高 飛,鄧洋洋,孟 虎,鄒家生,馬 駿

(江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鎮(zhèn)江 212100)

在大型船舶的建設(shè)中一般采用高強(qiáng)度的薄鋼板,使船舶具有重量輕,速度快等優(yōu)點(diǎn)[1-2]．實(shí)心焊絲焊接工藝不能滿足全位置焊接的需要,加上船體結(jié)構(gòu)線形約束,對船用鋼制薄板的焊接造成限制[3]．由于在船體結(jié)構(gòu)中部分焊接位置受限,無法實(shí)現(xiàn)雙面焊接,且船舶焊接對高效焊接提出更高要求,因此,船用鋼制薄板金屬粉芯焊絲單面焊雙面成形的研究勢在必行．金屬粉芯焊絲具有熔敷率高,焊接速度快,焊縫成形美觀,焊接缺陷形成幾率低,煙塵少和焊接生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，與船用鋼焊接高質(zhì)高效的需求相吻合．金屬粉芯焊絲單面焊雙面成形不僅可以發(fā)揮焊絲在焊縫成形、接頭質(zhì)量和焊接效率的優(yōu)勢,也可減少焊接工作量與節(jié)約成本[4-6]．

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

為排除人工等隨機(jī)因素,保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性,焊接設(shè)備系統(tǒng)選用KUKA KR5 ARC HW六軸焊接機(jī)器人,EWM PHONEIX 522數(shù)字化焊接電源及配套送絲機(jī)構(gòu)．

本試驗(yàn)采用MAG焊,以一對尺寸為300 mm×125 mm×5 mm的Q235B船用鋼制薄板組裝成I型坡口施行焊接,Q235B鋼采用剪板機(jī)剪裁加工,組裝方式及尺寸如圖1,裝配間隙為1.5～2.5 mm．選用型號為GCL-56的490 MPa級金屬粉芯焊絲(符合:ISO 17632-A:T 42 3 M C 1;AWS A5.18 E70C-6C;暫無GB/T標(biāo)準(zhǔn)),焊絲直徑為1.2 mm．對比試驗(yàn)焊材選取實(shí)心焊絲GML-56(符合GB/T 8110 ER50-6)與藥芯焊絲GFL-71(符合GB/T 10045 E501T-1)．根據(jù)金屬粉芯焊絲的化學(xué)成分,選用M21(φ(Ar)80%+φ(CO2)20%)保護(hù)氣體．

圖1 裝配方式及尺寸(單位：mm)Fig.1 Mating style and scale(unit:mm)

1.2 焊接工藝參數(shù)

KUKA焊接機(jī)器人擁有多套控制系統(tǒng),其中焊槍擺動與焊接速度控制系統(tǒng)的協(xié)同作用保證了焊接軌跡的有序運(yùn)行[7-9]．焊接工藝參數(shù)主要由焊槍軌跡速度、擺長、擺幅和側(cè)壁停留時間等參數(shù)確定．此外,送絲速度、補(bǔ)償電壓、焊槍角度和焊絲干伸長等參數(shù)也影響焊縫質(zhì)量與成形．

圖2 焊接工裝夾具Fig.2 Welding tool setup

船用鋼制薄板金屬粉芯焊絲單面焊雙面成形MAG焊采用脈沖電源,直流反接的方式,焊前采用剛性固定法將兩對接試板裝配固定于焊接夾具中,夾具如圖2．為保證焊接過程的穩(wěn)定進(jìn)行,確定以下參數(shù):① 焊槍噴嘴到試板距離12～15 mm;② 混合氣體φ(Ar)80%+φ(CO2)20%氣流量15～20 L·min-1;③ 焊前、焊后氣體預(yù)留時間2 s;④ 點(diǎn)火、去毛邊時間0.2 s;⑤ 焊槍擺動軌跡為鋸齒波形[10-11]．

