核電預埋件機器人自動焊接工藝研究

張曉冬，王登星，劉金平，吳曄華，潘國偉，王毅

1.中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

2.核工業工程研究設計有限公司 北京 101300

3.中核高效智能化焊接重點試驗室 北京 101300

1 序言

在眾多金屬連接方式中，焊接是最優質的一種，其既能降低經濟成本，又能降低人工工作量及工作強度，并且連接穩定性也較為可靠，是生產作業中較為重要的一環。隨著我國核電工業的飛速發展，焊接技術在核電工業建設中所占地位越來越重要。在核電工業基礎建設中，焊接已成為非常重要的組成部分，其中不僅有同種鋼材焊接的常規要求，還因強度、材料及其他特殊要求，也有異種鋼焊接需求，需根據不同的材料特質，不同環境應用的實際情況，來創建較為完善的焊接方法及焊接工藝規范。目前，中國在核電領域預埋鋼筋塞焊的主要焊接方法為CO2氣體保護焊和普通MAG焊[1-3]。因板件厚度、鋼筋直徑較大，在焊接過程中，普通MAG焊及CO2氣體保護焊電弧熱量較低，故所達到的熔深較淺，單次填充量較小，焊接層數多，導致焊接程序復雜且穩定性差[4，5]。為了改善普通MAG焊的不足，焊接過程中必須采用較大的焊接熱輸入來保證焊縫成形及內在焊接質量。另外，普通MAG焊及CO2氣體保護焊的送絲速度較慢，熔敷效率低，電弧熱量不集中，若想獲得更大的填充量則必須采用大電流進行焊接，但熱輸入過大會引起部分焊接缺陷，或因焊接層數過多而產生焊接變形，使工程質量出現問題，如生產效率低、焊接接頭質量低等[6，7]。然而在普通MAG焊基礎上，高峰值脈沖MAG焊可有效提高熔滴過渡穩定性，穩定陰極斑點，提高電弧燃燒的穩定性，改善焊縫熔深形狀及外觀成形，增大電弧熱功率，提升焊縫的冶金質量，減少焊接缺陷，更適用于碳素鋼、不銹鋼等金屬材料的焊接。

基于上述分析，依據現有鋼筋預埋件塞焊焊接技術基礎[8，9]，在焊接工藝方面采用大功率高峰值脈沖MAG焊，并對此種工藝下獲得的焊接接頭、力學性能、焊接效率等與普通MAG焊進行比較，探討高峰值脈沖MAG焊在預埋件鋼筋塞焊中應用的可能性[10]。

2 試驗材料、設備及方法

2.1 試驗材料

試驗所用材料均來自核電領域常用型材，板材型號為321不銹鋼及Q235B低碳鋼，厚度25mm。鋼筋采用HRB400、φ20mm。低碳鋼焊接采用大西洋CHW-50C6焊絲、φ1.2mm，異種鋼焊接采用大西洋ER309焊絲、φ1.2mm。試驗材料化學成分及力學性能分別見表1～表4。

表1 321不銹鋼、ER309焊絲和CHW-50C6焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 HRB400鋼筋力學性能

2.2 試驗設備

試驗所用設備為最大額定功率350A的EW數字化焊機，型號RD350，機器人選取安川MA2010弧焊用6軸機器人，焊接模式選取普通MAG焊和高峰值脈沖MAG焊（見圖1）。

圖1 焊接試驗機型

表2 HRB400鋼筋和Q235B鋼底板化學成分（質量分數） （%）

表3 321不銹鋼和Q235B鋼的力學性能

2.3 試驗方法

路徑規劃為自主研發設計的一套完整焊接程序，通過光學視覺識別系統能夠準確識別焊縫所在位置并自動規劃出焊接行走路徑，通過與機器人間的命令通信，完成自動排道，從而滿足自動化焊接要求。

3 焊接試件尺寸及焊前處理

工件尺寸為100mm×100mm正方形板材，坡口形式如圖2所示。

圖2 坡口形式

應先用角磨機打磨母材表面，避免母材表面存在鐵銹及硬性雜質，再用酒精或丙酮擦拭去除表面油污，保證焊縫清潔。

4 試驗工藝結果及分析

試驗中同種材質的工藝參數保持一致，如焊接速度、焊接電流、電弧電壓等。以不同焊接模式來進行對比，并進行焊縫成形比較及抗拉強度試驗，以此針對該材質選取合理的焊接模式。

4.1 工藝試驗

對兩種材質預埋件進行工藝試驗，分別如下。

1）HRB400鋼筋與Q235B低碳鋼底板，焊絲選取φ1.2mm的大西洋CHW-50C6焊絲。保護氣體為80%Ar+20%CO2。噴嘴規格為φ16mm。

2）HRB400鋼筋與321不銹鋼底板，焊絲選取φ1.2mm大西洋ER309焊絲。保護氣體為95%Ar+5%CO2。噴嘴規格為φ16mm。

4.2 焊接參數

（1）Q235B低碳鋼焊接參數 Q235B低碳鋼的打底焊、填充焊及蓋面焊焊接參數見表5、表6。

表5 Q235B低碳鋼打底焊焊接參數

表6 Q235B低碳鋼填充焊、蓋面焊焊接參數

（2）異種鋼焊接參數 異種鋼的打底焊、填充焊及蓋面焊焊接參數見表7、表8。

表7 異種鋼打底焊焊接參數

表8 異種鋼填充焊、蓋面焊焊接參數

5 試驗結果分析

5.1 焊縫成形分析

低碳鋼、異種鋼的普通MAG焊焊縫表面如圖3、圖4所示。從圖3可看出，低碳鋼普通MAG焊試件表面魚鱗紋出現斷裂，填充量較小并存在少許夾渣缺陷，且焊接過程中存在較大量的飛濺。由圖4可看出，在異種鋼普通MAG焊試件打底過程中出現焊接裂紋，且打底層填充量不均勻，在缺陷累加后蓋面層填充金屬同樣呈現填充量不均勻的現象。

