擺焊參數(shù)對焊縫成形的影響分析

侯仰強 王天琪 李亮玉 李天旭 劉曉輝

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室,天津 300387)

?

擺焊參數(shù)對焊縫成形的影響分析

侯仰強 王天琪 李亮玉 李天旭 劉曉輝

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室,天津 300387)

采用擺焊工藝對3 mm厚的普通低碳鋼進行了焊接，并對擺焊參數(shù)的改變對焊縫成形的影響進行了研究，在此基礎上設計并實施了3組不同焊縫寬度的寬焊縫焊接試驗。 結果表明，擺動模式對焊縫形狀的影響不明顯，隨著周期擺動長度的增大，焊縫在水平方向上的間隙逐漸增大，適當增大周期擺動寬度可增大焊縫寬度，擺動停頓距離應控制在4 mm以內，否則會出現(xiàn)焊縫塌陷現(xiàn)象。所設計的3組寬焊縫焊接參數(shù)，其焊縫成形良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，滿足寬焊縫焊接要求。

寬焊縫 擺焊 焊縫形狀 焊接參數(shù)

0 序 言

隨著交通運輸、石油產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在一些汽車、石油管道的焊接加工中，存在著寬焊縫焊接的問題[1-2]。傳統(tǒng)的解決方法是依靠焊工在進行焊接操作時，以一定的周期、一定的擺動軌跡進行擺動焊接，典型的擺動軌跡有月形、栗形、三角形等[3-4]。通過擺動操作，除了能夠防止產(chǎn)生咬邊、焊瘤、夾渣等焊縫缺陷外，還對進行橫焊、立焊、仰焊及單面焊雙面成形有良好的作用[5-6]。目前，焊接擺動器可以實現(xiàn)擺焊的功能；另一方面弧焊機器人逐漸得到普及，特別是近十幾年來由于世界范圍內經(jīng)濟的高速發(fā)展，市場的激烈競爭使那些用于大中批量生產(chǎn)的焊接自動化專機已不能適應小規(guī)模、多品種的生產(chǎn)模式，逐漸被具有柔性的焊接機器人代替，焊接已成為工業(yè)機器人應用最大的領域之一[7-8]。因此，為了滿足焊接工藝對焊縫寬度控制的要求，提高焊縫層間及表面的焊接質量，減少焊接缺陷的產(chǎn)生，保證焊接質量和提高焊接效率。要求焊接機器人除了能夠直線焊接外，還應具有擺焊的功能[9]。經(jīng)過近幾年的研發(fā)，一些著名的電焊機生產(chǎn)廠家，如福尼斯、威特力、東升焊機等，已經(jīng)開發(fā)出了多種能夠實現(xiàn)擺焊功能的電焊機及自動焊接設備，配合弧焊機器人末端執(zhí)行器的擺動，能夠實現(xiàn)寬焊縫擺焊的焊接要求[10-11]。

針對弧焊機器人擺焊系統(tǒng)，影響焊縫形狀的因素除了焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲傾角等參數(shù)[12-13]，擺焊參數(shù)也對焊縫成形產(chǎn)生了重要的影響。文中采用經(jīng)典的單一變量控制理論對普通低碳鋼板進行焊接，在控制焊接電流、焊接電壓等焊接參數(shù)一致的前提下，通過改變擺動模式、周期擺動長度、周期擺動寬度以及擺動停頓距離等，來觀察焊縫形態(tài)的不同，以此探究擺焊參數(shù)對焊縫成形的影響。在此基礎上設計并實施了3組不同焊縫寬度的寬焊縫焊接試驗，觀察其焊縫成形情況。

1 試驗系統(tǒng)與方法

1.1 試驗系統(tǒng)

文中采用的擺焊試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示，電焊機采用的是福尼斯的CMT 4000R型焊機，機器人采

