GMAW工藝參數(shù)對傾斜位置的穿孔塞焊焊縫成形的影響研究

修延飛　都婧婧　朱躍德　包明杰　李美琳

摘要：為實(shí)現(xiàn)某三代核電站屏蔽廠房鋼筋穿孔塞焊在一定傾斜角度下的GMAW自動化焊接，提出了一種針對傾斜位置的穿孔塞焊焊縫成形的焊接路徑和工藝控制策略。通過試驗(yàn)研究了焊接路徑、焊接姿態(tài)、焊接氣體成分等GMAW工藝因素對穿孔塞焊接頭在傾斜位置下的焊縫成形的影響。結(jié)果表明，采用360°順逆交替和細(xì)化層道可以有效控制熔池下淌，保證表面余高在2 mm以內(nèi);當(dāng)焊槍工作角θ調(diào)整為15°且焊接方向角φ為6°～10°時，電弧力可有效抵消重力的切向分量的影響，有效避免側(cè)壁和層間未熔合缺陷;相較于φ（Ar）98%Ar+φ（O2）2%混合氣體，φ（Ar）80%+φ（CO2）20%配比能明顯提高熔池金屬的表面張力，有助于穿孔塞焊表面及根部焊道成形。

關(guān)鍵詞：穿孔塞焊;路徑規(guī)劃;GMAW自動焊;焊縫成形

中圖分類號：TG444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0117-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.23

0 前言

隨著模塊化施工技術(shù)和理念的發(fā)展，采用穿孔塞焊設(shè)計(jì)的埋件和預(yù)制墻體結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用[1]。以某三代核電站屏蔽廠房為例，其設(shè)計(jì)上采用內(nèi)外層雙層鋼板，鋼板間采用鋼筋連接的混凝土鋼結(jié)構(gòu)，連接鋼筋與鋼板的穿孔塞焊接頭數(shù)量多達(dá)17萬個。目前普遍采用GMAW手工氣保焊進(jìn)行穿孔塞焊，勞動強(qiáng)度大、效率低，對自動化焊接應(yīng)用具有明顯的需求。

自動焊技術(shù)應(yīng)用的前提是裝配精度要求高，且焊縫位置一致或者采用變位機(jī)的方式調(diào)整成統(tǒng)一位置。中建鋼構(gòu)的于增廣[2]等人將機(jī)器人GMAW自動焊應(yīng)用于預(yù)埋件穿孔塞焊中，但對塞焊孔的加工和裝配的一致性要求極高且需要工裝輔助，同時焊接過程需要示教，多適用于小型預(yù)埋件且難以適應(yīng)復(fù)雜空間焊縫。而由于某些大型結(jié)構(gòu)無法采用變位機(jī)，此時傾斜位置熔池受重力下淌[3-4]，焊縫成形工藝控制顯得尤為重要。目前在全位置熔池控制方面，國內(nèi)外學(xué)者主要研究了焊接電源特性和焊絲成分、控制線能量采用小熔池快速冷卻抑制下淌[5-7]。該方案多應(yīng)用于管道對接直縫，對類似穿孔焊接帶弧度的坡焊且局部高溫下的熔池控制研究很少。傾斜位置穿孔塞焊焊縫熔池受重力影響下淌，焊縫表面成形上凹下凸，易造成余高超標(biāo)。此外，焊接過程涉及上坡焊和下坡焊，熔池控制難度大，鐵水下淌易造成側(cè)壁及層間未熔合，進(jìn)而影響焊縫有效熔深，因此需針對影響穿孔塞焊余高、側(cè)壁熔合及有效熔深等特征量的GMAW工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

傾斜位置的熔池成形控制策略大體上可分為快速凝固技術(shù)和熔池穩(wěn)定成形控制技術(shù)，其中快速凝固技術(shù)主要限制能量輸入，加速熔池凝固，而熔池穩(wěn)定成形技術(shù)主要從熔池受力角度，提高表面張力或改變?nèi)鄢仉娀×Ψ较?，以抵消重力的切向分量對熔池的影響。因此本文重點(diǎn)分析焊接路徑、焊接姿態(tài)、焊接保護(hù)氣體成分對穿孔塞焊接焊縫成形的影響規(guī)律，提出了一種傾斜位置的穿孔塞焊焊縫成形焊接路徑和工藝控制策略，為穿孔塞焊類接頭的離線編程GMAW自動焊接系統(tǒng)的應(yīng)用提供了關(guān)鍵的工藝基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

