机器人MAG焊单面焊双面成形技术

Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．２０１　１　文章编号：１００２—０２５Ｘ（２０１　１）０６—００２７－０４　・工艺与新技术・２７　机器人ＭＡＧ焊单面焊双面成形技术　高　飞，王悦森，严　铿　（江苏科技大学江苏省先进焊接技术重点实验室，江苏镇江２１２００３）　摘要：介绍了机器人ＭＡＧ焊打底的焊接系统组成，论述了机器人ＭＡＧ焊打底焊接工艺，研究了间隙０－２ｍｍ范围内打底焊焊缝正反面成　形，焊缝正面平滑美观，焊缝背面平滑余高较小，同时研究了此工艺下焊接电流与坡口间隙、钝边的线性关系，焊接热输入及试板倾角　变化对背面余高的影响。通过分析可知，控制合适的热输入及试板倾角，可获得背面余高不大于１．５　ｍｍ的优良焊缝背面成形。　关键词：机器人ＭＡＧ焊：打底焊；单面焊双面成形　中图分类号：ＴＧ４４４．７７：ＴＰ２４２　文献标志码：Ｂ　基于传统的手工ＴＩＧ焊、焊条电弧焊打底焊效　充及盖面焊接。机器人柔性化焊接特点不但解决了手　率低的缺点，熔敷效率较高的ＭＡＧ焊已被列人单面　焊双面成形技术的研究范围，结合机器人自动焊接功　工焊效率低、不稳定，而且克服了单一自动焊不能实　时跟踪焊接的缺点。但是机器人打底焊时受试板装配　间隙及尺寸影响较大，不能像手工焊一样作实时调　能．使单面焊双面成形技术有了新的发展方向［　］。　传统的打底焊方法主要是焊条电弧焊，它的优点　是在焊接过程中，焊工能够通过观察熔池大小来调整　焊接速度，从而改变焊接热输入或者改变运条方式以　整，以实现间隙较大或位置不佳的工件焊接。因此在　不同的对口间隙下．制定合理的机器人打底焊焊接电　流、焊接速度等参数范围是本次研究的重点。　得到良好的焊缝成形。但是焊条电弧焊受主观人为因　素影响很大。ＴＩＧ焊在压力容器和管道的打底焊，不　锈钢、有色金属及薄板的打底焊中应用极为普遍，且　在小管径打底焊中也应用较多。ＴＩＧ焊打底的焊接质　１焊接机器人系统组成　焊接机器人系统包括德国ＫＵＫＡ公司的ＫＲ１６弧　焊机器人、机器人控制柜及奥地利Ｆｒｏｎｉｕｓ公司的　ＴＰＳ５０００数字化焊接电源等。　量好，但生产效率低、生产成本高。ＣＯ　气保焊可以　实现全位置焊接，且焊接成本只有焊条电弧焊成本的　３０％～５０％．生产效率是焊条电弧焊的２～３倍，基于　ＣＯ　气保焊短路过渡法飞溅大、成形不好确定，结合　新型的Ｓ１Ｔｒ焊接电源，能够实现无飞溅、小电流、　２打底焊工艺　２．１　打底焊试板尺寸及焊接要求　为实现机器人ＭＡＧ焊单面焊双面成形，本试验　背面成形良好的焊缝，结合一些自动化设备，优势更　明显．ＳｒＩＴｒ法是当今船厂管子打底焊使用的主要焊接　方法　］。与ＴＩＧ焊相比，ＭＡＧ焊焊接速度快、熔敷　效率高，电弧直吹熔池，但电弧吹力大，易发生烧穿　现象，目前国内很少将它应用于单面焊双面成形中。　用厚１２　ｍｍ的Ｑ２３５板材进行组对打底焊试验研究．　试板开６０。Ｖ形坡口，坡口形式及尺寸如图１所示。　６０￣　通常是首先利用手工焊打底，然后利用自动焊进行填　充及盖面，焊接过程涉及到２种焊接设备，效率低　下。本研究是机器人结合ＭＡＧ焊接方法进行单面焊　双面成形．即只需要一种焊接方法就能完成打底、填　图１坡口形式殛尺寸　根据船舶焊接相关规定，打底焊背面成形应该比　较平滑，背面余高不得大于１．５　ｍｍ，正面无飞溅、　收稿日期：２０１０—０９—２７　咬边、气孔等缺陷。　