接，表面焊縫呈現魚鱗狀，側壁未出現未熔合狀態，表面均勻。第2~6道進行機器人埋弧焊填充，表面均勻，側壁未出現未熔合狀態。第7～8道進行機器人埋弧焊正面蓋面焊接，表面均勻，焊縫余高不到3mm。第九道進行機器人埋弧焊反面蓋面，焊縫表面均勻，焊縫余高不到3mm，如圖3所示。

將試件進行切割，通過觀察焊縫的橫截面，試件未出現未熔合現象，未發現任何氣孔，焊縫呈現左右對稱，如圖4所示。

（2）微觀組織 在焊縫中截取適當大小的試樣進行打磨拋光，用?（HNO3）4%的酒精溶液腐蝕20s，用酒精擦拭，然后把試樣放在金相顯微鏡觀察焊縫的組織。從圖5可以看出，焊縫區域由于受到不同的熱影響產生不同的組織，可以分成如下區域：熔合區，熱影響區，正火區、母材區。熔合區的焊縫組織晶粒細小，且焊縫由較多的鐵素體和少量珠光體組成，焊縫組織存在樹枝晶垂直于熔合線向內進行生長，樹枝晶間都是細小枝晶填充 ，最后在焊縫中心凝固結晶。臨近熔合線處的熱影響區溫度較高，使得組織變得粗大；遠離熔合線的熱影響區組織為正火區，組織均勻細小，比母材的組織要小，母材區的組織大小不一，不均勻。

（3）接頭力學性能 對焊接試板進行了力學性能測試，常溫下拉伸力學性能結果如表6所示。焊縫的屈服強度平均值為425MPa，抗拉強度為544MPa，伸長率為10.6%，試樣均斷裂于母材。說明焊縫處的拉伸力學性能優于母材，表現出良好的力學性能。斷裂在母材處主要是因為焊接熱影響區造成焊縫兩側母材性能下降。

試件V型缺口分別取于焊縫中心、熔合線+2mm和熔合線+5mm處等不同位置，進行了-20℃沖擊力學性能測試，結果如表7所示。從表7可以看出，首先，焊縫區域的沖擊吸收能量從焊縫區域中心線處向外逐漸降低，焊縫的中心處的沖擊吸收能量最大，平均為207J，其次是過渡區平均為128J，最低為熱影響區處平均為110J。可見在焊接熱影響區，由于焊接的熱循環作用，焊接熱影響區內組織晶粒長大，使得此區域的沖擊吸收能量最低。

表6 焊縫的拉伸力學性能

表7 沖擊力學測試

3. 結語

（1）不等間隙的30mm厚V形坡口碳鋼利用單電雙絲機器人埋弧焊可以實現，可以減少背面清根操作，提高工件整體生產的效率，總共9道完成。

（2）機器人埋弧焊試板正反面成形良好，未出現任何缺陷，余高不到3mm。焊縫主要由熔合區、熱影響區、正火區和母材區等組成。焊縫中心的組織晶粒細小，熱影響區的組織粗大，母材區的組織大小不均。

（3）焊接接頭的的力學性能優于母材，425MPa，抗拉強度為544MPa，伸長率為10.6%，試樣均斷裂于母材。焊縫熔合區的沖擊吸收能量最大，平均為207J，熱影響區的沖擊吸收能量最小，平均為110J。