雙面埋弧焊直縫鋼管雙絲自動焊接技術(shù)

 針對某產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)和制造焊接工裝，擬定雙絲焊接工藝，并采用雙絲焊接工藝對該產(chǎn)品進(jìn)行焊接，進(jìn)一步摸索其焊接工藝特點(diǎn)，掌握焊接過程中對焊縫成形的影響，通過在線編程優(yōu)化雙絲焊接工藝參數(shù)，形成規(guī)范性指導(dǎo)文獻(xiàn)。
0 引言
    雙絲自動焊接是近幾年發(fā)展起來的先進(jìn)焊接技術(shù)[1]，它除了具有半自動單絲焊接特點(diǎn)外，還具有能量集中、熔敷效率高等焊接特性。其主、副絲由單獨(dú)的普通焊接電源提供焊接電流，獨(dú)立可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)的 佳優(yōu)化配置，兩絲之間始終保持一定的間距和一定的焊接角度，有效地控制了雙弧之間的電磁干擾，具有良好的靜、動特性，兩單獨(dú)電源靠焊接軟件共同協(xié)調(diào)作用，給主、副絲供電。同時(shí)熔化主、副絲，并向焊縫中過渡金屬，形成一個(gè)穩(wěn)定的熔池，良好地保證了焊接接頭的強(qiáng)度。它不僅能采用常規(guī)的熔化極焊接電源實(shí)現(xiàn)焊接，而且設(shè)備成本降低，使焊接熱量高度集中，熔敷速度快，焊接效率高，焊后變形小，勞動強(qiáng)度低，有效地改善了焊縫組織性能，尤其對于高導(dǎo)熱材料的焊接，能量集中的效果更為突出。447廠于2004年從奧地利引進(jìn)機(jī)器人雙絲焊接設(shè)備，經(jīng)過一年多對試板進(jìn)行雙絲焊接工藝試驗(yàn)、焊接工裝設(shè)計(jì)與制造、在線編程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、對產(chǎn)品的試制焊接及焊后焊縫質(zhì)量的無損檢測等一系列工作，已形成雙絲焊接整個(gè)過程保證體系，確保了每個(gè)過程焊接參數(shù)真實(shí)可靠�，F(xiàn)雙絲焊接工藝已在447廠成功地應(yīng)用于產(chǎn)品焊接的批生產(chǎn)中，取得了顯著效果，得到了用戶的高度評價(jià)。
1 焊接工作站主要技術(shù)數(shù)據(jù)和雙絲焊接設(shè)備及工藝特點(diǎn)
1.1 焊接工作站主要技術(shù)數(shù)據(jù)
   機(jī)械手臂6個(gè)軸，立柱3個(gè)軸，旋轉(zhuǎn)變位機(jī)2個(gè)軸，在焊接時(shí)，這11個(gè)軸可同步進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，保證機(jī)械手能夠達(dá)到各種位置，并實(shí)現(xiàn) 佳位置的焊接。機(jī)械手臂長1.6 m，立柱在地面行程為16 m，立柱上配備3 m長的懸臂，其懸臂的升降距離為3.5 m，旋轉(zhuǎn)變位機(jī)面板旋轉(zhuǎn)半徑為2.5 m，徑向工作范圍為4.6 m，重復(fù)定位精度為（±0.1）mm，回轉(zhuǎn)定位精度為0.02°，工作環(huán)境溫度在5~45℃。
1.2 雙絲焊接設(shè)備
    本課題主要采用了fronius公司Tps5000多功能數(shù)字化焊機(jī)，兼有陡降/緩降輸出外特性，焊接電流在3~500 A，焊接電壓在10~40 V，其雙絲焊系統(tǒng)由兩臺焊機(jī)、兩臺送絲機(jī)及一把焊槍等組成，可與自動化專機(jī)或焊接機(jī)器人配套使用。兩個(gè)送絲機(jī)均采用推拉式送絲，并通過兩根送絲管分別將兩根焊絲同時(shí)送進(jìn)焊槍中兩個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)電嘴，確保焊接過程送絲通暢，且焊絲在雙電弧中被熔化，形成一個(gè)熔池。圖1為雙絲焊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
    兩臺焊機(jī)通過特殊的裝置進(jìn)行通訊，保證兩個(gè)電弧之間互不干擾，兩根焊絲可采用不同脈沖頻率組合的脈沖電弧進(jìn)行焊接。如同頻率同相位的，相位差為180°，不同頻率任意相位的，見圖2。
1.3 雙絲焊接的工藝特點(diǎn)
1）高性能數(shù)字化脈沖焊機(jī)[2]，100%暫載率時(shí)的焊接電流360 A。
2）6英寸LCD顯示，可進(jìn)行在線和離線編程，連接PC機(jī)、打印機(jī)。
3）每根焊絲的規(guī)范參數(shù)根據(jù)不同質(zhì)材和厚度可單獨(dú)設(shè)定。
4）每根焊絲的送絲速度可在0.5~22 m/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
5）大大地提高熔敷效率和焊接速度。
6）在熔敷效率增加時(shí)，保持較低的熱輸入，焊接變形小。
7）采用硬弧電弧更穩(wěn)定，采用軟弧電弧熔滴過渡受控、飛濺小，焊縫成形美觀。
2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求
2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