圖1 擺焊試驗系統(tǒng)示意圖

用的是ABB的IRB2600型六自由度工業(yè)機器人。電焊機與機器人通過DeviceNet進行通訊，DeviceNet是一個基于CAN的開放系統(tǒng)，它的特點是體積小并且高度模塊化，可以簡單緊湊地將其安裝在標準C型滑軌內，而且不需在連接端子之間添加任何連接件而直接連接執(zhí)行器和傳感器。CMT4000R型焊機是一款性能卓越的焊接設備，它采用先進的CMT焊接技術，不僅可以降低熱輸入量，并且與脈沖MIG 焊相比較而言，焊絲熔化率提高且焊縫成形美觀。對于擺焊參數(shù)設置可以通過與其連接的ABB機器人的示教器進行調節(jié)，方便快捷。

1.2 試驗材料

焊接母材為3 mm厚的普通低碳鋼，焊絲選用牌號為ER50-6的G3Si1焊絲，焊絲直徑為1.2 mm。母材和焊絲的化學成分見表1。保護氣體成分為CO2(18%)+Ar(82%)，保護氣流量為20 L/min。

1.3 焊接工藝參數(shù)

在進行擺動焊接試驗時，除了常規(guī)焊接參數(shù)，例如焊接電流、焊接電壓等會對焊縫成形產(chǎn)生影響外，擺動模式、擺動長度以及擺動寬度等也會影響焊接過程。為了探究擺動參數(shù)對焊縫成形的影響，將焊接常規(guī)參數(shù)作為固定參數(shù)，通過改變擺焊相關參數(shù)來觀察焊縫成形的影響規(guī)律。經(jīng)過前期常規(guī)焊接參數(shù)對焊縫成形影響規(guī)律的研究，最終確定的常規(guī)焊接優(yōu)化參數(shù)見表2，采用CMT工藝進行焊接。

表1 母材和焊絲的化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

1.4 擺焊參數(shù)及編程

在確定焊接材料和焊接工藝參數(shù)之后，需要對焊接機器人進行弧焊編程，文中用到的試驗系統(tǒng)編程語句和普通的弧焊指令相同，其基本格式為：

ArcL,p1,v100,seam1,weld1weave:=wv1,fine,gun1其中,ArcL是焊接指令關鍵字，相當于機器人編程中的MoveL；seam1用來定義起弧和收弧時的焊接參數(shù)，通常有保護氣管路的預充氣時間、收弧時的回燒量、保護氣的吹氣時間等；p1用來定義目標點的位置；v100用來定義機器人運動的速度為100 mm/s；weld1用來定義焊縫的焊接參數(shù)，通常有焊接速度、焊接電壓、送絲速度等；weave:=wv1用來定義擺焊的相關參數(shù)，也是文中研究的重點，通常有擺動模式、擺動一個周期的長度、擺動一個周期的寬度以及擺動停頓距離等，擺焊具體參數(shù)如圖2所示，圖中L表示擺焊擺動一個周期的長度;W表示擺動一個周期的寬度;L1表示擺動到左邊時的停頓距離;L2表示擺動到中心點時的停頓距離;L3表示擺動到右邊時的停頓距離；gun1同機器人的Move指令一樣，定義了焊槍的TCP等參數(shù)。

圖2 擺焊參數(shù)示意圖

2 試驗結果及討論

2.1 擺動模式對焊縫成形的影響

為了研究擺焊參數(shù)中擺動模式對焊縫成形的影響，排除其他參數(shù)對試驗結果的干擾，故將其他參數(shù)設置成相同的合適值，其具體試驗參數(shù)見表3。

表3 擺動模式試驗參數(shù)

得到的試驗結果如圖3所示，圖中序號與試驗序號一一對應，其中圖3a,3b,3c為一組，圖3d,3e,3f為一組，分別進行比較。由試驗結果可知，圖3a,3b,3c三種擺動模式所得到的焊縫寬度差別不大，焊縫的輪廓形狀也相似；圖3d,3e,3f這一組進行比較，可以看到V字形擺動圖3e時，其得到的焊縫寬度比另外兩種略大，其余兩種所得到的焊縫形狀差別不大?？傮w而言，擺動模式對焊縫成形的影響不大，在進行寬焊縫焊接時可以適當選取。