２８・工艺与新技术・　焊接技术　第４０卷第６期２０１１年６月　２．２焊前准备　心焊丝，牌号为Ｈ０８Ｍｎ２ＳｉＡ，用　（Ａｒ）８０％＋　（ＣＯ２）　试板组对前先进行打磨处理，用砂轮机清理坡口　及其两侧各２０　ｍｍ范围内及背面的锈迹、油漆等，　根据需要打磨出一定钝边，然后组对试板并预留间　隙，在试板背面点固焊，为了防止焊接过程中试板变　２０％混合气作为保护气，可以改善因纯Ａｒ带来的焊　缝成形不良的缺点。　２．４焊接工艺参数　针对不同的装配间隙及试板倾角，进行了机器人　形引起间隙变化，采用三点定位焊法定位，将点固好　的试板垫起一定角度，进行上坡打底焊试验。　２－３　焊接方法及材料　在线示教编程，调整不同间隙及倾角下的焊枪姿态，　经过大量的焊接工艺试验，得到了间隙在３　ｍｍ以内　变化。与不同间隙相适应的焊接电流、电弧电压及试　为了适合机器人自动化焊接和焊缝跟踪要求，并　保证焊接质量和工艺要求，ＭＡＧ打底焊试验采用实　板倾角等参数范围，见表１。试验中保护气体流量为　１５　Ｌ／ｍｉｎ　表１焊接工艺参数　焊接间隙／ｍｍ　Ｏ～Ｏ．５　０．５—１　０．５－１　ｌ　钝边／ａｍ　ｒＯ　０　０．５　０　焊接电流／Ａ　１６０－１８７　１３０—１８Ｏ　１４０～１７０　１３０　电弧电压，ｖ　２１．４－２２．４　２ｌ　０～２３．１　２１．１—２１．９　２１　焊接速度／（ｍ・ｍｉｎ　）　０　２８　０．２　０．２￣０．２２　０．２１　摆长，摆幅／ａｍ　ｒ３／２．２　３／２．２　３／２．２　３／２．２　试板倾角／（。）　ｌ５　１０　１０～１５　１０－２０　备注　余高＜Ｏ　５　ｎ＇ｌｒｎ．成形好　成形较好，余高０—１　ｍｍ　成形良好．余高０１－１　ｔｏｎｉ　成形最佳．余高＜Ｏ，５　ｍｉｌｌ　１～１　５　１一１．５　Ｏ　０．５　９６－１４０　１００￣１３０　２０．０￣２１．１　２０．０－２１．Ｏ　Ｏ．２　０＿２１～０．２３　３，２．２　３，２＿２　】Ｏ　ｌ５　余高０．５～１．２ｌｌｌｔｌｌ＇　余高０～０．５　ｍｍ　１～１　５　１．５　１．５￣２　１　０　１　１３０－１６Ｏ　１ｏｏ～Ｉ１Ｏ　１ｏｏ—ｌ２Ｏ　２１．０－２１．４　２０．０－２０．４　２０　０－２０．８　０．２２－０．２８　０－２１—０．２１５　Ｏ．２２　３，２　２　３／２．２　３／２．２　ｌＯ　１５　１５　余高０～１　ｍｍ　余高０～０．５　ｍｍ　成形良好　１．５￣２　２～３　１　５　０　１４０～１５３　８０－１２０　２ｌ　１—２１３　ｌ８．Ｏ～２Ｏ．８　０．２２￣０．２３　０．０４～０　２　３／２．２　３／２．２　１５　５－ｌ０　背面成形一般　烧穿　２－２．５　２－２　５　２．５～３　１　１．５　１．５　ｌ００：－１　ｌ０　ｌ１Ｏ一１４０　１００－１５３　２０．０－２０．４　２０．４－２１．１　２０．０￣２ｌ３　Ｏ．１８～０．２１　Ｏ－２１～Ｏ．２３　０．２３－０．２６　３／２．２　３／２．２　３，２．２　１Ｏ　ｌ５　ｌ５　成形一般，余高０．５　ｍｍ　余高０．５　ｌｎｌｉｌ左右．成形成形・般　・般　注：摆动轨迹均为Ｔｒｉａｎｇｌｅ　３试验结果及分析　３．１　合适焊接参数下的焊缝成形　根据选用的焊接工艺．采用机器人焊接系统对试　板进行打底焊试验，焊后焊缝正面成形光滑，背面余　高较小，满足对焊缝质量的要求。图２～４所示为对　口间隙０．５—１　ｍｍ．１～１．５　ｍｍ，１．５～２　ｍｍ时的焊缝正　图３间隙１－１．