     該產(chǎn)品的材質(zhì)屬于Ai－Zn－Mg系超硬鋁合金，基材σb≥410 MPa，δ10≥7%。它由δ18、δ40、δ60的不同厚度鋁合金板拼焊成多面體框架結(jié)構(gòu)，側(cè)板與底板、側(cè)板與側(cè)板之間采用未焊透嵌入式接頭型式，頂板與側(cè)板之間采用V型對接接頭型式，頂板與頂板之間采用X型對接接頭型式，見圖3。
2.2 技術(shù)要求
1）焊接接頭的抗拉強(qiáng)度σb≥240 MPa。2）前側(cè)板與底板在焊接后保證43°30′±15′。3）頂板與頂板焊接后保證下凹≤2 mm，底板上翹≤5 mm。4）焊縫經(jīng)無損檢測，全部符合Q/PD 635—2004企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3 產(chǎn)品自動焊接技術(shù)難點(diǎn)在機(jī)器人對該產(chǎn)品所有焊縫的跟蹤過程中，它主要靠接觸傳感器、電弧跟蹤傳感器以及激光跟蹤傳感器對焊縫進(jìn)行尋位和自動跟蹤，且要求重復(fù)定位精度不超過3 mm，超出此范圍編程就有可能失真，還需重新在線編程，因此，必須嚴(yán)格控制產(chǎn)品零件的加工精度，設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的裝配、焊接工裝來確保精度要求。通過分析，實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品機(jī)器人自動焊接需解決的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是機(jī)器人對該產(chǎn)品所有焊縫的準(zhǔn)確跟蹤；該產(chǎn)品裝配、焊接工裝的設(shè)計(jì)和制造以及保證在焊接變位機(jī)上重復(fù)定位精度；該產(chǎn)品焊接工藝的確定。
4 焊接工裝的設(shè)計(jì)與制造
4.1 裝配、焊接工裝的設(shè)計(jì)
1）設(shè)計(jì)裝配、焊接工裝的目的：保證產(chǎn)品裝配定位精度，保證在焊接過程中能順利實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的連續(xù)焊接和防止變形，有效控制產(chǎn)品的幾何尺寸。
2）裝配、焊接工裝的設(shè)計(jì)原則：根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和幾何尺寸精度要求來設(shè)計(jì)出合理的裝配、焊接工裝。在設(shè)計(jì)裝配、焊接工裝時(shí)，主要以產(chǎn)品底板定位，借助于產(chǎn)品各側(cè)板的角度和頂部變形下凹不高于2 mm等要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。它分上、下兩環(huán)，兩環(huán)之間用槽鋼通過焊接進(jìn)行連接，其 大直徑1 828 mm，高度300 mm。在上、下環(huán)上，依據(jù)產(chǎn)品側(cè)板不同角度（43°30′±15′，80°，60°，90°）設(shè)計(jì)了可移動并帶有不同角度的專用頂板，以保證各側(cè)板的角度；同時(shí)保證所設(shè)計(jì)的工裝應(yīng)具有重量輕、強(qiáng)度高、精度高、靈活定位和便于拆卸和焊槍的可達(dá)性等功能，保證產(chǎn)品重復(fù)定位精度不超過3 mm。
3）裝配、焊接工裝設(shè)計(jì)時(shí)材料的選擇：產(chǎn)品由7A52鋁合金材質(zhì)組焊而成，因此，在固定產(chǎn)品位置時(shí)，應(yīng)盡量采用軟材料和接面較大的壓塊，已防止產(chǎn)品表面產(chǎn)生壓痕。
4.2 裝配、焊接工裝的制造
    根據(jù)已鑒定的裝配、焊接工裝圖紙對裝配、焊接工裝進(jìn)行了制作，并通過試裝對其進(jìn)行了局部修整和打磨，合格后進(jìn)行了表面涂漆。
5產(chǎn)品雙絲焊接工藝
1）焊接設(shè)備及方法的選擇：焊接設(shè)備選擇froni?usTPS 5000型脈沖熔化極焊機(jī)。采用單絲（或雙絲）熔化極惰性氣體保護(hù)直流反接的焊接方法。
2）焊接材料的選擇：母材材質(zhì)為7A52，焊接材料選擇E5356 1.2和1.6兩種規(guī)格的焊絲，氬氣純度為99.99%。
3）預(yù)熱方式的選擇：單絲焊接時(shí)采用焊前預(yù)熱，預(yù)熱方式可采用履帶式電加熱，預(yù)熱溫度在60~90℃，雙絲焊接時(shí)焊前不預(yù)熱。
4）焊接環(huán)境溫度：焊接環(huán)境溫度≥10℃。
5）產(chǎn)品裝配和預(yù)焊：在產(chǎn)品焊接前，離坡口兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)應(yīng)用丙酮和機(jī)械方法清理油污及氧化膜，并利用制造好的裝配工裝進(jìn)行裝配和預(yù)焊。預(yù)焊時(shí)采用半自動熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，其預(yù)焊焊縫長度50~80 mm，較長焊縫定位焊的間距在200～300 mm范圍較為合適，預(yù)焊時(shí)的焊接規(guī)范與正式焊接時(shí)一致。在正式焊接時(shí)，利用焊接工裝把產(chǎn)品固定在焊接變位機(jī)上，找正并檢驗(yàn)裝配尺寸合格后方可焊接。