單面焊雙面成形焊接工藝參數(shù)如表1．

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試板裝配間隙對單面焊雙面成形的影響

試板裝配間隙的大小對薄板對接單面焊雙面成形的焊接質(zhì)量有至關(guān)重要的影響[12]．試板裝配間隙的變化直接影響焊縫熔池的體積,進(jìn)而影響熔池受力情況．如圖3(a),當(dāng)試板裝配間隙小于1.5 mm時,焊縫幾乎無法焊透,即使通過增大送絲速度或降低焊接速度來增大焊接熱輸入,從而使焊縫完全焊透,但會出現(xiàn)熔敷金屬大量堆積在焊縫正面形成較大熔寬與余高,造成應(yīng)力集中與變形,導(dǎo)致焊縫質(zhì)量不滿足要求;當(dāng)試板裝配間隙大于2.5 mm時,如圖3(b),焊縫由于熔池受力易產(chǎn)生燒穿的缺陷,且會出現(xiàn)焊縫正面平直難以形成有效余高,焊縫反面向下凸出的問題．

圖3 a1和b1組焊縫正反面成形Fig.3 Formation of weld by group a1 and b1

研究發(fā)現(xiàn),金屬粉芯焊絲GCL-56試板裝配間隙在1.8～2.5 mm時,焊縫成形與焊接質(zhì)量能夠得到有效保證．為保證試板裝配間隙區(qū)間內(nèi)的區(qū)分度,選取特征值1.8、2.0、2.2與2.5 mm進(jìn)行試驗(yàn)探究．

2.2 焊接參數(shù)的綜合影響

單面焊雙面成形的焊接質(zhì)量往往受多個焊接參數(shù)綜合影響,單一變量法適合研究焊接參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律,多個焊接參數(shù)綜合調(diào)節(jié)是研究金屬粉芯焊絲焊接工藝的有效方法．如圖4(b)、(c),在其他焊接參數(shù)一致的情況下,將試板裝配間隙由2.0 mm增大至2.2 mm時,焊縫前段部分由于試板處于室溫狀態(tài)焊接熱輸入較小,焊縫的正面有效余高小,反面成形向下凸出,隨著焊接過程中電弧對后續(xù)焊縫的預(yù)熱作用,焊接熱輸入增大后逐漸穩(wěn)定,導(dǎo)致熔池受力突破界限失穩(wěn),造成正面焊縫下凹,熔融液體從反面飛出的現(xiàn)象．

圖5為試板裝配間隙分別為1.8、2.2和2.5 mm單面焊雙面成形的最佳工藝參數(shù),結(jié)合c2組焊縫所對應(yīng)的試板裝配間隙為2.0 mm時單面焊雙面成形的最佳工藝參數(shù)．焊接電流、電弧電壓與焊接速度等參數(shù)隨著試板裝配間隙的增大而減小．在探究最佳焊接工藝的基礎(chǔ)上,若繼續(xù)提高焊接效率,如圖5(d)，試板裝配間隙在2.0 mm時,增大焊接速度必須匹配更大的焊接電流與電弧電壓,在焊接電流超過180 A后,焊縫更易燒穿,若繼續(xù)提高焊速,會導(dǎo)致焊縫正面咬邊問題．

圖4 c1～c3組焊縫正反面成形Fig.4 Formation of weld by group c1 to c3

圖5 c4～c7組焊縫正反面成形Fig.5 Formation of weld by group c4 to c7

2.3 對比試驗(yàn)

2.3.1 相同焊接參數(shù)下的焊接過程與焊縫成形

為掌握實(shí)心焊絲、藥芯焊絲與金屬粉芯焊絲對單面焊雙面成形的適用情況,通過分析對比焊縫成形情況來掌握各焊絲的電弧特性,3種焊絲分別采用d1組試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行,其焊接過程與正反面焊縫成形如圖6．

圖6 焊接過程及焊縫正反面成形Fig.6 Welding process and the formation of weld

如圖6,金屬粉芯焊絲焊接時,與實(shí)心焊絲GML-56相比,焊接過程電弧穩(wěn)定性高,飛濺小,煙塵少,焊縫成形美觀,脫渣性好,減小了夾渣、咬邊與氣孔等缺陷的發(fā)生率;與藥芯焊絲GFL-71相比,其熔敷效率更高,焊接過程中大大減少了煙塵排放量,且焊縫熔深大,焊縫表面幾乎無渣,減輕了焊后的清渣工作．

