自动化焊接技术在中厚钢环缝焊接中的应用

自动化焊接技术在中厚钢环缝焊接中的应用

刘刚，俞年成，刘雨生

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市230031

摘要：在航天制造领域，随着产能提升和新型号的涌现，焊接部件可靠性的要求也越来越高。焊接工艺由实施的可行性逐步向成功率及高效率需求转变。

关键词：自动化焊接技术；中厚钢环缝焊接；应用

前言

焊接作业环境差、对人身体有伤害、有一定的技术门槛等条件导致工厂要招聘合格的焊工比较困难。同时，工厂劳动力短缺、人工操作稳定性欠佳等原因，使得自动化焊接成为制造业的经济之选。人工成本逐年上升，相反，焊接机器人的成本越来越低，焊接机器人可靠性、稳定性都优于人工。综上所述，自动化焊接取代人工已逐步成为主流。

1自动化焊接技术发展现状

自动化焊接首先要解决的就是焊枪找到焊道、对准焊道进行焊接，如果焊道位置找不准何谈自动化焊接，其结果必然是焊接的工件都是残次品。焊道位置信息包含焊道相对于焊枪的相对位置、焊道与焊道之间的相对位置。机器人必须采集到焊道相对于焊枪的绝对位置以及焊道与焊道之间的相对位置，才能够准确地找到焊道位置并进行焊接。找正焊道位置的技术相对比较成熟，方法较多，如何找正焊道位置信息是目前自动化焊接技术的难点。最近10几年研究人员对自动化焊接技术的研究重点放在找正焊道位置上，同时自动化焊接在批量标准化商品生产中应用非常广泛，得到业内普遍认同。

2动化焊接技术难点

2.1复杂焊接结构

一个完整的焊接体涉及的焊缝种类繁多，如平对接焊缝、平角焊、漏焊、交替间断焊接;同一类型的焊缝焊高也不相同，不同焊缝类型焊接方式、焊接工艺参数也各不相同。以平对接焊缝为例，当母材板较厚时，需要多层多道焊接，而母材板较薄时需要降低电压及减小电流来防止母材烧穿。可见，不同的焊缝参数要对应不同的焊接工艺参数，由此产生的不确定性是自动化焊接的最大难点。

2.2焊接变形问题

熔焊焊缝及热影响区域存在较大的残余应力。残余应力如果都集中在焊缝附近，当焊接残余应力与承载的工作应力叠加，其数值超过材料的屈服极限时，工件就会在焊缝附近产生焊接变形、断裂等现象。人工焊接过程中可以通过调整焊接顺序、采用特殊焊接工艺等手段避免或者减小焊接变形。

2.3焊接母材、焊道误差

针对钢结构，通常厚板用自动火焰切割、自动等离子弧切割，薄板用激光切割，在下料环节就产生一定的误差。拼装铆焊环节，都是人工借助工装进行拼接铆焊，精度很难保证。被焊母材自身的形状公差与相互之间位置公差的累计会造成:(1)相同类型的焊缝，焊道宽度不统一，通过焊接机器人自动化焊接会使窄焊缝焊接相对比较饱满，宽焊缝产生凹坑;(2)同一条焊缝不同位置焊道宽度不同，通过焊接机器人焊接会使同一条焊缝中有的地方饱满，有的地方缺焊。目前很多工厂为了实现自动化焊接，且保证焊缝外观美观都要进行焊后加工，将焊缝削平，这样就额外增加了机加工，整体生产的人工成本没有降低，失去了自动化焊接的实际意义。

3气罐焊接技术要求及缺陷分析

3.1贮气罐结构

贮气罐主体部分包括罐体及罐盖，通过对接环缝连接成为一个整体。罐体和罐盖均采用自由锻件毛胚件车削而成，材料为30CrMnSiA，比强度和硬度均较高，具有较大的淬透性，焊接性较差，需要采取焊前预热、焊后缓冷及消除应力等措施。焊接边厚度为7mm，内径尺寸为Φ92mm。焊接后焊缝质量要求符合QJ1842A—2011II级焊接接头质量要求，同时通过强度为25MPa水压试验，焊缝两侧的基体与焊缝过渡均匀，错位量控制严格，内表面不能氧化。

