盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)架管板結(jié)構(gòu)機(jī)器人多層多道規(guī)劃及焊接工藝實(shí)踐

李斗，蔡云秀，李飛

1.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司 云南昆明 650051

2.云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 云南昆明 650000

3.昆明理工大學(xué)城市學(xué)院 云南昆明 650051

1 序言

目前，盾構(gòu)機(jī)管板結(jié)構(gòu)刀盤(pán)架手工多層多道焊接，需要焊接的層數(shù)和道數(shù)較多，而且焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定，焊縫成形差。同時(shí)，采用手工進(jìn)行多層多道焊接時(shí)，焊接效率低、焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大、人為影響因素大等原因使其很難滿足當(dāng)今焊接自動(dòng)化的發(fā)展需求[1-4]。為此，需要將焊接機(jī)器人引入盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)架機(jī)器人的全自動(dòng)焊接，在提高焊接生產(chǎn)效率的同時(shí)，也能保證良好的焊接質(zhì)量及焊接過(guò)程的穩(wěn)定[5，6]。

2 焊接方法與設(shè)備

由于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)架較大，立管和法蘭盤(pán)焊接位置模擬焊縫采用管板垂直角接的接頭形式，不開(kāi)坡口，也不留間隙。母材為Q355B低合金高強(qiáng)度鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1。圓管外徑200mm、壁厚10mm、高度40mm，底板尺寸為250mm×250mm×10mm，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)架及模擬焊接試件

表1 Q355B鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

焊前采用機(jī)械清理，對(duì)試件進(jìn)行打磨、除銹、去油污。定位時(shí)，在管板內(nèi)側(cè)采用MIG焊進(jìn)行定位焊，保證焊接穩(wěn)固。采用德國(guó)KUKA Kr6arc機(jī)器人、德國(guó)EWM 522RC Plus force Arc焊接電源，選用直徑為1.2mm的H08Mn2SiA焊絲，常規(guī)焊接參數(shù)中焊絲干伸長(zhǎng)為16mm，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為24L/min。焊槍終端延遲息弧時(shí)間為0.4s。

3 機(jī)器人多層多道規(guī)劃及焊接工藝試驗(yàn)

焊縫截面規(guī)劃采用機(jī)器人不擺動(dòng)焊接模式，焊接機(jī)器人在不擺動(dòng)的情況下，要得到等腰三角形較好的焊縫成形，所需要的焊接熱輸入是一定的，且得到的焊縫尺寸較小[7]。結(jié)合前期工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，焊縫截面尺寸規(guī)劃如圖2所示。

圖2 機(jī)器人不擺動(dòng)焊縫截面尺寸規(guī)劃

由圖2可知，焊縫截面由焊道A和焊道B組成，焊道A的截面形狀簡(jiǎn)化為等腰三角形，邊長(zhǎng)4mm。焊道B的截面形狀簡(jiǎn)化為菱形，邊長(zhǎng)4mm。采用該焊縫截面規(guī)劃方式，可以使多層多道焊接做到第一層一道、第二層二道、第三層三道，以此類(lèi)推，不僅能簡(jiǎn)化對(duì)不用焊道所需焊接參數(shù)的研究，而且能夠縮短示教時(shí)間，提高焊接生產(chǎn)效率[8]。

焊道A的截面形狀是邊長(zhǎng)4mm的等腰三角形，由于不考慮坡口及間隙，因此對(duì)焊道A直接采用機(jī)器人角接的焊接方法，焊槍角度45°，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)上述試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，其焊接效果如圖3所示。

表2 焊道A的焊接參數(shù)

圖3 不同焊接參數(shù)時(shí)焊道A截面宏觀形貌

由圖3可知，1號(hào)焊縫與2號(hào)焊縫相比，焊腳尺寸小，焊縫中部凸起明顯，成形較差。3號(hào)焊縫與2號(hào)焊縫相比，其焊縫尺寸大致相同，但3號(hào)焊縫有輕微的熔池下淌現(xiàn)象。這3組中，2號(hào)焊縫截面尺寸滿足要求，焊接成形好，因此，選用2號(hào)焊接試驗(yàn)參數(shù)作為焊道A的焊接參數(shù)。

焊道B的截面形狀是邊長(zhǎng)4mm的菱形，由于是焊道A的相鄰焊道，因此其焊接成形與焊道A的截面形狀有關(guān)。焊道A截面形狀為等腰三角形，角度45°，因此焊道B是大內(nèi)角135°的菱形，對(duì)于該菱形焊道的焊接，首先研究焊槍角度θ對(duì)焊縫成形的影響（θ為焊槍中心線與水平面的夾角）。根據(jù)焊縫截面尺寸規(guī)劃，焊道B的截面積是焊道A的2倍，選用送絲速度為3.2m/min、焊接速度為0.2m/min的焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，其焊后焊縫截面尺寸見(jiàn)表3，焊縫成形如圖4所示。