2.3.2 實(shí)心焊絲單面焊雙面成形

實(shí)心焊絲單面焊雙面成形的研究獨(dú)立于金屬粉芯焊絲,從圖6的結(jié)果還可以得到,實(shí)心焊絲電弧機(jī)械作用力大,單面焊雙面成形熔深大,因此只能匹配較小焊接參數(shù),限制了焊接速度．如圖7,e1組焊縫在稍大焊接電流與電弧電壓等焊接參數(shù)情況下,焊縫正面下凹無法形成余高,焊縫反面向外凸出嚴(yán)重．此外,e2、e3與e4等3組焊縫分別是試板裝配間隙為1.5、2.0與2.5 mm時的最佳焊接工藝參數(shù)．

圖7 e1～e4組焊縫正反面成形Fig.7 Formation of weld by group e1 to e4

2.3.3 藥芯焊絲單面焊雙面成形

藥芯焊絲單面焊雙面成形的研究獨(dú)立于金屬粉芯焊絲,圖6顯示藥芯焊絲電弧機(jī)械作用力小,焊縫熔深小,且因?yàn)樗幮竞附z的熔敷率低于金屬粉芯焊絲,因此藥芯焊絲的焊接過程需要更大的焊接熱輸入．如圖8,在試板裝配間隙為2.0 mm時幾乎無法焊透,即使側(cè)壁停留時間為0,繼續(xù)增大焊接參數(shù)使焊縫焊透時,焊縫正面大量熔敷金屬堆積在焊縫正面,造成應(yīng)力集中．

圖8 f1～f3組焊縫正反面成形Fig.8 Formation of weld by group f1 to f3

因此,藥芯焊絲單面焊雙面成形焊接參數(shù)的適用范圍較窄,焊接速度?。?/p>

3 結(jié)論

(1) 試板裝配間隙的合理范圍為1.8～2.5 mm,當(dāng)裝配間隙為1.8 mm時,最佳焊接工藝參數(shù)為:送絲速度6.5 m·min-1,焊接電流176～182 A,電弧電壓25.0～25.2 V,KCP速度設(shè)定值1.55 m·min-1,擺長4.6 mm,擺幅1 mm,側(cè)壁停留時間0.05 s,實(shí)際焊接速度達(dá)到0.441 m·min-1;

(2) 與實(shí)心焊絲GML-56相比,金屬粉芯焊絲單面焊雙面成形焊接過程電弧穩(wěn)定性高,飛濺小,煙塵少,焊縫成形美觀,脫渣性好,減小了夾渣、咬邊與氣孔等缺陷的發(fā)生率;與藥芯焊絲GFL-71相比,其熔敷效率更高,焊接過程中大大減少了煙塵排放量,且焊縫熔深大,焊縫表面幾乎無渣,減輕了焊后的清渣工作;

(3) 金屬粉芯焊絲單面焊雙面成形在焊接過程環(huán)境、焊縫成形工藝與焊縫缺陷控制方面比實(shí)心焊絲與藥芯焊絲具有一定優(yōu)勢;

(4) 對于Q235低合金鋼來說,是屬于焊接性能最好、最容易焊接的鋼種,其抗拉強(qiáng)度平均值為417.5 MPa,與之匹配的實(shí)心焊絲GML-56、藥芯焊絲GFL-71和金屬粉芯焊絲GCL-56強(qiáng)度等級都是490 MPa級,符合等強(qiáng)匹配的原則．機(jī)器人焊接是在有保護(hù)氣以及干燥的環(huán)境下進(jìn)行,只要在規(guī)范操作和保證合理參數(shù)的前提下焊接出來的焊縫成形美觀,飛濺小,其組織性能基本上都很優(yōu)良．