船舶制造对接接头药芯焊丝旋转电弧焊接工艺

， ， ， ，

(1.海军装备部驻广州地区军事代表局， 广东 广州 510655； 2.华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640)

0 引 言

旋转电弧焊接具有焊接速度快、窄间隙焊时侧壁熔合能力强以及熔池搅拌促进晶粒细化等优势，在重工行业有较广阔的应用前景。研究表明：低速旋转的电弧有利于焊缝成形，可有效改善焊接工艺。传统的旋转电弧装置主要用于焊缝跟踪，其原理是利用高速旋转的电弧，采集每一周的电流信号进行分析，进而计算出焊缝偏差。用于焊缝跟踪的旋转电弧一般旋转频率较高，可达50 Hz以上；而电弧的低速旋转增大了散热面积，加速了熔池冷却，能防止仰焊过程中熔滴往下滴，提高了焊接工艺水平。本文利用响应曲面法进行试验，通过建立回归方程，绘制响应曲面，研究旋转电弧焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响。

1 试验装置与焊缝成型因素

1.1 试验装置

通过响应曲面法针对上坡焊、下坡焊进行工艺试验。试验装置如图1所示。在焊接过程中，旋转电弧装置沿着有一定倾斜角度的低碳钢对接工件的V形坡口焊缝方向匀速移动。高度传感器可保持导电嘴至工件距离(Contact Tube to Workpiece Distance, CTWD)恒定，前置相机拍摄焊接熔池区域，可对焊枪左右微调，确保焊枪中心与焊缝对中。

图1 上、下坡焊工艺试验装置示例

1.2 焊缝质量影响因素

焊缝质量受到电流、电压、保护气体、焊枪姿态、坡口大小、焊接速度等的影响。对于旋转电弧焊接，旋转直径和旋转频率也对焊缝成形有一定的影响。为减少研究变量，本文在100 A电流、20 V电压、10 mm CTWD、1 Hz旋转频率、CO2为保护气体、采用药芯焊丝的情况下，研究焊接速度V、坡口上沿间距G、旋转直径D和焊件倾斜角度γ对焊缝成形质量的影响。

1.3 焊缝成形质量指标

焊缝成形质量评估可以分2步进行：

(1) 根据焊缝表面成形评价标准(见图2)，判断表面成形。若表面成形均匀且填满坡口，则认为表面成形合格；若出现凹坑、未填满或咬边现象，则认为焊缝不合格。在后续试验结果记录过程中，合格记为1，不合格记为0。

图2 焊缝表面成形评价标准

(2)剖开焊缝，用4%硝酸酒精进行表面腐蚀以获得清晰的熔合线，再测得熔合线长度(熔合线1与熔合线2之和，测量其实际大小)以深入评估焊缝成形质量。焊缝截面参数如图3所示。

图3 焊缝截面参数

2 响应曲面法试验

2.1 响应曲面法原理

响应曲面法(Response Surface Method，RSM)是一种数理统计方法，采用多项式拟合的方式求取响应值与影响因子之间的关系，可用于最优区域的求解。多变量的响应曲面模型为

Y=f(x1,x2,…,xn)+ε

(1)

式中：Y为响应；x1，…，xn为变量；ε为随机误差；f为拟合函数。

2.2 响应曲面试验设计

采用外切中心复合设计方法设计响应曲面试验。表1为因素编码表。对于4因素5水平的外切中心复合设计，生成30个试验点，每个试验点对应不同的焊接参数组合，见表2。

表1 因素编码表

表2 试验点参数表

3 结果分析

3.1 上坡焊焊缝表面成形质量与长度

上坡焊焊缝表面成形质量Ys与4个焊接参数之间的回归模型为

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为4.08%。旋转直径D及其他焊接参数对焊缝表面成形质量Ys的影响如图4所示，可以看出：旋转直径D、焊接速度V和倾斜角度γ对焊缝表面成形质量Ys的影响很小，当G为中心值(10 mm)的时候，焊缝表面成形质量接近1，认为合格。坡口上沿间距G对焊缝表面成形质量影响最大。当坡口上沿间距G变大时，焊缝表面质量下降明显，过大的坡口上沿间距会导致不合格的焊缝表面成形。上坡焊熔合线长度Yl与4个焊接参数之间的回归模型为

