基于機器人焊槍角度變化的熔深分析研究

鄧火生，楊啟杰，龍昌茂，戴建樹

廣西機電職業(yè)技術學院 廣西南寧 530007

1 序言

隨著中國制造技術的快速發(fā)展，國內的制造業(yè)將迎來新的發(fā)展機遇，發(fā)展智能制造將成為很多企業(yè)的必然選擇[1]。由于人工成本的增加，以及國家對高耗能、高污染產業(yè)的限制，高效焊接成為各焊接企業(yè)競相追逐的目標。鋼結構行業(yè)的高速發(fā)展，對大熔深全焊透要求越來越高，此前大多企業(yè)都采用埋弧焊焊接，但埋弧焊的熔池不可見，對于厚板要求大熔深，焊接速度最高一般為400mm/min，效率低下，一般只適用于長焊縫平焊或弧線位置的焊接，難以實現(xiàn)空間位置焊接，因此埋弧焊并不適合與機器人配合使用。近年來，國內對機器人弧焊工藝展開了諸多方面研究，高延峰等[2]研究了焊槍傾角信息融合的彎曲焊縫軌跡跟蹤；郭吉昌等[3]研究了焊槍空間位姿實時檢測，機器人焊接的焊槍與焊縫相對位置關系以及機器人運動平穩(wěn)性直接決定焊縫質量[4]。

目前，國產奧太焊接電源已可實現(xiàn)單電源雙絲單弧焊接，不僅電弧長度可控，熔滴過渡可控，電弧不存在雙絲雙弧的電磁力干擾，提高焊接熔敷率，而且提高焊接生產的效率，也保證了焊接的質量，具有高速、高效以及高度自動化等優(yōu)點。

同時，由于弧焊機器人焊槍旋轉角度與工件坡口的空間限制和熔透性要求，焊槍前進方式（推焊或拉焊）和焊接角度是影響焊縫熔深的關鍵，打底層，填充、蓋面層的前進方式的選擇，合適的焊槍與底板夾角以及焊槍的前進角度，都是決定25mm以上的厚板是否熔透的關鍵因素。

因此，對厚板進行大熔深全焊透工藝進行研究不僅具有學術意義，對于實際生產更顯得尤為必要。本文對厚板角接頭進行弧焊機器人雙絲單電弧的焊接角度工藝研究，不僅解決了復雜位置的焊接可達性，而且通過工藝設計實現(xiàn)焊縫的大熔深和全焊透，有效提高生產效率（最高速度可達720mm/mim），縮短焊接周期，降低生產成本。

2 厚板全焊透工藝試驗條件

試樣如圖1所示，材料為Q355，采用船形焊接方式，底板和腹板均為25mm，坡口角度50°～55°，鈍邊6～8mm，底板與腹板裝配無間隙，焊接材料為φ1.2mm的AWS ER70-6焊絲，焊接氣體為80%Ar+20%CO2，焊接設備為CROBOTP弧焊機器人和奧太焊接電源，焊槍采用水冷方式。為減少母材變形，使用夾具將母材固定夾緊在工作臺，焊縫質量要求大熔深，全焊透，焊縫表面平整光滑無氣孔、咬邊、裂紋。

圖1 25mm厚Q355板角接頭焊雙絲單弧焊接角度

焊前用千葉輪打磨清理試件表面及邊緣每側≥20mm處直至露出金屬光澤，去除表面的氧化膜、鐵銹等雜質，用丙酮擦拭去除表面油污。

3 焊槍前進方式（推焊或拉焊）對焊縫熔深的影響

對于25mm以上的厚板角焊縫而言，焊縫熔深是決定其性能的關鍵（見圖2），熔深越大，焊縫初強度就越大，同時金屬在高溫情況下，晶格會改變。在冷卻過程中，最先冷卻的地方是顆粒最粗的地方，也就是強度最小的地方，越向表面晶格越小，密度更大，所以強度就更大，因此熔深與焊縫強度是成正比關系的。

