工業(yè)機器人CO2氣體保護焊焊接工藝研究

王澤蔭

（甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

CO2氣體保護焊是一種焊接質(zhì)量可靠、工作效率很高的半自動焊接技術(shù)，多年來，該技術(shù)非常廣泛地應(yīng)用于機械制造行業(yè)當(dāng)中。隨著自動化、智能化技術(shù)的發(fā)展，將CO2氣體保護焊技術(shù)與工業(yè)機器人技術(shù)結(jié)合起來，形成工業(yè)機器人CO2氣體保護焊，是目前焊接行業(yè)和機器人行業(yè)發(fā)展的一個主流趨勢。

某制造廠的主要產(chǎn)品為塔式起重機，焊接工序是該產(chǎn)品的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)過程中，焊接工作量大,質(zhì)量要求高,技術(shù)難度大。為了提高生產(chǎn)效率、保證焊接質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益，實現(xiàn)由傳統(tǒng)制造方式向智能制造方式的轉(zhuǎn)型，該制造廠采用了型號為ABBIRB 1600-10/1.45的工業(yè)機器人和Artsen CM500RⅡ焊機進行生產(chǎn)?，F(xiàn)對工業(yè)機器人CO2氣體保護焊焊接過程中存在的問題和焊接工藝進行研究。

1 存在的問題

為了獲得最佳的焊接工藝參數(shù)來指導(dǎo)生產(chǎn)和和提高焊接質(zhì)量，選用了不同的方式和參數(shù)對機器人CO2氣體保護焊進行了試驗、研究、分析，發(fā)現(xiàn)常見的問題主要有以下幾個方面：

1.1 焊接缺陷

采用工業(yè)機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，主要的焊接缺陷形式是氣孔和裂紋。

（1）氣孔

在采用工業(yè)機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，由于熔池表面蓋覆的熔渣量很少，CO2氣流又有較強的冷卻作用，因而熔池中液態(tài)金屬凝固的速度比較快，導(dǎo)致液態(tài)金屬內(nèi)部的氣體來不及逸出[1]，殘留于焊縫中形成氣孔。

采用工業(yè)機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，產(chǎn)生的氣孔主要有以下3種：CO氣孔、H氣孔和N氣孔。

①CO氣孔

產(chǎn)生CO氣孔的原因是熔池中的FeO和C發(fā)生了還原反應(yīng)：

FeO+C==Fe+CO

該反應(yīng)活性最強的溫度范圍是熔池結(jié)晶時的溫度，由于此時熔池已經(jīng)開始凝固，致使CO氣體來不及逸出，于是在焊縫中形成CO氣孔[1]。

解決措施：增加焊接材料中的脫氧元素Si和Mn；限制焊接材料中的含C量。

②H氣孔

如果在焊接過程中熔池中溶入了大量的H2，在熔池金屬結(jié)晶時又不能充分、及時地排出，則在焊縫金屬中會形成H氣孔。

H元素主要來自于焊絲、工件表面的油污及鐵銹、CO2保護氣體中所含的水分，其中CO2保護氣體中的水分是引起H氣孔的主要原因[1]。

解決措施：清除工件和焊絲表面的油污及鐵銹；降低CO2氣體中的水分；另外，當(dāng)采用以熔池為負極的直流反極性焊接時，熔池將發(fā)射大量的電子，使其表面的H離子復(fù)合為H原子而逸出，從而減少熔池中的H離子數(shù)量[1]。采用直流反極性焊接產(chǎn)生H氣孔的概率是采用直流正極性焊接時的1/3～1/5。

③N氣孔

焊縫中的N2主要來自于電弧和熔池周圍的空氣以及CO2保護氣體。正常情況下保護氣體中的N2含量≤1%，由CO2保護氣體純度不夠引起N氣孔的可能性不大。焊縫中產(chǎn)生N氣孔的主要原因是保護氣層遭到破壞，大量空氣侵入弧柱區(qū)和焊縫區(qū)所致[2,3]。

造成保護氣層失效的因素有：CO2氣體流量過小；飛濺物堵塞噴嘴；噴嘴與工件的距離過大；焊接場地有側(cè)向風(fēng)等[2,3]。

解決措施：保證氣路暢通和氣層穩(wěn)定；適當(dāng)增加CO2保護氣體流量；增設(shè)防風(fēng)板或在室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境中焊接。

電弧電壓的增高，增大了空氣侵入弧柱區(qū)和焊縫區(qū)的幾率，在焊縫中產(chǎn)生氣孔的幾率也隨之增大；隨著焊接速度的降低，單位體積內(nèi)的熱輸入量增加，熔池中溫度下降的速度減慢，結(jié)晶速度隨之變慢，液態(tài)金屬中的氣體有足夠的時間逸出，產(chǎn)生氣孔的可能性就越小，相反，焊接速度越快，熔池結(jié)晶速度也越快，則氣體不易排出，易產(chǎn)生N氣孔[2,3]。

（2）裂紋

在采用工業(yè)機器人CO2氣體保護焊進行焊接時，產(chǎn)生的裂紋主要形式有結(jié)晶裂紋和液化裂紋。

①結(jié)晶裂紋

由于工業(yè)機器人CO2氣體保護焊采用的保護氣體的主要成分是CO2，具有較強的冷卻作用，另外，機器人CO2氣體保護焊在焊縫表面形成的熔渣非常稀薄，熔池及焊縫表面的熱量散失速度快，導(dǎo)致不同部位焊縫的晶粒體積大小在熱作用下的變化不一致，各晶粒之間會產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力，晶粒間拘束應(yīng)力的存在，是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的根本原因。

表2 焊接工藝參數(shù)

