GMAW自動焊工藝參數對焊縫成形影響研究

葛佳棋，萬升云，湯旭祥，鐘奎，邵戧，盧永建

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

熔化極氣體保護焊（GMAW）是一種利用連續送進的焊絲與工件間產生的電弧作為熱源將金屬熔化的焊接方法，其焊接效率高、焊縫質量好，在軌道交通裝備的生產制造中獲得廣泛的應用。目前，軌道車輛碳素鋼、不銹鋼車體及轉向架等結構件的焊接主要以氣體保護焊工藝為主[1]。

熔化極氣體保護焊的焊接參數，如焊接電流、電弧電壓、干伸長等均會影響到焊縫成形，探索焊接參數的變化與焊縫成形之間的關系，對提高焊工焊接水平，提升工藝制定的合理性有重要意義。本文采用機器人自動焊開展堆焊工藝試驗，試驗以單因素變化的形式進行，即在其他焊接參數固定的條件下，分別改變焊接電流、電弧電壓和焊絲干伸長進行試驗，以獲得不同焊接參數對焊縫成形的影響規律。

2 試驗材料與方法

試驗母材為Q 2 3 5 B 低碳鋼板，尺寸為300mm×150mm×6mm，焊接材料選用ER50-6、φ1.2m m低合金鋼焊絲，母材和焊絲的化學成分見表1。保護氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為

表1 試驗用母材及焊絲化學成分（質量分數） （%）

15L/min。焊前采用角磨機將鋼板表面氧化層打磨干凈，確保無銹及其他污染物。焊接設備為薩福MIG/MAG焊機，型號OPTIPULS380IW，搭載KR16-2庫卡機器人進行自動焊。采用單因素變化方法進行焊接，焊后采用游標卡尺每隔10mm測量焊縫余高及寬度，然后取平均值，如圖1所示，并在焊縫中心處制作焊縫橫截面金相試樣，測量并記錄熔深。

圖1 測量焊縫余高及寬度位置

3 試驗結果與分析

3.1 焊接電流對焊縫成形的影響

通過機器人示教器設置以下參數：電弧電壓21V，焊絲干伸長15mm，焊接速度0.36m/min，焊接電流在180～220A內每10A增加一次，不同焊接電流下的焊縫成形如圖2所示，焊縫尺寸隨焊接電流變化趨勢如圖3所示。

圖2 不同焊接電流下的焊縫成形

由圖2、圖3可看出，隨著焊接電流的增加，電弧的穿透力增加，熱源位置下移，造成熔深逐漸增大，因此可認為熔深與焊接電流成正比關系；同時，電流增大后，焊絲熔化量成比例增多，液態金屬在鋼表面的潤濕鋪展性能變好，焊縫寬度逐漸變大，而焊縫余高基本無變化。

圖3 焊縫尺寸隨焊接電流變化趨勢

然而，當焊接電流過大且與電弧電壓不匹配時，會造成焊絲送絲速度過快，焊絲熔化速度趕不上送絲的速度，焊槍容易出現頂絲現象，以及電弧聲音過于尖銳，從而導致焊縫成形較差。

3.2 電弧電壓對焊縫成形的影響

將焊接電流設置為1 9 0 A，焊絲干伸長為15mm，焊接速度0.36m/min，電弧電壓在19.5～22.5V內逐步增加，不同電弧電壓下的焊縫成形如圖4所示，焊縫尺寸隨電弧電壓的變化趨勢如圖5所示。

由圖4、圖5可知，隨著電弧電壓的增加，電弧功率加大，工件熱輸入增大，同時弧長變長，分布半徑增大，焊縫寬度顯著增加，而由于焊絲熔敷量不變，所以焊縫余高和熔深略微下降。當電弧電壓過大，超過與焊接電流的正常匹配范圍時，焊接過程變得不穩定。電弧聲音變得沙啞，焊絲熔化較快，送絲速度跟不上熔化速度，因此焊接完成時焊絲尖端通常熔化成球滴狀后凝固，嚴重時容易導致導電嘴的燒損。

圖5 焊縫尺寸隨電弧電壓的變化趨勢

3.3 干伸長對焊縫成形的影響

在保證焊接電流、電弧電壓和焊接速度不變的條件下，通過增加導電嘴到工件的距離（CTWD）來增加焊絲干伸長，以觀察焊縫成形的變形規律。電弧電壓設置為18V，焊接電流設置為150A，焊接速度為0.36m/min，干伸長在15～35mm內每5mm增加一次。不同干伸長時的焊縫成形如圖6所示，焊縫尺寸隨干伸長的變化趨勢如圖7所示。

