水工钢结构双面坡口机器人焊接工艺

蔡云秀　李斗　李飞

摘要：基于弧焊机器人对接平焊双面不对称坡口焊接工艺，通过试验研究焊接电流、焊接速度等工艺参数对焊接质量的影响。结果发现：针对20 mm厚Q345B热轧钢板不对称双边坡口，打底采用电流170 A、焊接速度0.25 m/min时，焊缝成形良好，填充高度合适，焊缝背面根部成形良好;采用脉冲MAG焊接，电流245 A、焊接速度0.25 m/min时，背面焊缝根部完全熔透，焊缝热影响区未出现淬硬组织，且钝边处的熔宽由常规MAG焊的3 mm增加至5 mm，解决了水电水工钢结构行业焊接自动化应用不清根难以实现的工艺难题。

关键词：弧焊机器人;脉冲MAG焊;中厚板;不清根;双面不对称坡口

中图分类号：TG444+.7文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）05-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.22

0 前言

随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化及智能化已成为必然趋势。风电设备、机械工程、铁路车辆和航空航天等领域广泛引入机器人焊接技术，大大提高了生产过程的自动化程度。既很好地保证了焊件质量，提高了生产效率，又降低了工人的劳动强度，改善了焊接生產环境[1-2]。

在常规中厚板焊接中，一般钢板开V型或双边V型坡口，机器人焊接工艺尚不成熟，使得其在很多领域仍处于空白[3]。在水电水工钢结构焊接领域，水电水工钢结构水闸门的生产过程中涉及大量中厚板的焊接，一般是对钢板开双边V型坡口，先进行打底焊，对背面焊缝清根之后再进行填充和盖面焊[4-5]。但是对焊缝的清根处理限制了弧焊机器人自动化焊的应用。因此解决中厚板焊接时背面清根的问题，对于实现高效的机器人自动化焊接具有重要的意义。

1 焊接性分析

试件选用20 mm厚Q345B热轧钢板，执行标准GB/T 1591-1994，化学成分如表1所示。

由Ceq=C+++求出Q345B钢的碳当量为0.49%，为中高碳钢，有淬硬倾向，对焊接热过程敏感，需严格遵守焊接工艺规范。

2 焊接方法与设备

试样钢板尺寸600 mm×200 mm×20 mm，X5032铣床加工K型坡口，坡口角度50°，留2 mm钝边，连接方式为对接，坡口形式如图1所示。采用德国KUKA Kr6arc机器人、德国EWM 522RC Plus force Arc焊接电源，直径φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊丝，其化学成分如表2所示，采用φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合气体MAG焊，气体流量18 L/min。使用引弧板和熄弧板对接头进行点固，一是固定试件得到一条间隙2 mm的焊缝，二是有效预防焊接过程中的变形，点固后的试件使用焊接夹具刚性固定。

3 焊接工艺试验结果及分析

焊接工艺参数如表3所示。

不同焊接电流、焊接速度的对接接头打底正反面宏观形貌如图2所示。由图2a、图2d可知，当焊接电流为160 A、焊接速度为0.22 m/min时，焊缝成形一般，填充高度不足，背面根部高度过小，正面填充根部熔透困难，根部易出现未焊透现象。由图2b、图2e可知，当焊接电流为160 A，焊接速度为0.25 m/min时，焊缝成形不佳，但焊缝背面根部成形良好。由图2c、图2f可知，当焊接电流增至170 A、焊接速度为0.25 m/min时，焊缝成形良好，填充高度合适，焊缝背面根部成形良好。

不同焊接电流及焊接模式下焊缝截面宏观金相图如图3所示。由图3a可知，背面打底采用电流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接电流为210 A、焊接速度0.25 m/min时，根部出现未焊透、未熔合焊接缺陷。由图3b可知，背面打底采用电流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接电流增加到245 A时，金属填充量随之增加，但焊接熔深并未随之增加，根部反而出现更加严重的未焊透、未熔合焊接缺陷。由图3c可知，背面打底采用电流170 A、焊接速度0.25 m/min，正面填充焊接电流为245 A时，采用脉冲模式，峰值电流460 A，脉冲宽度Tp=1.6 ms，脉冲频率185 Hz，焊缝根部熔透情况良好，未出现未焊透、未熔合等焊接缺陷。