②液化裂紋

在采用多層多道焊時，容易產(chǎn)生液化裂紋，液化裂紋主要存于母材的近縫區(qū)上母材向焊縫凸進去的部位，形成的原因主要是受焊接熱循環(huán)的作用，熔合區(qū)和過熱區(qū)的晶界熔化，形成球滴狀孔洞。

當(dāng)母材或焊材中的C元素含量較高時，熔池重新冶煉的過程中會產(chǎn)生硬而脆的碳化物，這類碳化物將會導(dǎo)致焊縫開裂；當(dāng)母材或焊材中S元素的含量較高時，焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋；當(dāng)母材或焊材中P元素的含量較高時，可使焊縫的強度和硬度增加，而塑性和韌性則顯著降低，容易產(chǎn)生裂紋，特別在溫度較低時更容易導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

為了防止焊縫裂紋的產(chǎn)生，解決的措施主要有：限制焊縫中C、S、P等元素的含量；通過焊絲增加Mn、Ti、Zr等合金元素的含量來提高焊縫抗熱裂紋的能力；提高焊縫的成型系數(shù)ψ=H/W；焊前對工件進行預(yù)熱；采用堿性焊絲；設(shè)計合理的焊接接頭形式，降低接頭的剛度和拘束度。

1.2 飛濺

與焊條電弧焊、埋弧焊相比，機器人CO2氣體保護焊的飛濺較為嚴(yán)重，產(chǎn)生飛濺的原因主要有以下幾個方面：

（1）工藝因素的影響

影響飛濺率的主要工藝因素有焊接電流、電弧電壓、干伸長、焊絲直徑、回路串聯(lián)電感量、電流極性等。隨著焊接電流、電弧電壓、干伸長、焊絲直徑、回路串聯(lián)電感量的增大，飛濺傾向明顯增大。采用直流正接時比直流反接時的飛濺嚴(yán)重。

經(jīng)現(xiàn)場試驗得知，當(dāng)焊接工藝參數(shù)不合理時，焊接飛濺率可高達25%以上，選擇合理的焊接工藝參數(shù)時，飛濺率通?？煽刂圃?%～10%左右。

（2）焊接材料的影響

焊接材料包括母材、焊材、保護氣體等，母材和焊材中的C、Mn、Si等元素對裂紋、氣孔、飛濺的影響最為嚴(yán)重。選用含C量較低、脫氧元素（Mn、Si）含量較高的焊絲（比如H08MN2SiA），或在焊絲中加入稀土（REM）、Ba、K、Na、Ti等活性元素，或在焊絲涂層中加入活性元素來增大弧根面積，改善電弧穩(wěn)定性，減弱或限制熔滴的非軸向性，細化熔滴，減少短路次數(shù)，減少熔滴中氣體含量[4]，均可有效消除短路爆炸和氣體膨脹爆炸引起的焊接飛濺；采用20%Ar+80%CO2的混合氣體作為保護氣體比采用純CO2做保護氣體的飛濺率要低；采用脈沖送絲比等速送絲的飛濺率要低。

2 焊接工藝研究

2.1 焊接材料及接頭形式

（1）焊接材料

母材：Q235-A，其化學(xué)成分如表1所示，板厚δ=6～25mm。

表1 Q235化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

焊 材：焊 絲ER50-6，φ1.0mm，保 護 氣 體 為20%Ar+80%CO2。

（2）接頭形式

塔式起重機機架中焊接接頭形式較多，常見的有V型、I型、T型等形式，本文以應(yīng)用最多的T型接頭形式為例進行闡述。T型接頭形式如圖1所示，根據(jù)板厚的不同，焊腳大小分別為6mm,8mm,10mm,12mm,15mm。

圖1 T型接頭形式

2.2 焊接前的準(zhǔn)備與焊接工藝

（1）焊接前的準(zhǔn)備

①用丙酮擦洗、清除待焊部位及兩側(cè)10～20mm范圍內(nèi)的油污物，用不銹鋼鋼絲刷或棒式合金砂輪清理坡口處的氧化膜及雜物。在焊件表面涂上一層飛濺防粘劑，在噴嘴上涂一層噴嘴防堵劑[5]。清理后及時焊接。

②排除CO2氣瓶中的水分；在氣瓶與焊機之間增加氣體干燥設(shè)備。

（2）焊接工藝

①建立工件坐標(biāo)系

以待編程工件的3個相互垂直的平面建立工件坐標(biāo)系并確定X、Y、Z軸的正方向。

②選擇并建立點碼位置

根據(jù)焊縫的形式選擇合適的位置建立點碼，焊接時讓機器人根據(jù)點碼位置準(zhǔn)確地判斷焊槍的位置和需要旋轉(zhuǎn)的角度與方向，并將判斷出來的位置、角度、方向通過變量值的正負來調(diào)整焊槍的槍姿[6]。

③對于板厚δ＜12mm的角焊縫，一般不開坡口即可進行雙面單道焊接。

④對于板厚δ≥12mm的角焊縫，可開單面V型坡口焊接；根據(jù)板厚的不同，可采用多層單道焊或多層多道焊。多層多道焊時，要注意控制每層焊道厚度、焊槍橫向擺動的幅度、坡口兩側(cè)的熔化寬度、焊道間的重疊寬度等因素。

⑤經(jīng)試驗后確定的機器人CO2氣體保焊的工藝參數(shù)如表2所示。

3 結(jié)論

（1）采用機器人CO2氣體保焊進行生產(chǎn)，生產(chǎn)效率是人工生產(chǎn)的3～5倍。

（2）采用機器人CO2氣體保焊進行生產(chǎn)，前期投入較大。

（3）機器人CO2氣體保焊適宜于大批量、大規(guī)模的生產(chǎn)。

（4）采用機器人CO2氣體保焊進行生產(chǎn)，生產(chǎn)質(zhì)量可靠、穩(wěn)定。