半牽引梁U型拐角焊縫連續自動焊接方法

張繼林　高德佳　胡文浩　劉成　王明峰　胡峰

摘要：對半牽引梁上的內U型焊縫與外U型焊縫結構進行分析及自動焊工藝研究。著重研究U型結構拐角圓弧焊縫與變位機不同心的情況下如何完成自動化焊接;在此基礎上進一步研究圓弧焊縫與線性焊縫之間的參數變化。通過設計專用工裝和運用機械手的變位機與機器人的聯動機制設定焊接機械手軌跡并設計出一套新的工藝技術方案，成功解決了U型結構拐角處焊接缺陷率高及焊接效率較低的問題，提供了一種對U型結構焊縫拐角圓弧半徑在15～25 mm范圍內一次焊接不停弧的機械手焊接工藝方法。

關鍵詞：U型結構焊縫;拐角焊;半牽引梁;焊接機械手

中圖分類號：TG457.2 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0087-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.17

0 前言

隨著國內軌道交通的迅速普及與推廣，對構成驅動系統主要部件的牽引梁提出了更高的質量要求。B型地鐵的牽引梁是連接并向車體傳遞轉向架驅動的中心部件，也是實現車輛快速和安全行駛的動力傳輸關鍵設備，其設計方案中采用由折彎件扣板件與立板焊接的箱型結構，目的是增加整體剛性，但同時也增加了半牽引梁的U型結構焊縫數量，增加了拐角焊縫數量。

對于U型結構焊縫，孔慶華[1]等分別采用有限元法分析了U型件兩側板厚比、強度系數比、應變硬化指數比及壓邊力比對拼焊板U型件拉伸量及焊縫移動的影響規律;張華[2]等采用宏觀斷面分析、金相組織分析等手段研究了MAG焊工藝在U肋焊接中的實用性;韓偉[3]等提出了一種搖動電弧窄間隙立向上MAG自動焊接技術。

上述對于弧形焊縫的研究主要基于變位機軸心與弧形焊縫圓心同心的前提下完成的，且都是在工件不移動、焊槍移動的情況下完成，對于半牽引梁U型結構中圓弧與變位機軸心不同心的焊縫借鑒性略顯不足，對于MAG焊在焊接U型結構焊縫拐角圓弧與線性焊縫之間參數的變化無具體描述。本文針對圓弧與變位機軸心不同心的焊縫，使用陀螺旋式變位機聯動完成內U型與外U型結構焊縫的連續焊接，同時對內U型拐角焊縫、外U型拐角焊縫與直焊縫的參數關系實施建模，以期為相同形式焊縫自動焊接提供借鑒[4-7]。

1 技術方案

1.1 工件的裝卡方案

將半牽引梁用工裝卡具固定在機械手變位機上（見圖1），對牽引梁立板的橫向和縱向位置進行定位，裝卡機構和定位機構不得超過牽引梁立板厚度12 mm，保證每次焊接時內外U型焊縫的焊接軌跡一致和達到避讓焊縫的效果。

1.2 U型結構焊縫的程序取點位置

牽引梁短立板與扣板之間的內U型結構焊縫和牽引梁立板與扣板之間的外U型結構焊縫均采用連續焊接方法，通過機械手的焊槍與變位機的聯動機構，使焊槍相對工件夾角始終一致，處于PB位置進行焊接。在第一個拐角圓弧處，拐角處的R為24 mm的1/4圓弧與引弧點所在直線的交點位置取為起點、圓弧交點位置為中點、R為24 mm的1/4圓弧與中間直線的交點位置取為終點，這三點確定焊槍在焊接第一個拐角焊縫時的軌跡;在第二個拐角圓弧處，拐角處的R為24 mm的1/4圓弧與中間直線的交點位置取為起點、圓弧交點位置為中點、R為24 mm的1/4圓弧與熄弧點所在直線的交點位置取為終點，這三點確定焊槍在焊接第二個拐角焊縫時的軌跡，確保焊槍可對拐角處焊縫連續施焊。

1.3 內U型焊縫焊接工藝的制定

內U型焊縫坡口形式為單邊V型，接頭形式為T型接頭，坡口邊板厚12 mm，鈍邊厚度0.5～1 mm，坡口角度50°，三層三道焊接。由于內U型拐角處焊縫填充量大于直焊縫填充量，拐角處采用低速蓋面法，通過改變蓋面層拐角處的焊接速度實現了內U型焊縫拐角處不停弧連續焊接。

1.4 外U型焊縫焊接工藝的制定

外U型焊縫的坡口形式為單邊V型，接頭形式為T型接頭，坡口邊板厚12 mm，坡口角度50°，三層三道焊接。由于外U型拐角處焊縫位于整個工件外側，無母材對熔池的支撐，對熔池的限制維度不足，容易發生熔池整體下墜現象，故采用降低電流完成蓋面焊接的方法，通過在蓋面層拐角處使用較小的焊接電流和調整焊槍與工件的相對位置實現了外U型焊縫拐角處不停弧連續焊接。