屏蔽廠房為子模塊拼接成的筒體墻，單個子模塊弧長長約12 m;弧形面板造成穿孔塞焊接頭傾角從中間向兩側(cè)不斷變化，最大傾角15°，如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備為配備結(jié)構(gòu)光視覺識別傳感器的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。穿孔塞焊接頭母材為Q345B及鋼筋HRB400E，焊縫間隙2～3 mm，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，有效熔深不小于11 mm。采用GMAW工藝，焊接電流160～190 A，電壓21～23 V，焊材為ER80S-G實(shí)心焊絲。采用不同的路徑、姿態(tài)和保護(hù)氣體成分焊接8件試件，焊接完成后切開試樣，并采用砂紙打磨斷面及4%的硝酸酒精溶液腐蝕處理斷面，最后在光學(xué)顯微鏡下觀察和分析各種工藝因素對成形特征量的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接路徑對穿孔塞焊焊縫成形的影響

焊接路徑規(guī)劃涉及焊接方向和焊接層道布置兩個方面。為保證起弧處封底焊道質(zhì)量，起弧位置選擇在6點(diǎn)鐘平焊位置，焊接方向采取單向連續(xù)焊接、360°順逆交替焊接或雙向?qū)ΨQ上坡焊接，如圖3所示。

由于雙向?qū)ΨQ上坡焊會造成起收弧點(diǎn)過多易出現(xiàn)缺陷，且焊接效率降低，故不宜采用。分別測試了單向連續(xù)焊和360°順逆交替焊在不同層道分布下的焊縫成形，結(jié)果如表1所示。

上坡焊時，重力有助于熔池金屬排向熔池尾部，因而熔深大、熔寬窄、余高大。下坡焊時，該作用阻止熔池金屬排向熔池尾部，電弧不能深入加熱熔池底部金屬，熔深減小，電弧斑點(diǎn)移動范圍擴(kuò)大，熔寬增大，余高減小。因此，上下坡焊縫熔敷金屬厚度和余高均有差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，與單向連續(xù)焊相比，采用360°順逆交替的方式使后一層補(bǔ)償前一層的熔敷厚度，有效降低了左右半圓余高累計(jì)差值，由最高值2.5 mm降至0.8 mm。此外，采用4道焊接可減少單層焊道的熔池量和熱量輸入，進(jìn)一步縮短熔池的凝固時間，從而有效控制熔池受重力下淌的趨勢，成形后的余高基本控制在2 mm左右。

2.2 焊接姿態(tài)對穿孔塞焊焊縫成形的影響

焊接姿態(tài)可由焊槍工作角θ和焊接方向角ψ來描述，是影響熔池形態(tài)的重要因素。本項(xiàng)目中焊槍工作角是指焊槍軸線與鋼筋軸線之間的夾角，焊接方向角是指焊槍軸線與焊接方向矢量的垂線之間的夾角。

（1）焊槍工作角θ。分別以13°、15°、18°三個傾角進(jìn)行焊接試驗(yàn)，擺動后焊絲距鋼板和鋼筋側(cè)壁的距離均為1 mm，并進(jìn)行了宏觀金相檢測，結(jié)果如表2所示，對應(yīng)的焊縫宏觀金相如圖4所示。

由圖4可知，由于鋼筋導(dǎo)熱性能較差、容積熱容小，故熔化單位體積金屬所需熱量就越少，因此在焊接電流等其他條件一定的情況下，鋼筋側(cè)熔化量及熔深明顯大于鋼板側(cè)。液體金屬密度是溫度的函數(shù)[8]，溫度高則密度小，反之亦然。由于熔池溫度分布不均勻?qū)е氯鄢貎?nèi)各點(diǎn)密度不同，而密度差將使液體金屬從低溫區(qū)向高溫區(qū)流動，由于鋼筋一側(cè)熱源集中且熱量擴(kuò)散慢，鐵水容易向熱量高的鋼筋一側(cè)流動，此時未完全熔化的鋼筋就被熔敷金屬覆蓋形成虛焊現(xiàn)象，造成鋼筋未熔合。隨著工作角由13°增加到18°，鋼筋側(cè)熔深越來越大，而坡口側(cè)則越來越小，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)工作角為15°時，兩側(cè)實(shí)現(xiàn)了良好的熔合，熔深達(dá)到12.3 mm，同時各焊道較為平整，有利于保證下一層焊接后的層間熔合質(zhì)量。