表3 不同焊槍角度焊道B焊縫截面尺寸

由圖4可知，隨著焊槍角度的增加，焊縫寬度在逐漸減小，焊縫高度在逐漸增加。由圖4a可知，當(dāng)焊槍角度過(guò)小時(shí)，焊縫上部填充金屬量不足，存在咬邊的焊接缺陷。由圖4d可知，當(dāng)焊槍角度過(guò)大時(shí)，填充金屬過(guò)于堆積，導(dǎo)致焊縫寬度不夠，成形差。由圖4a～d可知，當(dāng)焊槍角度為67.5°時(shí)，即焊槍中心線與該菱形大內(nèi)角的角平分線重合時(shí)，焊縫成形較為理想。因此，在規(guī)劃焊槍角度時(shí)，采用焊槍中心線與菱形大內(nèi)角的角平分線相重合的方式進(jìn)行焊接。焊道B的焊接參數(shù)見(jiàn)表4，不同焊接參數(shù)下焊道B截面宏觀形貌如圖5所示。

表4 焊道B的焊接參數(shù)

圖4 不同焊槍角度對(duì)焊縫宏觀形貌的影響

由圖5a、b可知，8號(hào)和9號(hào)焊縫熱輸入近似相等，其焊縫成形均比較理想，焊縫截面尺寸滿足焊接截面規(guī)劃要求。由圖5c可知，10號(hào)焊縫熱輸入較大，其單位時(shí)間內(nèi)的填充金屬量多，焊縫成形較差且截面尺寸過(guò)大。由圖5d可知，11號(hào)焊縫熱輸入較小，其單位時(shí)間內(nèi)的焊縫填充金屬量不足，導(dǎo)致焊縫截面尺寸偏小，成形不滿足要求。為提高焊接生產(chǎn)效率，選擇9號(hào)試驗(yàn)焊接參數(shù)作為焊道B的焊接參數(shù)。

圖5 不同焊接參數(shù)下焊道B截面宏觀形貌

4 機(jī)器人多層多道焊接工藝試驗(yàn)

機(jī)器人多層多道焊接工藝試驗(yàn)的焊接參數(shù)見(jiàn)表5，焊接順序如圖6所示。

圖6 機(jī)器人多層多道焊焊接順序

表5 機(jī)器人多層多道試驗(yàn)焊接參數(shù)

在前期焊接工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為避免層間未熔合等焊接缺陷，在理論計(jì)算和實(shí)際焊后對(duì)熔合線進(jìn)行測(cè)量，選取合適的焊縫軌跡偏移量。焊接效果如圖7所示。

圖7 機(jī)器人多層多道焊縫宏觀形貌

對(duì)焊縫截面規(guī)劃進(jìn)行多層多道焊接后，經(jīng)觀察，其焊縫成形較好，無(wú)明顯焊接缺陷，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 機(jī)器人多層多道焊縫參數(shù)

5 焊縫質(zhì)量

不同層道間焊縫微觀組織如圖8所示。由圖8可知，焊縫各焊道的熔合情況良好，不同焊道之間的晶粒度及組織幾乎相同，整個(gè)焊縫組織均勻，焊縫質(zhì)量良好。其中，焊縫熱影響區(qū)的寬度約為0.8mm，焊縫截面規(guī)劃的熱影響區(qū)均滿足相應(yīng)的尺寸要求。

圖8 不同層道間焊縫微觀組織

母材、熱影響區(qū)、焊縫顯微硬度測(cè)試如圖9所示。母材顯微硬度值為240.5HV，熱影響區(qū)顯微硬度值為283.4HV，焊縫顯微硬度值為290.5HV。由顯微硬度測(cè)試結(jié)果可知，在焊縫、熱影響區(qū)并未出現(xiàn)淬硬組織，符合焊接工藝規(guī)范要求。

圖9 母材、熱影響區(qū)、焊縫顯微硬度測(cè)試

6 結(jié)束語(yǔ)

1）機(jī)器人采用不擺動(dòng)、三角形加菱形規(guī)劃策略，三角形截面焊接參數(shù)為送絲速度3.2m/min、焊接速度0.3m/min、焊槍角度45°；菱形截面焊接參數(shù)為送絲速度5m/min、焊接速度0.4m/min、焊槍角度67.5°。焊后總焊縫高度14.24mm，總焊縫寬度16.48mm，總焊接時(shí)間1560s，熱影響區(qū)寬度0.8mm，焊縫成形良好，表面光滑。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)和金相檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊道熔合良好。

2）對(duì)平行四邊形的焊縫成形，提出了新的焊槍姿態(tài)規(guī)劃，并通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果表明該焊槍姿態(tài)規(guī)劃是可行的，能夠得到較好的平行四邊形焊縫成形。