6）產(chǎn)品焊接順序的選擇：雙絲焊槍比單絲焊槍體積大，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，為了保證焊槍的姿態(tài)和可達(dá)性以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接，確定先采用雙絲焊完成產(chǎn)品外部焊縫打底層的焊接，然后用單絲焊（采用局部預(yù)熱）完成產(chǎn)品內(nèi)部所有焊縫的焊接， 后采用雙絲焊完成產(chǎn)品外部所有焊縫的焊接。
7）產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)：通過對試件進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，并對檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的討論和分析，把優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)確定為該產(chǎn)品的焊接工藝參數(shù)，詳見表1。
6產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果
1）焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到了母材強(qiáng)度的60%以上，δ10≥7%，符合工廠Q/PD 635—2004規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[3，4]。
2）經(jīng)無損檢測，焊縫中仍存在微量的氣孔和夾渣。
3）通過對產(chǎn)品焊接后的外形尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，雙絲自動焊接比半自動焊接減少一半變形。
7 結(jié)果分析
    采用雙絲自動焊接，其 大的特點(diǎn)是熔敷速度快，焊接效率高。在焊接過程中，副絲對主絲所形成的熔池具有強(qiáng)烈的攪拌作用，有利于氣孔和夾渣的排出，有效地抑制了焊接缺陷的產(chǎn)生，在冷卻后焊縫中的氣孔和夾渣明顯比半自動單絲焊減少；通過對試板焊接后力學(xué)性能檢驗(yàn)，雙絲的焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均250~270 MPa之間，有的高達(dá)280 MPa，均達(dá)到了母材強(qiáng)度的60%以上；而單絲的焊接接頭抗拉強(qiáng)度雖然也達(dá)到了母材強(qiáng)度的60%以上，但其抗拉強(qiáng)度平均240~260 MPa之間，明顯比雙絲低一個(gè)檔次；由于Ai－Zn－Mg系屬于超硬鋁合金，在焊接過程中，由于Zn揮發(fā)和Mg的燃燒，致使焊接后的焊縫中Zn、Mg含量顯著下降，而Zn是鋁合金的強(qiáng)化元素，因而導(dǎo)致焊接接頭的抗拉強(qiáng)度比基材低；同時(shí)，Ai－Zn－Mg系超硬鋁合金具有較低的熔點(diǎn)，導(dǎo)熱性好，冷卻速度快，對焊前坡口表面的油污、水分很敏感，若坡口表面清理不良，氣體不純，保護(hù)效果不佳，運(yùn)絲方法不當(dāng)，加之冷卻速度極快，導(dǎo)致產(chǎn)生了微量的氣孔、夾渣；而雙絲自動焊接由于具有熱量高度集中，熔敷速度快，焊接效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以焊接后的變形要比單絲小得多。8 結(jié)論
1）通過采用上述焊接工藝方法對該產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)器人自動焊接，并按企標(biāo)Q/P D 635—2004的有關(guān)內(nèi)容對焊接后的產(chǎn)品焊縫進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)和X射線無損檢測。焊縫外觀成形美觀，并對產(chǎn)品對接焊縫進(jìn)行X射線無損檢測，均符合企標(biāo)Q/PD 635—2004的要求，焊接變形也控制在該產(chǎn)品圖紙規(guī)定的范圍內(nèi)。
2）雙絲自動焊接與半自動焊接比具有焊縫成形美觀、變形小、質(zhì)量穩(wěn)定和焊工勞動強(qiáng)度降低等優(yōu)點(diǎn)，且該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)90%以上的焊縫實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動焊接，生產(chǎn)效率顯著提高，更適應(yīng)產(chǎn)品的批生產(chǎn)。
3）熟練掌握在線和離線編程，充分發(fā)揮支持軟件的特殊功能，定能適用不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品焊接，保證產(chǎn)品質(zhì)量，對推廣和應(yīng)用先進(jìn)的工藝技術(shù)起到積極的作用。