鄧火生，楊啟杰，龍昌茂，戴建樹

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西南寧 530007

1 序言

隨著中國制造技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)的制造業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，發(fā)展智能制造將成為很多企業(yè)的必然選擇[1]。由于人工成本的增加，以及國家對高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)的限制，高效焊接成為各焊接企業(yè)競相追逐的目標(biāo)。鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的高速發(fā)展，對大熔深全焊透要求越來越高，此前大多企業(yè)都采用埋弧焊焊接，但埋弧焊的熔池不可見，對于厚板要求大熔深，焊接速度最高一般為400mm/min，效率低下，一般只適用于長焊縫平焊或弧線位置的焊接，難以實現(xiàn)空間位置焊接，因此埋弧焊并不適合與機(jī)器人配合使用。近年來，國內(nèi)對機(jī)器人弧焊工藝展開了諸多方面研究，高延峰等[2]研究了焊槍傾角信息融合的彎曲焊縫軌跡跟蹤；郭吉昌等[3]研究了焊槍空間位姿實時檢測，機(jī)器人焊接的焊槍與焊縫相對位置關(guān)系以及機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)性直接決定焊縫質(zhì)量[4]。

目前，國產(chǎn)奧太焊接電源已可實現(xiàn)單電源雙絲單弧焊接，不僅電弧長度可控，熔滴過渡可控，電弧不存在雙絲雙弧的電磁力干擾，提高焊接熔敷率，而且提高焊接生產(chǎn)的效率，也保證了焊接的質(zhì)量，具有高速、高效以及高度自動化等優(yōu)點。

同時，由于弧焊機(jī)器人焊槍旋轉(zhuǎn)角度與工件坡口的空間限制和熔透性要求，焊槍前進(jìn)方式（推焊或拉焊）和焊接角度是影響焊縫熔深的關(guān)鍵，打底層，填充、蓋面層的前進(jìn)方式的選擇，合適的焊槍與底板夾角以及焊槍的前進(jìn)角度，都是決定25mm以上的厚板是否熔透的關(guān)鍵因素。

因此，對厚板進(jìn)行大熔深全焊透工藝進(jìn)行研究不僅具有學(xué)術(shù)意義，對于實際生產(chǎn)更顯得尤為必要。本文對厚板角接頭進(jìn)行弧焊機(jī)器人雙絲單電弧的焊接角度工藝研究，不僅解決了復(fù)雜位置的焊接可達(dá)性，而且通過工藝設(shè)計實現(xiàn)焊縫的大熔深和全焊透，有效提高生產(chǎn)效率（最高速度可達(dá)720mm/mim），縮短焊接周期，降低生產(chǎn)成本。

2 厚板全焊透工藝試驗條件

試樣如圖1所示，材料為Q355，采用船形焊接方式，底板和腹板均為25mm，坡口角度50°～55°，鈍邊6～8mm，底板與腹板裝配無間隙，焊接材料為φ1.2mm的AWS ER70-6焊絲，焊接氣體為80%Ar+20%CO2，焊接設(shè)備為CROBOTP弧焊機(jī)器人和奧太焊接電源，焊槍采用水冷方式。為減少母材變形，使用夾具將母材固定夾緊在工作臺，焊縫質(zhì)量要求大熔深，全焊透，焊縫表面平整光滑無氣孔、咬邊、裂紋。

圖1 25mm厚Q355板角接頭焊雙絲單弧焊接角度

焊前用千葉輪打磨清理試件表面及邊緣每側(cè)≥20mm處直至露出金屬光澤，去除表面的氧化膜、鐵銹等雜質(zhì)，用丙酮擦拭去除表面油污。

3 焊槍前進(jìn)方式（推焊或拉焊）對焊縫熔深的影響

對于25mm以上的厚板角焊縫而言，焊縫熔深是決定其性能的關(guān)鍵（見圖2），熔深越大，焊縫初強(qiáng)度就越大，同時金屬在高溫情況下，晶格會改變。在冷卻過程中，最先冷卻的地方是顆粒最粗的地方，也就是強(qiáng)度最小的地方，越向表面晶格越小，密度更大，所以強(qiáng)度就更大，因此熔深與焊縫強(qiáng)度是成正比關(guān)系的。