（2）焊接方向角ψ。在上坡焊和下坡焊位置，重力的切向分量作用會破壞熔池的穩(wěn)定性，是影響焊縫成形的主要因素。此時通過焊接方向角控制電弧力方向，進(jìn)而平衡重力的切向分量的影響。尤其在下坡焊時，焊接速度過慢，熔池中液態(tài)金屬將流到電弧前面，電弧在液態(tài)金屬上燃燒，導(dǎo)致焊縫熔合不良，形成未焊透。當(dāng)方向角ψ為6°～10°時，可有效控制穿孔塞焊熔池下淌，避免了由此產(chǎn)生的未熔合缺陷。

2.3 保護(hù)氣體成分對穿孔塞焊焊縫成形的影響

較小的熔池金屬的表面張力可以降低流動性，有利于提高熔池的穩(wěn)定性，其大小除了受液體金屬成分和溫度影響外，還受保護(hù)氣體成分的影響。目前主要采用混合氣作為GMAW保護(hù)氣體，尤其在細(xì)化熔滴、控制熔深等方面優(yōu)勢明顯。對于碳鋼和低合金材料，一般采用Ar+O2或者Ar+CO2兩種。本文分別采用φ（Ar）98%+φ（O2）2%、φ（Ar）80%+φ（CO2）20%兩種氣體配比進(jìn)行穿孔塞焊的工藝試驗(yàn)，結(jié)果如表3和圖5所示。

由圖5可知，少量O2的加入在提高電弧的氧化性同時降低了表面張力，使得Ar-O2保護(hù)氣體下熔池流動性明顯高于Ar-CO2，其根部熔池下淌量達(dá)到約3 mm，表面余高約為2.8 mm，下淌造成的根部未熔合使得有效熔深減少至10.5 mm。而Ar-CO2保護(hù)氣熔池的表面張力高于Ar-O2，根部焊道基本無下淌，焊道成形呈“駝峰狀”，有效熔深達(dá)12.3 mm。由此可見，表面張力的提高有效減弱了熔池金屬在重力作用下的流動，表面及根部焊道均獲得了良好的成形。

3 結(jié)論

（1）通過對比GMAW自動焊不同焊接路徑下的焊縫成形發(fā)現(xiàn)，采用了360°順逆交替的方式，后一層補(bǔ)償前一層的熔敷厚度，使左右半圓的熔敷厚度基本一致，同時采用細(xì)化層數(shù)進(jìn)一步減小鐵水下淌帶來的余高問題，進(jìn)而獲得了比較理想的焊縫表面成形。

（2）鋼筋較鋼板的導(dǎo)熱差，溫度上升快，電弧和熔池向鋼筋側(cè)傾斜，當(dāng)GMAW自動焊焊槍工作角調(diào)整為15°時，焊道平整、兩側(cè)和層間熔合情況較好。當(dāng)焊接方向角ψ為6°～10°時，電弧力可有效抵消重力的切向分量影響，同時避免未熔合缺陷的出現(xiàn)。

（3）相較于φ（Ar）98%+φ（O2）2%混合氣體，采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%配比的GMAW工藝可明顯提高熔池金屬的表面張力，穿孔塞焊接頭的表面和根部均可獲得更好的成形尺寸。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邊仕成. AP1000核電核島廠房植筋穿孔塞焊后置埋件施工技術(shù)[J]. 山西建筑，2015，41（13）：117-118.

[2] 于增廣，謝成利，周創(chuàng)佳，等. 焊接機(jī)器人在鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件制造中的應(yīng)用性研究[J]. 焊接技術(shù)，2018，47（9）：180-182.

[3] 韓國明. 焊接工藝?yán)碚撆c技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4] 張菁，華學(xué)明，葉定劍，等. 大厚度鋼板雙絲GMAW橫焊焊接技術(shù)研究[J]. 熱加工工藝，2015（1）：180-183.

[5] 岳建鋒，李亮玉，姜旭東，等. 全位置MAG焊縫成形控制技術(shù)及研究進(jìn)展[J]. 中國機(jī)械工程，2012，23（10）：1256-1259.

[6] 黃軍平，曾君. 金屬粉芯焊絲+RMD技術(shù)在管道全位置根焊中的研究及應(yīng)用[J]. 電焊機(jī)，2009，39（3）：86-88.

[7] Koga S，Inuzuka M，Nagatani H，et al. Study of all position electron beam welding process for pipeline joints[J]. Science and Technology of Welding and Joining，2000，5（2）：105-112.

[8] 包峰，胡世武. 等離子弧焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的控制[J]. 焊接，1993（12）：17-21.