由圖6、圖7可知，由于氣體保護焊焊機為恒壓（CV）電源，當干伸長增加時，回路中負載電阻增加導致實際的焊接電流下降，熔深逐漸減小，同時由于電弧力的下降，導致焊接熱輸入降低，熔池金屬的流動性減弱，導致焊縫寬度逐漸變小而余高逐漸增加。當干伸長增大到25mm后，焊槍過高，氣體保護效果變差，焊接過程不穩定，飛濺增加，因此在焊縫表面出現明顯氣孔。

圖6 不同干伸長時的焊縫成形

圖7 焊縫尺寸隨干伸長的變化趨勢

3.4 干伸長對焊絲熔敷速率的影響

在焊接生產中，穩定的焊接過程是保證焊縫質量、減少焊后清理工作量的前提，因此焊接時通常會選擇一個合適的焊槍高度以維持焊絲干伸長。這樣既可保證氣體保護效果，又能維持穩定連續的焊接，而不去具體考慮焊絲干伸長對焊絲熔敷速率的影響。

目前，國內外已有不少學者針對干伸長與焊絲熔敷速率/焊絲送絲速度之間的關系開展了相關研究。韓國學者研究表明[2，3]，提高焊接過程中導電嘴與工件之間的距離（CTWD）或提高焊絲干伸長可增加焊絲的熔敷速率，但同時可能會引起送絲的不穩定，且會影響氣體保護效果，造成焊縫質量的下降。研究結果還表明，提高焊絲干伸長后焊絲的送絲速度和熔敷速率也隨之增加。TITI C D等[4]針對導電嘴與工件間距離（CTWD）對焊縫成形的影響開展了基礎研究。研究結果表明，隨著工件間距離（CTWD）的增加，焊接時焊絲的消耗速度明顯上升。國內也有研究表明[5]，氣體保護焊過程中隨著焊絲干伸長的增加，焊絲受到的電阻熱增加，導致焊絲熔敷速率加快，單位時間內過渡到熔池的焊絲金屬增多。

通過改造后的焊槍噴嘴驗證干伸長與焊絲熔敷速率之間的關系，延長噴嘴長度，使得在提高焊槍高度、增加焊絲干伸長的同時，保證焊接過程中氣體保護的效果。干伸長分別設定為15mm、35mm和55mm，焊接速度為0.45m/min，保護氣體流量為20L/min。由于干伸長的增加，焊前在焊機上設置的焊接參數與焊接時實際的工藝參數有較大差異，因此焊前要進行焊接參數的調節，使得3種干伸長條件下實際的電弧電壓與焊接電流基本一致，以觀察焊縫成形情況，焊接參數設置見表2，各干伸長條件下焊縫橫截面如圖8所示。通過在較大數值范圍內增加干伸長，可發現堆焊焊縫橫截面積顯著增加，而3條焊縫的焊接速度一致，則說明隨著干伸長的增加，焊絲的送絲速度以及熔敷速率隨之增加。

表2 不同干伸長條件下的焊接參數設置

圖8 不同干伸長條件下的焊縫橫截面形貌

基于此規律，焊接生產中制定工藝規程時，可在確保氣體保護良好的前提下適當提高焊槍高度，或通過改造焊槍噴嘴結構來獲得較高的焊絲熔敷速率，進而使提高焊接速度成為可能。

4 結束語

1）焊接電流的增加可提高電弧的穿透力，使熱源位置下移，增加焊縫熔深，同時熔池尺寸的變大使焊縫寬度顯著增加，而余高無明顯變化。

2）電弧電壓的增加，使得電弧分布半徑增大，焊縫寬度顯著增加，而由于焊絲熔敷量基本不變，所以焊縫熔深和余高呈略微下降趨勢。

3）干伸長的增加會顯著降低實際的焊接電流，因而焊縫的熔深會降低，焊縫寬度逐漸變小，余高逐漸增加。

4）通過調整焊前參數的設置，使得焊接過程中實際焊接電流、電弧電壓維持不變時，干伸長的增加可顯著提高焊絲的熔敷速率。