圖3 低碳鋼普通MAG焊焊縫表面

圖4 異種鋼普通MAG焊焊縫表面

低碳鋼、異種鋼的高峰值脈沖MAG焊焊縫表面如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可看出，高峰值脈沖MAG焊宏觀焊縫成形魚鱗紋致密，填充量較大，高于母材表面，且表面無明顯缺陷，焊接過程中未見裂紋。在保證熔合效果和大填充量的同時保護效果良好，填充金屬表面有光澤。

圖5 低碳鋼高峰值脈沖MAG焊焊縫表面

圖6 異種鋼高峰值脈沖MAG焊焊縫表面

5.2 焊縫宏觀金相形貌

普通MAG焊宏觀金相如圖7、圖8所示，普通MAG焊試件經線切割、打磨和腐蝕得到宏觀金相圖。由圖7、圖8可看出，普通MAG焊在焊縫層間和根部會有未熔合現象，產生此現象的原因為普通MAG焊中的電流不具有高峰值脈沖MAG焊電流峰值的熔透性，加之普通MAG焊電弧對熔池的作用力無法達到對熔池的攪拌作用，使焊接過程中會產生部分未熔合現象，從而導致試件的力學性能下降。

圖7 低碳鋼普通MAG焊宏觀金相

圖8 異種鋼普通MAG焊宏觀金相

高峰值脈沖MAG焊宏觀金相如圖9、圖10所示，高峰值脈沖MAG焊試件經線切割、打磨和腐蝕得到宏觀金相圖。由圖9、圖10可看出，高峰值脈沖MAG焊打底層熔透效果良好，填充層側壁熔合效果良好，未見未熔合現象，填充層填充金屬均勻，焊縫表面平整。產生此現象的原因為高峰值脈沖MAG焊中的電流峰值較大，可以增加熔深，在組對間隙復雜的坡口中可有效地解決根部及側壁的未熔合問題。

圖9 低碳鋼高峰值脈沖MAG焊宏觀金相

圖10 異種鋼高峰值脈沖MAG焊宏觀金相

5.3 接頭力學性能

低碳鋼、異種鋼焊接接頭的力學性能測試結果分別見表9、表10。

表9 低碳鋼力學性能測試結果

表10 異種鋼力學性能測試結果

低碳鋼焊接在相同工藝下高峰值脈沖MAG焊試件抗拉強度均符合要求，于鋼筋位置發生塑性斷裂；普通MAG焊試件抗拉強度低于鋼筋的試驗件，斷于焊縫根部。結合宏觀金相顯示，普通MAG焊熔透性與高峰值脈沖MAG焊相比明顯較差，且熔敷金屬在厚度方向的均勻性較差。加之鋼筋穿孔塞焊坡口形式較復雜、間隙大小不一，使打底層熔透效果產生差異，導致焊接試件力學性能受到影響。

在異種鋼焊接過程中，除低碳鋼焊接過程中的影響外，普通MAG焊持續的高熱輸入會導致奧氏體不銹鋼增碳，在冷卻過程中發生馬氏體轉變，形成脆硬的馬氏體組織，加之低碳鋼和不銹鋼的熱膨脹系數相差較大，導致冷卻至室溫后會在焊縫根部產生裂紋，從而影響焊接質量。

6 結束語

通過焊接試驗數據表明，高峰值脈沖MAG鋼筋塞焊焊接接頭性能良好，滿足相關標準的要求，證明了高峰值脈沖MAG焊焊接工藝是可行的，并具有以下優勢。

1）試驗果表明，在相同焊接電流、電弧電壓、焊接速度等焊接參數下，與普通MAG相比，高峰值脈沖MAG焊宏觀焊縫成形波紋致密、填充量較大。反觀普通MAG焊，焊縫表面成形較差，波紋出現斷裂，填充量較小并存在少許缺陷。從宏觀金相上看，高峰值脈沖MAG焊組織成形較為穩定，各層焊縫間無焊接缺陷，反觀普通MAG焊，層間未熔合、焊縫兩側咬邊現象嚴重。

2）上述試驗表明，普通MAG焊的焊后熔合效果較差，宏觀外貌兩側熔合不均勻，一側熔深較好，另一側熔深較淺，未能充分熔合且熔深較淺，出現未焊透現象；高峰值脈沖MAG焊對于預埋鋼筋塞焊，焊后熔合效果良好，焊縫兩側熔合均勻，外表成形美觀。

3）由力學性能測試結果表明，普通MAG焊，由于焊接缺陷的存在，其焊后力學性能較差，斷裂發生在焊縫處；高峰值脈沖MAG焊對于預埋鋼筋塞焊，焊后力學性能良好，抗拉強度及斷裂位置均符合要求。