圖2 不同前進(jìn)方式焊縫熔深對比

分別用相同厚度尺寸和結(jié)構(gòu)的角接頭進(jìn)行試驗（見表1），試驗后用硝酸酒精溶液進(jìn)行斷面腐蝕觀察熔深，測試方法為ISO 17639：2003，測試設(shè)備為體式顯微鏡，試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果見表2和如圖3所示。

表1 焊縫打底焊接參數(shù)

表2 不同焊接前進(jìn)方式焊縫尺寸 （mm）

圖3 打底層不同焊接前進(jìn)方式焊縫斷面形貌

如圖3所示，焊槍傾角90°～95°實施拉焊，此時焊接電流達(dá)530A，電弧呈倒錐形狀，熔滴過渡約束電弧的擴(kuò)展，熔滴呈射流過渡，電弧挺直，能量集中，在推動電極附近的高溫氣流等離子的作用下，熔滴以極大的加速度連續(xù)沿軸向射向熔池，細(xì)化晶粒，促進(jìn)排除雜質(zhì)氣體及夾雜，易形成指狀熔深，增大熔深。

4 焊槍角度對熔深的影響

如圖4所示，厚板焊接角度包括焊槍與腹板夾角θ1，焊槍前進(jìn)角度θ和焊槍與底板夾角θ2，由于坡口空間位置限制，當(dāng)θ1=θ2=45°時，焊槍端部無法伸入坡口根部，無法進(jìn)行焊縫打底，因此，當(dāng)θ1＞θ2時方可施焊。根據(jù)推焊和拉焊的焊接方式分析可知，厚板角焊縫打底層應(yīng)采用拉焊可得較大熔深結(jié)論，焊槍前進(jìn)角應(yīng)θ＞90°。根據(jù)試驗可知，焊槍不同角度是獲得大熔深良好焊縫成形的關(guān)鍵。因此，當(dāng)焊槍前進(jìn)角度為90°＜θ＜95° 時，分別改變焊槍與底板的夾角θ2，觀察兩側(cè)熔深交匯區(qū)寬度來分析焊槍與底板夾角θ2對熔深的影響，規(guī)定兩側(cè)熔深交匯區(qū)為負(fù)數(shù)則證明未熔合，焊接參數(shù)見表3。試驗后，用角磨機(jī)沿著焊縫橫向截面切開，獲取焊縫斷面試樣，進(jìn)行打磨拋光，用硝酸金屬腐蝕液腐蝕，酒精沖洗并吹干，利用工業(yè)相機(jī)觀測金相試樣的左右熔深。

表3 焊接傾角參數(shù)

圖4 焊槍角度

1）當(dāng)35°＜θ2＜45°、90°＜θ＜95° 時，試驗結(jié)果如圖5所示，角焊縫根部未焊透，焊縫出現(xiàn)咬邊，飛濺大。根據(jù)焊接過程中的熔滴過渡和電弧作用形態(tài)可知，雙絲焊絲電流密度大，焊絲熔化速度快，焊接電弧推力較弱，大部分推力指向底板，指向腹板鈍邊（6～7mm）處熱量不足，對母材金屬的挖掘力小，無法熔透。同時，50°～55° 的坡口對于雙絲焊槍的空間位置限制較大，因此，根據(jù)空間位置對電弧的限制以及電壓最小原理的作用，焊接電弧最強(qiáng)推力無法集中于焊縫根部，而是在兩側(cè)母材以及焊縫中心隨熔滴過渡發(fā)生不規(guī)則的偏移，造成未焊透。

圖5 不同角度焊縫斷面形貌

此外，雙絲CO2焊接為短路過渡，CO2氣體在高溫下發(fā)生CO2?CO+O分解[5]，造成體積增大，引起局部壓力上升，產(chǎn)生向上的推力，使焊絲端部大塊熔滴出現(xiàn)偏斜[6]，熔池內(nèi)的金屬蒸汽超過臨界值時，液態(tài)金屬在氣孔爆破力的沖擊下形成大量飛濺。同時，雙絲焊接熔滴較大，先與坡口兩側(cè)母材發(fā)生接觸短路，無法直接過渡到焊縫根部[7]，已過渡的熔融金屬由于失去電弧的繼續(xù)加熱和保護(hù)作用而結(jié)晶凝固，較大的表面張力阻礙了金屬向根部的繼續(xù)流動，造成焊縫根部未熔合。