圖2 不同前進方式焊縫熔深對比

分別用相同厚度尺寸和結構的角接頭進行試驗（見表1），試驗后用硝酸酒精溶液進行斷面腐蝕觀察熔深，測試方法為ISO 17639：2003，測試設備為體式顯微鏡，試驗數(shù)據(jù)和結果見表2和如圖3所示。

表1 焊縫打底焊接參數(shù)

表2 不同焊接前進方式焊縫尺寸 （mm）

圖3 打底層不同焊接前進方式焊縫斷面形貌

如圖3所示，焊槍傾角90°～95°實施拉焊，此時焊接電流達530A，電弧呈倒錐形狀，熔滴過渡約束電弧的擴展，熔滴呈射流過渡，電弧挺直，能量集中，在推動電極附近的高溫氣流等離子的作用下，熔滴以極大的加速度連續(xù)沿軸向射向熔池，細化晶粒，促進排除雜質氣體及夾雜，易形成指狀熔深，增大熔深。

4 焊槍角度對熔深的影響

如圖4所示，厚板焊接角度包括焊槍與腹板夾角θ1，焊槍前進角度θ和焊槍與底板夾角θ2，由于坡口空間位置限制，當θ1=θ2=45°時，焊槍端部無法伸入坡口根部，無法進行焊縫打底，因此，當θ1＞θ2時方可施焊。根據(jù)推焊和拉焊的焊接方式分析可知，厚板角焊縫打底層應采用拉焊可得較大熔深結論，焊槍前進角應θ＞90°。根據(jù)試驗可知，焊槍不同角度是獲得大熔深良好焊縫成形的關鍵。因此，當焊槍前進角度為90°＜θ＜95° 時，分別改變焊槍與底板的夾角θ2，觀察兩側熔深交匯區(qū)寬度來分析焊槍與底板夾角θ2對熔深的影響，規(guī)定兩側熔深交匯區(qū)為負數(shù)則證明未熔合，焊接參數(shù)見表3。試驗后，用角磨機沿著焊縫橫向截面切開，獲取焊縫斷面試樣，進行打磨拋光，用硝酸金屬腐蝕液腐蝕，酒精沖洗并吹干，利用工業(yè)相機觀測金相試樣的左右熔深。

表3 焊接傾角參數(shù)

圖4 焊槍角度

1）當35°＜θ2＜45°、90°＜θ＜95° 時，試驗結果如圖5所示，角焊縫根部未焊透，焊縫出現(xiàn)咬邊，飛濺大。根據(jù)焊接過程中的熔滴過渡和電弧作用形態(tài)可知，雙絲焊絲電流密度大，焊絲熔化速度快，焊接電弧推力較弱，大部分推力指向底板，指向腹板鈍邊（6～7mm）處熱量不足，對母材金屬的挖掘力小，無法熔透。同時，50°～55° 的坡口對于雙絲焊槍的空間位置限制較大，因此，根據(jù)空間位置對電弧的限制以及電壓最小原理的作用，焊接電弧最強推力無法集中于焊縫根部，而是在兩側母材以及焊縫中心隨熔滴過渡發(fā)生不規(guī)則的偏移，造成未焊透。

圖5 不同角度焊縫斷面形貌

此外，雙絲CO2焊接為短路過渡，CO2氣體在高溫下發(fā)生CO2?CO+O分解[5]，造成體積增大，引起局部壓力上升，產生向上的推力，使焊絲端部大塊熔滴出現(xiàn)偏斜[6]，熔池內的金屬蒸汽超過臨界值時，液態(tài)金屬在氣孔爆破力的沖擊下形成大量飛濺。同時，雙絲焊接熔滴較大，先與坡口兩側母材發(fā)生接觸短路，無法直接過渡到焊縫根部[7]，已過渡的熔融金屬由于失去電弧的繼續(xù)加熱和保護作用而結晶凝固，較大的表面張力阻礙了金屬向根部的繼續(xù)流動，造成焊縫根部未熔合。