3.2产品缺陷分析

由于结构原因，贮气罐采用单面焊双面成形的工艺方案，坡口加工形式为“Y”型，单边30°，钝边规格为2mm。焊接采用手工TIG送丝打底+盖面2层焊接，第一层打底焊主要是为了保证单面焊双面成形。按照焊前预热、焊后去应力等相关要求生产。具体流程为加工坡口→预热到200～300℃→焊接罐体和罐盖→2h内退火去应力→调质热处理。焊接后进行无损检测，发现焊接接头内部存在未熔合、未焊透。采用内窥镜检查接头背后，发现存在焊瘤、内部凹陷。分析整个焊接过程，发现产生缺陷的原因是：a.贮气罐焊接边厚度为7mm，打底焊接质量至关重要，由于两边坡口较窄，装配为零间隙，为了保证焊透，在生产中需要采用大电流，手工焊接时，若手工移动速度不稳，手势不当或电弧发生偏吹，就会产生焊瘤、未焊透、未熔合缺陷。b.焊接时背部通氩气保护，为了实现全保护，焊接背后氩气流量值为10L/min，保护气流量值高，随着焊接进程的进行，气体温度逐步升高，压力值增大，远大于熔池的重力，液态结晶成形时，在表面张力及内部压力作用下，形成反面凹陷。c.组合件结构的限制，内型面难以采用打磨的方式修整，补焊极难进行，缺陷难以排除。综上所述，产生焊接缺陷的原因是手工焊接的稳定性和气体压力随焊时波动，初步分析得出，影响最终焊接质量的因素是焊接工艺。

4艺解决方案及试验

4.1焊接工艺和参数试验

30CrMnSiA的碳当量高达0.73%，含合金元素多，产生裂纹的倾向较大。钨极脉冲氩弧焊比连续焊热输入少，热循环得到改善，减少了晶粒长大倾向和淬硬区范围，有利于降低裂纹的产生，对于30CrMnSiA具有较好的适应性。脉冲焊接过程中的峰值、基值电流交替作用在焊接接头上，峰值电流保证熔深，基值电流优化焊缝成型。焊缝通过试板试验可以发现，焊缝正面成型饱满，焊接接头背后焊漏均匀一致，焊缝打底层和盖面层分界明显，分析是打底层的二次受热所致，接头内部未发现缺陷。

4.2力学性能测试

以试板焊缝为中心，垂直于焊缝方向切割制取标准拉伸试样，制取3个试件，接头抗拉强度及断后伸长率，获得的焊接接头抗拉强度平均为1100MPa，约为30CrMnSiA母材的95.7%，符合QJ1842A—2011II级焊接接头的力学要求。

4.3背面氩气保护

为了防止在焊接过程中氩气的压力随温度升高而增大对熔池的影响，设计了随焊渐变式的压力曲线。焊接开始前调大氩气流量，通氩气3～4min，空气排完后再焊接，焊接开始时将氩气流量降至4～6L/min，随着焊接过程的进行，将数值逐步降至3～4L/min。实现焊接时内部充氩气保护。焊接后内部未出现发黑的氧化色，焊漏成型圆滑，未出现凹进母材的情况。采用自动脉冲钨级氩弧焊工艺进行了贮气罐组件的试生产，打底焊接后产品焊透，外表面成型良好，内部保护优良，不存在表面气孔、夹钨等现象，盖面焊接后焊缝外观鱼鳞纹均匀，宽度均匀一致。随后生产了10件贮气罐，情况如下：a.焊缝X光检测：采用新工艺生产的产品，未出现未焊透、未熔合及焊瘤等缺陷，满足QJ1842A—2011II级要求，10条焊缝一次交检合格率达到100%。b.强度试验：对10件产品进行了25MPa水压试验，保压5min后，焊缝不存在渗漏，产品全部合格。c.生产效率：单日产量可达10～15个，效率是原先工艺的2～3倍。

结束语

将成熟的焊接工艺与现有自动化焊缝跟踪系统相结合，使自动焊接机器人“懂得”焊接工艺，实现系统焊接智能化，促进自动化焊接与焊接工艺深度融合，有效地提高焊接生产效率，避免或减小焊接变形，提高焊接质量，同时为非标焊件自动化焊接提供了技术积累。

参考文献：

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［3］张弓，脱帅华，曹学鹏，等．焊接机器人焊缝跟踪技术的现状与发展趋势［J］．科学技术与工程，2021，21(10):3868－3876．