2 實驗驗證

2.1 半牽引梁的裝卡方式

半牽引梁壓卡方式如圖3所示。在半牽引梁立板103的縱向和橫向位置進行定位，半牽引梁的縱向位置由兩個202定位塊進行定位，橫向位置由兩個201定位塊進行定位，保證內外U型焊接位置不會因更換工件而改變，一次編程可重復使用。

2.2 內U型焊縫的焊接模型構建

由圖3可知，短立板101和扣板102的連接焊縫為內U型焊縫，機械手焊接時采用機軸聯動方式，工件垂直中線與水平面保持20°，打底層和填充層焊槍與工件非坡口面成30°夾角以確保焊槍對準焊縫根部;蓋面層為保證a6焊角，將焊槍與工件非坡口面的角度增大到35°以保證焊腳尺寸（見圖4）。焊接過程中工件呈陀螺旋擺狀態（見圖5），工件焊縫與焊槍始終保持相同角度，進行PB位置施焊，確保焊縫根部熔合和成形一致。

將短立板101與扣板102進行組裝，保證兩工件之間縫隙小于等于1 mm，進行定位焊接，內U型焊縫拐角處的焊縫取點如圖6所示。點401為焊槍引弧點，點402為U型焊縫拐角處圓弧起點，點403為圓弧中點，點404為圓弧終點，點405為另一側圓弧起點，點406為圓弧中點，點407為圓弧終點，點408為收弧點。其中點401為空步，為引弧點位置，點402～408為工作步。

內U型焊縫焊接工藝參數如表1所示。內U型焊縫在采用自動焊接后可減少兩個焊接接頭，降低焊接飛濺，焊后清理時間由15 min降為1.5 min，如圖7所示。

2.3 外U型焊縫焊接模型構建

立板103和扣板102的連接焊縫為外U型焊縫，如圖8所示。

機械手焊接時采用機軸聯動方式，工件垂直中線與水平面保持15°，打底層和填充層焊槍與工件成35°夾角以確保焊槍對準焊縫根部;蓋面層為保證a6焊角，在外U拐角處將焊槍與工件角度減至30°以保證焊腳尺寸（見圖9），焊接過程中工件呈陀螺旋擺狀態（見圖10），工件焊縫與焊槍始終保持相同角度，進行PB位置施焊，以確保焊縫成形一致。

將件103立板與件102扣板進行組裝，保證兩工件之間縫隙小于等于1 mm，進行定位焊接，拐角處外U型焊縫取點如圖11所示，點409為焊槍引弧點，點410為U型焊縫拐角處圓弧起點，點411為圓弧中點，點412為圓弧終點，點413為另一側圓弧起點，點414為圓弧中點，點415為圓弧終點，點416為收弧點。其中點410為空步，為引弧點位置，點410～416為工作步。外U型焊縫焊接工藝參數如表2所示。

外U型結構焊縫的焊接難點是在蓋面層焊接時，拐角處的焊縫在工件外側，對蓋面層的熔池支撐較少，容易發生熔池下墜，通過在拐角處減小電流參數防止熔池下墜，減小焊槍與工件非坡口邊的角度防止焊腳過高。

外U型焊縫自動焊與手工焊焊縫對比如圖12所示，減少了4個焊接接頭，焊接飛濺減少，焊后清理時間由20 min降為2 min。

3 結論

（1）內U型結構焊縫聯動焊接中，焊槍與非坡口面所形成的夾角，蓋面層較打底層和填充層增加5°，可以確保焊縫根部熔合，防止焊腳不足;內U型焊縫焊接蓋面層時，拐角處焊縫填充量較直焊縫增加9.1%。

（2）外U型結構焊縫聯動焊接中，焊槍與非坡口面所形成的夾角，蓋面層較打底層和填充層減小5°，可以確保焊縫根部熔合，防止熔池下墜、焊腳過大;內U型焊縫焊接蓋面層時，拐角處焊縫填充量較直焊縫減少9.6%。

（3）內U型結構焊縫與外U型結構焊縫在采用自動焊接后較手工焊接焊后清理時間均大幅縮短。

參考文獻：

[1] 孔慶華，張建宇. 拼焊板U型件成形性能及焊縫移動規律[J]. 中國工程機械學報，2010，9（6）：209-213.

[2] 張華，舒先慶，李立明，等. 鋼橋U肋焊接新工藝-金屬藥芯焊絲CO2氣體保護焊[J]. 焊接，2010（10）：51-55.

[3] 韓偉，李飛，王沖，等. 搖動電弧窄間隙立向上MAG焊接技術[J]. 機械工程師，2018（11）：138-141.

[4] 韓浩，韓彬，李立英，等. 機械復合管焊接工藝進展[J]. 電焊機，2017，47（7）：17-22.

[5] 崔巖，柳士強，高德佳，等. 地鐵轉向架側梁自動焊焊接工藝[J]. 電焊機，2017，47（7）：69-72.

[6] 王燕，楊世亮，戴浩，等. 鋁合金鈑金零件小曲率半徑U形接頭焊接工藝優化[J]. 金屬加工，2017（12）：71-74.

[7] 高德佳，張繼林，姜斌. 大型工件中小圓弧機器人聯動焊接方法研究[J]. 電焊機，2019，49（9）：75-77.