2）根據(jù)前面的分析結果，改變焊槍與腹板的傾斜角度，即當25°＜θ2＜35°、90°＜θ＜95° 時，試驗結果如圖6所示。焊縫整體外觀效果成形良好，焊縫筆直、規(guī)則連續(xù)，寬度和高度也分布均勻合理，無明顯飛濺。

圖6 不同角度焊縫斷面形貌

根據(jù)試驗結果分析可知，雙絲焊接大電流產生的電弧軸向力直接指向焊縫根部，有效挖掘試件，角接頭兩側熔深出現(xiàn)交匯區(qū)。電弧能量集中，不僅有高效的熔敷效率，較大的挖掘力，也保證電弧軸向力能夠較均勻地施加到熔池底部，攪拌能力較強，排開液態(tài)金屬，去除氣體和雜質。同時，CO2氣氛由于高溫分解而產生的氧化性氣氛和對電弧產生的冷卻壓縮作用[8]，熔池表面不斷產生電弧斑點，電弧產生壓縮效應，電弧強度增大，弧長變短，軸向力集中，出現(xiàn)弧坑后，焊絲端部而呈潛弧狀態(tài)。在強電弧軸向力作用下，角接頭雙側熔深均可達到腹板中心線，并產生2～3mm寬的交匯區(qū)，咬合與互溶效應明顯，焊縫完全焊透（見圖6）。

3）根據(jù)圖7可知，角接頭兩側熔深交匯區(qū)隨焊槍與底板的夾角的變化趨勢：焊槍前進為拉焊（90°＜θ＜95°），隨著焊槍與底板的夾角θ2在45°～35° 時，兩側熔深交匯區(qū)寬度為負值，焊縫未焊透；θ2在25°～35° 時，兩側熔深交匯區(qū)寬度為正值，焊縫焊透。

圖7 兩側熔深交匯區(qū)隨焊槍與底板的夾角的變化趨勢

5 焊縫熔透性檢測分析

按圖8所示標定位置進行超聲波檢測取樣，以焊縫橫向中心為X軸，縱向為Y軸，對焊縫斷面進行打磨，按照GB 11345—2013規(guī)定進行100%超聲波檢測。超聲波檢測探頭型號為N5P12L，探頭K值為2，前沿距離為12.5mm，掃查速度≤150mm/s，檢測靈敏度為SL-8DB，靈敏度補償為3dB，對比試塊為CS-3-1。檢測結果表明，焊縫熔透率達100%，焊縫質量完全符合工藝標準和GB 50205—2020質量驗收標準。

圖8 焊縫超聲波檢測取樣

6 結束語

本文針對厚度超過25mm的碳素鋼角接頭不易焊透、熔敷效率低、力學性能不理想等問題進行分析，確定了影響厚板角接頭焊接質量的關鍵因素為打底層的焊接方式，打底與填充蓋面層的焊槍角度不合理。對于與坡口角度為50°～55° 的角接頭，根據(jù)熔深要求和坡口角度空間位置限制等條件，確定了如下結論：

1）焊縫打底層應采用拉焊方式進行，焊接前進角度θ應保持在90°～95°，可獲得較理想熔深，θ角度過大，電弧軸向力會部分分散，氣體保護效果差。填充和蓋面層應采用推焊的方式進行，可有效提高熔敷效率，獲得符合規(guī)定的熔寬和余高，外觀成形好。

2）焊接角度，即焊槍前進角度θ和焊槍與腹板的夾角θ2要在25°＜θ2＜35°，90°＜θ＜95°，角接頭兩側熔深出現(xiàn)交匯區(qū)，熔深根部咬合和互熔良好，焊縫熔寬、熔深和余高較為理想，外觀成形良好。

3）本文所研究的角接頭的焊接方式和焊槍角度的合理范圍結論，經試驗證明效果良好，已進行大批量實際生產，為進一步的焊縫形成機理提高有益的實踐參考價值。