由图3a、图3b可知，正面填充焊接电流由210 A增至245 A，未起到增大熔深的效果，背面打底焊与正面填充焊之间仍然存在未焊透、未熔合现象，并且增大电流后，熔敷金属的大量增加造成了填充焊与坡口面之间产生大面积的未熔合缺陷。这是由于随着电流的增大，熔敷金属增加，电弧未达到背面焊缝根部而是直接打到熔池上造成的。由图3b、图3c可知，在焊接工艺参数相同的情况下，由常规MAG焊切换成脉冲MAG焊后，背面打底焊与正面填充焊之间熔透情况良好，未出现未熔合现象，且使用脉冲MAG焊的6号焊缝的根部熔宽由3 mm增至5 mm。这是因为脉冲MAG焊提供周期变化的脉冲电流，从而控制熔滴过渡和焊接热输入。在实际焊接时，脉冲MAG焊希望达到一个脉冲一滴或者几滴（2～3滴）。脉冲MAG焊焊接电流波形如图4所示，脉冲波形主要参数有：基值电流Ib、脉冲电流Ip、脉冲宽度Tp、基值时间Tb。其中基值电流Ib和基值时间Tp维持电弧稳定燃烧，同时对预热焊丝和母材提供一定的能量。脉冲电流Ip和脉冲宽度Tp决定脉冲能量，通过采用脉冲MAG焊增加脉冲电流Ip，随着脉宽比的增大，占空比也增大，脉冲峰值电流输入的时间增加，所以焊接电流平均值和有效值增加，焊缝熔深增大[6]。

图5a是6号焊缝热影响区显微硬度测试点分布示意，图5b、5c是6号焊缝热影响区显微硬度测试后带压痕金相显微组织。由图可知，Q345B的母材组织由铁素体、珠光体组成，呈长条状分布，焊后热影响区组织由铁素体、珠光体组成，铁素体组织呈针叶状分布。

6号焊缝热影响区显微硬度测试结果如图6所示。由图可知，由焊接接头熔合线附近距焊缝表面2 mm处垂直焊缝以测试间距0.05 mm向外移动，1号点显微硬度为280.7 HV，2号点显微硬度为263.7 HV，3号点显微硬度为254.6 HV，4号点显微硬度237.8 HV，5号点显微硬度231.3 HV，焊缝热影响区并未出现淬硬组织，符合焊接工艺规范要求。

5 结论

针对20 mm厚Q345B热轧钢板不对称双边K型坡口，使用机器人脉冲MAG焊，可以实现在不清根的前提下，直接进行正面填充，解决了水电站水工闸门领域机器人焊接自动化难以实现的难题。打底采用电流170 A、焊接速度0.25 m/min工艺参数时，焊缝成形良好，填充高度合适，焊缝背面根部成形良好;采用脉冲电流245 A、焊接速度0.25 m/min填充时，背面焊缝根部完全熔透，焊缝热影响区未出现淬硬组织，熔宽由常规MAG焊的3 mm增至5 mm。

参考文献：

[1] 徐方. 工业机器人产业现状与发展[J]. 机器人技术与应用，2007（5）：2-4.

[2] 唐新华. 焊接机器人的现状及发展趋势（二）[J]. 电焊机，2006（4）：43-46.

[3] 刘伟，周广涛，王玉松. 中厚板焊接机器人系统及传感技术[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[4] 赵宏磊. 浅谈闸门焊接工艺[J]. 内蒙古水利，2013（1）：6768.

[5] 林尚扬，陈善本，李成桐，等. 焊接机器人及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，2000：231-232.

[6] 郭胜. 脉冲埋弧焊工艺研究及工程应用[D]. 天津：天津大学，2005.