５　ｎｌｍ时的打底焊正面及背面成形　面及背面成形。　图２间隙ｏ．５　１　ｍｉｌｌ时的打底焊正面及背面成形　图４间隙ｌ＿５—２　ｎｌｍ时的打底焊正面及背面成形　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．２０１　１　从图２～４中可见，不同焊接间隙下的焊缝正面　成形良好，焊道平滑、美观，无裂纹、夹渣及气孔等　缺陷，飞溅较小。间隙在０．５～１　ｍｍ时的背面成形最　好，余高较小、过渡圆滑。随着焊接间隙增加，焊接　电流、电弧电压减小，会出现正面及背面熔宽减小的　现象，在图４所示的间隙较大时，背面成形一般，并　有少量飞溅。　３．２焊接电流与对口间隙、钝边的关系　通过大量试验可知，随着对口间隙增大，焊接电　流不断减小，如图５所示。当对口间隙在０～２．５　ｍｍ　时。焊接电流呈均匀递减趋势，而对口间隙＞２．５　ｍｍ　后，焊接电流维持在１００　Ａ左右不再变化，这是由于　当对口间隙过大时，继续减小焊接电流会造成熔敷金　属量不足以填充对口间隙而无法实现连续焊缝和稳定　成形。对Ｅｌ间隙一定时，随着焊接电流增大，将会出　现烧穿趋势；而当焊接电流减小到一定程度又会出现　未焊透现象。图２－４中的对口间隙对应的焊接电流　都在能获得良好成形的焊接电流范围内。　对口间隙／ｍｍ　圈５对口间隙对应焊接电流的变化关系　在试验中发现，焊接电流是决定钝边大小的唯一　参数。钝边一定时，焊接电流过大，焊缝背面会出现　焊瘤甚至烧穿；焊接电流过小，会出现未焊透现象。　当其他焊接工艺参数一定时，钝边与焊接电流呈递增　的线性关系，如图６所示。　一无钝边　●钝边１ｍｍ　口钝边１．５ｍｍ　间隙１．５—２ｍｍ间隙２—２．５ｍｍ　图６钝边与焊接电流的关系　・工艺与新技术・２９　３．３焊接热输入及试板倾角变化对背面余高的影响　通过试验可知，增大焊接电流或减小焊接速度都　会引起焊接热输人的增大，从而使填充到焊缝中的熔　敷金属量增加，增大了背面余高。焊接热输入与背面　余高关系如图７所示。　０．９　０．８　Ｏ．７　０．６　０．５　０．４　５　焊接热输入／（ｋＪ・ｃｍ　）　图７焊接热输入与背面余高的关系　在讨论背面余高受试板倾角变化的影响之前，研　究了上坡打底焊熔池金属的受力情况，如图８所示。　一　图８上坡打底焊熔池金属受力示意图　熔池金属主要受到电弧总作用力、熔池金属自身　重力及表面张力的作用。由于本系统是基于上坡打底　焊．试板应倾斜一定的角度，通过受力分析可以得到　熔池液态金属的受力平衡公式：　＋ＰＩｃｃｏｓ　ｏｔ＝２Ｑ，　（１）　式中：Ｑ为熔池表面张力；Ｐ为电弧总作用力；Ｗ为　熔池液态金属重力；　为试板倾角（１Ｏ。一６０。）。　从式（１）可知，由于试板倾斜放置，使电弧压力　被分解，当倾角增大时，等式左边的值变小，表面张　力也减小。当倾角增大到一定角度后，熔池金属表面　张力不能平衡电弧压力的增大，就会产生烧穿。　对口间隙在０．５～２　ｍｍ之间，试板倾角变化对焊　缝背面余高的影响如图９所示，当倾角在ｌ０。～３５。时，　背面余高逐渐增大，而在３５。～５０。时呈下降趋势，最　后趋于不变。试板倾角在ｌＯ。～３５。属于小角度范围，　焊缝近似处于平位置，熔滴下挂，由图８及图９可知，　（下转第６４页）　６４・焊工之友・　焊接技术　第４０卷第６期２０１１年６月　条，焊接电流１１０　Ａ，焊条与试板的夹角为９０。，焊　条要作月牙形或锯齿形摆动，当摆动到两侧坡ＦＩ时，　要稍作停留，以便熔合良好。