圖3 改變擺動模式試驗結果

2.2 改變周期長度對焊縫成形的影響

運用控制變量理論，將擺動周期長度作為單一變量，進一步探究其對焊縫形狀的影響。得到的試驗結果如圖4所示，從試驗結果可以看出隨著周期長度的改變，焊縫截面形狀也發(fā)生了明顯的改變，但焊縫寬度沒有發(fā)生變化。 隨著周期長度的增大，焊縫形狀在水平方向上的間隙逐漸增大，可見在寬焊縫焊接時其周期擺動長度不易過大，應控制在6 mm以下。其對應的實驗參數(shù)見表4。

圖4 改變周期長度試驗結果

試驗序號擺動模式周期長度L/mm周期寬度W/mm左邊停頓距離L1/mm中心點停頓距離L2/mm右邊停頓距離L/mm2-1鋸齒形341112-2鋸齒形641112-3鋸齒形941112-4鋸齒形1241112-5鋸齒形1841112-6鋸齒形244111

mm以下。

2.3 改變周期寬度對焊縫成形的影響

探究改變擺動周期寬度對焊縫形狀的影響，所設計的試驗參數(shù)見表5。

表5 改變周期寬度試驗參數(shù)

得到的試驗結果如圖5所示，從試驗結果可以明顯看出擺動周期寬度在14 mm以內時，隨著周期寬度的增大，焊縫寬度也隨之增大，周期寬度為14 mm和周期寬度為18 mm的焊縫寬度差別不大，但是焊縫形狀不同，可見在寬焊縫焊接時可適當增大周期寬度，來增大焊縫寬度。

圖5 改變周期寬度試驗結果

2.4 改變停頓距離對焊縫成形的影響

停頓距離包括左邊停頓距離、中心點停頓距離和右邊停頓距離，為了分別探究其對焊縫成形的影響，設計了如下試驗，其具體試驗參數(shù)見表6。

得到的試驗結果如圖6所示，其圖中序號與試驗序號一一對應，圖6h為對應的試驗結果背面照片。將圖6b、圖6c與圖6a進行比較來分析左邊停頓距離對焊縫成形的影響，從試驗結果可以看出，隨著左邊停頓距離的增加，焊縫形狀在水平方向上的間隙逐漸減小，但焊縫寬度沒有發(fā)生變化，當左邊停頓距離為7 mm時，出現(xiàn)了明顯的焊縫塌陷現(xiàn)象。將圖6d、圖6e與圖6a進行比較來分析中心點停頓距離對焊縫成形的影響，從試驗結果可以看出，隨著中心點停頓距離的增加，焊縫形狀在水平方向上的間隙逐漸減小，且減小速度明顯比左邊停頓距離增加導致焊縫形狀在水平方向間隙減小的要快，當中心點停頓距離為4 mm和7 mm時，均出現(xiàn)了焊縫塌陷現(xiàn)象，且中心點停頓距離為7 mm時，塌陷現(xiàn)象更加明顯。將圖6f、圖6g與圖6a進行比較來分析右邊停頓距離對焊縫成形的影響，從試驗結果可以看出，隨著右邊停頓距離的增加，焊縫形狀在水平方向上的間隙略有減小，但焊縫寬度沒有發(fā)生變化，當右邊停頓距離為7 mm時，出現(xiàn)了明顯的焊縫塌陷現(xiàn)象。可見，左邊停頓距離、中心點停頓距離和右邊停頓距離都對焊縫形狀產(chǎn)生了明顯的影響，在進行寬焊縫焊接時，三者的長度不應過大，應在4 mm以內為宜。

表6 改變停頓距離試驗參數(shù)