图4 上坡焊焊缝表面成形质量与旋转直径及其他参数的关系图

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为0.62%。旋转直径D及其他焊接参数对熔合线长度Yl的影响如图5所示，可以看出：总体上，旋转直径D增大，熔合线长度Yl会增大。随着坡口上沿间距G和倾斜角度γ的增大，熔合线长度有增大趋势。焊接速度V对熔合线长度的影响较小。

图5 上坡焊熔合线长度与旋转直径及其他参数的关系图

3.2 下坡焊焊缝表面成形质量与长度

下坡焊焊缝表面成形质量Ys与4个焊接参数之间的回归模型为

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为0.13%。旋转直径D及其他焊接参数对下坡焊焊缝表面成形质量的影响如图6所示，可以看出：旋转直径和焊接速度不匹配(小旋转直径+大焊接速度，大旋转直径+小焊接速度)时，容易导致焊缝表面成形不合格；当焊接速度和倾斜角一定时，对于过大的坡口上沿间距，无论如何调整旋转直径，都易产生不合格的焊缝表面成形；对于较小的坡口上沿间距，增大旋转直径，可以提高焊缝表面成形质量；当焊接速度和坡口上沿间距一定时，过大的倾斜角度容易导致焊缝表面成形不合格，但通过加大旋转直径，能提高表面成形质量。下坡焊熔合线长度Yl与4个焊接参数之间的回归模型为

图6 下坡焊焊缝表面成形质量与旋转直径及其他参数的关系图

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为0.001%。旋转直径D及其他焊接参数对下坡焊熔合线长度的影响如图7所示，可以看出：总体上，旋转直径越大，熔合线越短；而上坡焊时，旋转直径越大，熔合线长度越长。这是由于：在上坡焊时熔池有向下流淌的趋势，被已焊接的焊缝托住，当旋转直径大时，有利于熔池往外扩散，增大熔合区域；在下坡焊时熔池有往未焊接的坡口方向流淌的趋势，热耗散较快，而大旋转直径会使热耗散加快，导致焊材与母材熔合不充分。

图7 下坡焊熔合线长度与旋转直径及其他参数的关系图

4 结 论

本文主要采用响应曲面法研究旋转电弧焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响，得到的结论如下：

(1) 在上坡焊接时，旋转直径、焊接速度和倾斜角度对焊缝表面成形质量的影响很小，而坡口上沿间距对焊缝表面成形质量影响较大。

(2) 在上坡焊接时，随着旋转直径、坡口上沿间距和倾斜角度的增大，熔合线长度有增大趋势，而焊接速度V对熔合线长度的影响较小。

(3) 在下坡焊接时，旋转直径越大，熔合线越短。旋转直径、焊接速度、坡口上沿间距和倾斜角度对焊缝表面成形质量都有一定的影响。

[1] 段锦程. 船舶合龙立体曲线焊缝机器人自动焊接的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2012.

[2] JEONG S K, LEE G Y. Development of High Speed Rotating Arc Sensor and Seam Tracking Controller for Welding Robots[J]. IEEE ISIE, 2001.

[3] 孟繁亮, 罗震, 姜岩, 等. 基于响应面法的活性焊工艺参数优化[J]. 焊接技术, 2013, 41(12): 22-25.

[4] 胡雅琴. 响应曲面二阶设计方法比较研究[D]. 天津: 天津大学, 2005.

[5] 钱晓莉. 回归方程的检验标准[J]. 财贸研究, 1994(02): 66-69.