2）根據(jù)前面的分析結(jié)果，改變焊槍與腹板的傾斜角度，即當(dāng)25°＜θ2＜35°、90°＜θ＜95° 時，試驗結(jié)果如圖6所示。焊縫整體外觀效果成形良好，焊縫筆直、規(guī)則連續(xù)，寬度和高度也分布均勻合理，無明顯飛濺。

圖6 不同角度焊縫斷面形貌

根據(jù)試驗結(jié)果分析可知，雙絲焊接大電流產(chǎn)生的電弧軸向力直接指向焊縫根部，有效挖掘試件，角接頭兩側(cè)熔深出現(xiàn)交匯區(qū)。電弧能量集中，不僅有高效的熔敷效率，較大的挖掘力，也保證電弧軸向力能夠較均勻地施加到熔池底部，攪拌能力較強(qiáng)，排開液態(tài)金屬，去除氣體和雜質(zhì)。同時，CO2氣氛由于高溫分解而產(chǎn)生的氧化性氣氛和對電弧產(chǎn)生的冷卻壓縮作用[8]，熔池表面不斷產(chǎn)生電弧斑點，電弧產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，電弧強(qiáng)度增大，弧長變短，軸向力集中，出現(xiàn)弧坑后，焊絲端部而呈潛弧狀態(tài)。在強(qiáng)電弧軸向力作用下，角接頭雙側(cè)熔深均可達(dá)到腹板中心線，并產(chǎn)生2～3mm寬的交匯區(qū)，咬合與互溶效應(yīng)明顯，焊縫完全焊透（見圖6）。

3）根據(jù)圖7可知，角接頭兩側(cè)熔深交匯區(qū)隨焊槍與底板的夾角的變化趨勢：焊槍前進(jìn)為拉焊（90°＜θ＜95°），隨著焊槍與底板的夾角θ2在45°～35° 時，兩側(cè)熔深交匯區(qū)寬度為負(fù)值，焊縫未焊透；θ2在25°～35° 時，兩側(cè)熔深交匯區(qū)寬度為正值，焊縫焊透。

圖7 兩側(cè)熔深交匯區(qū)隨焊槍與底板的夾角的變化趨勢

5 焊縫熔透性檢測分析

按圖8所示標(biāo)定位置進(jìn)行超聲波檢測取樣，以焊縫橫向中心為X軸，縱向為Y軸，對焊縫斷面進(jìn)行打磨，按照GB 11345—2013規(guī)定進(jìn)行100%超聲波檢測。超聲波檢測探頭型號為N5P12L，探頭K值為2，前沿距離為12.5mm，掃查速度≤150mm/s，檢測靈敏度為SL-8DB，靈敏度補(bǔ)償為3dB，對比試塊為CS-3-1。檢測結(jié)果表明，焊縫熔透率達(dá)100%，焊縫質(zhì)量完全符合工藝標(biāo)準(zhǔn)和GB 50205—2020質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 焊縫超聲波檢測取樣

6 結(jié)束語

本文針對厚度超過25mm的碳素鋼角接頭不易焊透、熔敷效率低、力學(xué)性能不理想等問題進(jìn)行分析，確定了影響厚板角接頭焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素為打底層的焊接方式，打底與填充蓋面層的焊槍角度不合理。對于與坡口角度為50°～55° 的角接頭，根據(jù)熔深要求和坡口角度空間位置限制等條件，確定了如下結(jié)論：

1）焊縫打底層應(yīng)采用拉焊方式進(jìn)行，焊接前進(jìn)角度θ應(yīng)保持在90°～95°，可獲得較理想熔深，θ角度過大，電弧軸向力會部分分散，氣體保護(hù)效果差。填充和蓋面層應(yīng)采用推焊的方式進(jìn)行，可有效提高熔敷效率，獲得符合規(guī)定的熔寬和余高，外觀成形好。

2）焊接角度，即焊槍前進(jìn)角度θ和焊槍與腹板的夾角θ2要在25°＜θ2＜35°，90°＜θ＜95°，角接頭兩側(cè)熔深出現(xiàn)交匯區(qū)，熔深根部咬合和互熔良好，焊縫熔寬、熔深和余高較為理想，外觀成形良好。

3）本文所研究的角接頭的焊接方式和焊槍角度的合理范圍結(jié)論，經(jīng)試驗證明效果良好，已進(jìn)行大批量實際生產(chǎn)，為進(jìn)一步的焊縫形成機(jī)理提高有益的實踐參考價值。