2.5 綜合應用

綜合以上各擺焊參數(shù)對焊縫形狀的影響，設計了幾種不同焊縫寬度的寬焊縫焊接參數(shù)，其具體參數(shù)見表7。

得到的試驗結果如圖7所示，其圖中序號與試驗序號一一對應。所得到的焊縫寬度從上到下依次為10 mm,14 mm以及17 mm，焊縫上所呈現(xiàn)的褐色物質，為焊絲表面熔敷物質受熱熔化滴落到焊縫上，然后遇冷凝固所致。從試驗結果可以看出，焊縫成形良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，符合寬焊縫焊接的要求。

圖6 改變停頓距離試驗結果

試驗序號擺動模式周期長度L/mm周期寬度W/mm左邊停頓距離L1/mm中心點停頓距離L2/mm右邊停頓距離L/mm5-1鋸齒形1．0160．20．30．25-2鋸齒形1．5200．50．50．55-3V字形1．0240．30．30．3

圖7 寬焊縫焊接試驗結果

3 結 論

(1)采用擺焊工藝對3 mm厚的普通低碳鋼進行了焊接試驗，由試驗結果可知，擺焊模式的改變對焊縫形狀的影響不明顯；隨著周期長度的增大，焊縫水平方向上的間隙逐漸增大，為了獲得良好的焊縫形狀，擺動周期長度應控制在6 mm以內；增加擺動周期寬度可增大焊縫寬度，擺動停頓距離應控制在4 mm以內，否則會出現(xiàn)焊縫塌陷現(xiàn)象。

(2)綜合擺焊各參數(shù)的影響，設計了幾組不同焊縫寬度的寬焊縫焊接參數(shù)并進行了焊接。結果表明，焊

[][]

縫成形良好，未見焊縫塌陷、層間未熔合和咬邊現(xiàn)象發(fā)生，符合寬焊縫焊接的要求。

[1] 何 實，儲繼君，齊萬利. 中國焊接材料的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢[J]. 焊接，2015(12): 1-5.

[2] 楊春利，林三寶. 電弧焊基礎[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2010.

[3] 徐望輝，董春林，楊春利，等. 高強鋼擺動電弧窄間隙GMAW組織與性能研究[J]. 焊接，2016(7): 32-36.

[4] 徐望輝，范成磊，林三寶，等. 擺動電弧窄間隙焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響[J]. 焊接，2015(2): 13-17.

[5] Xu Wanghui，Lin Sanbao，F(xiàn)an Chenglei，et al. Feasibility study on tandem narrow gap GMAW of 65 mm thick steel plate [J]. China Welding，2012，21(3): 7-11.

[6] 彭 湃，吳 林，田勁松，等. 神經(jīng)網(wǎng)絡在機器人焊接參數(shù)規(guī)劃中的應用[J]. 焊接學報，2001，22(4): 39-42.

[7] 王 軍，王 劍，付 奧，等. 基于機器人的焊接快速成形技術[J]. 焊接，2014(10): 15-19.

[8] 宋天虎，劉永華，陳樹君. 關于機器人焊接技術的研發(fā)與應用之探討[J]. 焊接，2016(8): 1-10.

[9] Wang J，Zhu J，F(xiàn)u P，et al. A swing arc system for narrow gap GMA welding[J]. ISIJ International，2012，52(1):110-114.

[10] Cui H，Jiang Z，Tang，et al. Research on narrow-gap GMAW with swing arc system in horizontal position [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，74(1): 297-305.

[11] 肖介光，熊 健，郭 娟，等. 電焊機綠色設計與制造[J].機械，2009(1): 114-116.

[12] 林三寶，王瑤偉，蔡玉博，等. 雙絲窄間隙全位置GMAW焊縫成形研究[J]. 焊接，2014(12): 4-9.

[13] 王 敏，谷侃鋒，魏 強，等. 激光-TIG復合熱源焊接鈦合金T形結構焊縫成形特點及影響因素分析[J]. 焊接學報，2010，31(12): 105-108.

2016-12-21

國家自然科學基金資助項目(U1333128)；天津市科技支撐計劃項目(14ZCDZGX00802，15ZCZDGX00300)。

TG444

侯仰強，1991年出生，碩士研究生。主要從事焊接機器人方面研究，已發(fā)表論文5篇。