接头时在弧坑前１０　ｍｍ　处引弧，填满弧坑以后正常运条。收尾时，弧坑应填　满。每层焊完后均都应仔细清渣。　（２）第３层填充焊接时，选用直径３．２　ｍｍ焊条，　焊接电流１１０　Ａ，焊缝的高度应控制在低于母材表面　１　２　ｍｍ．以便于盖面焊缝的焊接，运条手法采用月　牙形或锯齿形，当摆动到两侧坡口时，稍作停留，以　使熔合良好。接头与收尾的方法与第２层操作相同。　５结论　板材仰焊考试件的焊接严格按此工艺和技术操　作，焊工在考试时只允许清理焊件表面铁锈、油污和　氧化皮，待工件定位、固定后不可使用任何辅助工具　对焊缝进行清理，焊后只需在焊缝表面将焊渣、火花　飞溅清理干净，即可得到质量较高的焊接接头。在施　焊过程中应注意以下要点：　（１）打底层施焊应力求焊肉饱满且无缺陷或尽可　能少。　（２）填充层施焊时，要充分利用电弧自身作用清　４盖面层的焊接　除缺陷，并保证有足够的焊肉高度。　（３）盖面层焊缝应力求美观。　盖面层焊接时，选用直径４ｍｍ焊条，焊接电流　１１０　Ａ，运条手法采用月牙形或锯齿形，运条速度要均　匀．焊条与试板的夹角为９Ｏ。～１００。，运条到坡口边缘　参考文献：　时．要稍作停留，以免产生咬边，并保持熔池清晰、　明亮。更换焊条时要在弧坑前引弧，并填满弧坑，然　后正常运条。收尾时弧坑应填满。焊完后要进行清渣，　清渣后的盖面焊缝应平整、饱满，焊缝两边熔合良好。　（上接第２９页）　随倾角增大，则熔池表面张力减小，造成背面熔池下　［１］邱葭菲．焊工工艺学［Ｍ］．第３版．北京：中国劳动和社会保障出　版社．２００５．　［２］冯明河．焊工技能训练［Ｍ］．第３版．北京：中国劳动和社会保障　出版社．２００５．　缝正反面成形情况。在表１所列参数范围内可得到良　好焊缝成形。　（３）试验分析得到焊接电流对应坡口间隙及钝边　的匹配关系。随着坡口间隙增大，焊接电流减小，可　实现背面良好成形；当钝边增大，为保证背面焊透，　应增大焊接电流。　坠，余高增大。当倾角超过３５。后，由于重力的作用，　使熔池铁液向后流淌，余高略有减小，倾角大于５０。时　近似于立焊位置，余高不再变化。　Ｏ．８　０．７　（４）研究了焊接热输入及试板倾角变化对背面余　高的影响。随着焊接热输入的不断增大，背面余高增　大，试板倾角在１０。～３５。时，背面余高呈增大趋势，　大于３５。时呈下降趋势。　试板倾角，（。）　Ｏ．６　０．５　０．４　Ｏ．３　０．２　图９背面余高随试板倾角的变化关系　参考文献：　［１］孙景荣．单面焊双面成形技术［Ｊ］．电焊机，２００２，３２（１２）：３４—３６．　４结论　［２］刘晓旭，王炳英，王利霞．海洋平台小直径管环缝单面焊双面成　形焊接工艺研究与应用［Ｊ］．石油工程建设，２００４，３０（３）：２５—２７．　（１）对机器人ＭＡＧ焊单面焊双面成形技术进行　了研究．试验表明这种方法是合理可行，为ＭＡＧ焊　一［３］王晋生，陈丽中，郑春刚．焊管ＣＯ　气体保护焊单面焊双面成形　焊接工艺［Ｊ］．焊管，２００５，２８（３）：４６—４８．　种焊接方法就能完成打底、填充及盖面焊接打下了　良好的基础，具有很好的实际工程应用价值。　［４］金玉嵌．船用管一管、管一法兰机器人焊接技术研究［Ｄ］．江苏镇　江：江苏科技大学，２００７．　（２）通过参数优化，制定了坡ＦＩ间隙０～３　ｍｍ内　打底焊焊接工艺参数，得出间隙在０～２　ｍｍ范围内焊　［５］陈松，孙建国．Ｓ．ｒｒ气体保护焊技术在管道焊接中的应用［Ｊ］．　焊接技术，２００１，３０（Ｓ１）：５４—５５．