φ1.6 mm焊丝在机器人焊接液压支架结构件上的应用

2018-01-04

焊接 2017年11期

(郑州煤矿机械集团股份有限公司，郑州 450016)

φ1.6mm焊丝在机器人焊接液压支架结构件上的应用

兰志宇赵旭孟贺超

(郑州煤矿机械集团股份有限公司，郑州 450016)

液压支架结构件目前多采用φ1.2 mm焊丝焊接，焊接效率难以满足机器人自动化焊接的要求。对机器人使用φ1.6 mm焊丝在不同的焊接参数下的焊缝成形、力学性能以及焊接效率等方面进行研究，并与φ1.2 mm焊丝进行对比分析。结果表明，机器人使用φ1.6 mm焊丝在焊接电流为440～520 A区间内，焊缝成形良好，几乎没有焊接飞溅，焊接接头力学性能均能满足要求，其中焊接电流在480～500 A区间的接头力学性能最优，而且焊接电流500 A的条件下焊接接头金相组织符合预期，性能优良，焊接效率比φ1.2 mm焊丝提高36.3%。

焊丝力学性能焊接效率

0 序言

液压支架结构件一般由低合金高强钢板(Q460,Q550,Q690等)拼焊而成，具有板材厚(20～60 mm)、结构尺寸大(中型支架单个结构件外形尺寸约为3 500 mm×1 500 mm×550 mm)、箱形结构多、焊缝复杂、焊接变形量大等特点[1-5]。要求多层多道焊，层间温度需控制在150～200 ℃内。目前常用的焊接方法为φ1.2 mm焊丝的手工混合气体保护焊(Ar+20%CO2)。随着焊接技术的发展，焊接机器人被大量应用在液压支架结构件的焊接中[6-7]。使用焊接机器人可以稳定控制焊接过程中的焊接电流、电压、摆动幅度、运行速度等关键参数，使用直径1.6 mm焊丝采用机器人焊接能够获得较好的焊接质量，且焊接效率将会得到明显提升。文中将通过研究φ1.6 mm焊丝在液压支架结构件焊接上的焊接工艺参数，并对比φ1.2 mm焊丝的焊接质量、效率、成本等方面，得出在液压支架结构件焊接上应用φ1.6 mm焊丝的可行性。

1 试验方案

MAG焊焊接过程中，随着电流增大，熔滴过渡状态的变化是：短路过渡→大滴过渡→射流过渡；飞溅大小的变化是：小→大→小；对于φ1.2 mm 焊丝，临界电流(由大滴过渡转向射流过渡的电流)为320 A，对于φ1.6 mm焊丝，临界电流为360 A；要达到稳定的射流过渡，焊接电流需大于临界电流[8-9]。从焊缝成形和焊接效率考虑，对于液压支架结构件焊接生产，熔滴过渡方式最好使用射流过渡，焊接工艺电流需大于360 A。

表1为各组焊接工艺参数。为了试验不同参数下φ1.6 mm焊丝的力学性能，并与φ1.2 mm焊丝作比较，选取了φ1.6 mm焊丝电流分别为440 A,460 A,480 A,500 A,520 A共5组试验参数，并与焊丝电流为360 A的φ1.2 mm焊丝进行焊缝熔深、力学性能、焊接效率等方面的对比。其中焊接力学性能试验选取目前液压支架结构件中强度级别较高的Q690的板材匹配ER76级别的焊丝进行试板对接，如图1所示。焊接工艺选取MAG多层多道焊(5层9道)，保护气体为Ar+20%CO2，焊前预热100～150 ℃，道间温度控制在135～165 ℃。选取CLOOS公司的CLOOS QRH 390-E型直立式机器人进行试验。

表1 不同焊接电流对应的焊接工艺参数

图1 对接试板尺寸图

2 试验结果分析

2.1 焊缝成形对比

图2为表1中对应的6组焊接工艺参数条件下焊缝外观形貌。从图中可以看出，这6组参数下的焊缝外观成形良好，基本没有飞溅，说明这6组参数的焊接工艺性均较好。

图2 不同工艺参数下的焊缝成形形貌(右向左依次为编号1-6)

2.2 力学性能分析

2.2.1拉伸及弯曲试验

依据相关标准对焊接接头分别进行拉伸和弯曲试验，其中弯曲试验选取的压头直径为弯曲试样厚度的3倍。具体结果如表2所示，拉伸与弯曲试样形貌如图3所示。

表2 不同工艺参数焊接接头的力学性能

图3 部分试样的拉伸和弯曲形貌

焊接接头拉伸试验的抗拉强度要求≥760 MPa，从表2中可以看出，以上6组工艺参数对应的焊接接头拉伸和弯曲均能满足要求，且对于φ1.6 mm焊丝来说，电流在480 A和500 A下的拉伸性能优于其他组的参数，与φ1.2 mm焊丝的拉伸性能基本相当。

2.2.2冲击试验

对6组工艺参数对应的焊接接头分别进行焊缝中心和熔合线外1 mm处的冲击试验，试验温度为-20 ℃，具体结果见表3。

从表3可以看出，6组工艺参数下的焊接接头相应区域的冲击吸收能量均大于要求值47 J，且以上各参数下φ1.6 mm焊丝的冲击吸收能量与φ1.2 mm焊丝基本相当。

表3 不同工艺参数试板的冲击吸收能量KV J

2.2.3硬度试验

表4为选取的6组工艺参数对应焊接接头的维氏硬度。6组工艺参数所用的母材均为Q690板材，平均硬度值为310 HV。由表4可以看到，6组试样各区域的硬度值均小于要求的最大值450 HV，但整体上看，随着焊接电流的增大，φ1.6 mm焊丝的焊缝和热影响区的硬度均有增大的趋势，且电流在500 A以下时，焊缝的硬度均小于母材，热影响区的硬度也远小于要求的最大值。而电流大于500 A时，焊缝和热影响区的硬度将会显著增大，当电流达到520 A时，热影响区的最高硬度最大值达到445.6 HV，接近要求硬度的上限值。

表4 6组工艺参数的硬度测试结果(HV10)

2.2.4金相分析

图4和图5为4号试样(φ1.6 mm焊丝电流500 A)下的焊接接头宏微观组织形貌。从图4可以看出，采用φ1.6 mm焊丝焊接电流在500 A的条件下，接头焊缝熔合情况良好，有较好的对称性，无宏观焊接缺欠。从图5中可以看出，4号试样接头组织中的焊缝区组织为贝氏体+铁素体，焊接热影响区过热区组织为马氏体+贝氏体，不完全相变区组织为马氏体+贝氏体+铁素体，母材组织为回火索氏体。

图4 4号试样焊缝截面宏观金相

图5 4号试板焊接接头显微组织

总的来说，4号试样的焊接接头拉伸试验断于焊缝，抗拉强度827 MPa，接头弯曲性能良好(侧弯d=3a，α=180°)，焊缝金属及焊接热影响区-20 ℃下冲击吸收能量KV分别达到79 J和68 J，焊接接头的最高硬度位于热影响区，最大值为414.8 HV。这表明采用φ1.6 mm焊丝焊接电流在500 A的条件下，接头的焊接质量良好、综合力学性能优良，能够满足液压支架结构件的设计和使用要求。

3 焊接效率分析

φ1.2 mm焊丝和φ1.6 mm焊丝在各焊接参数下的效率见表5。可以看出，机器人使用φ1.6 mm焊丝在500 A电流条件下每小时的熔敷焊丝量可达到8.71 kg/h，比使用φ1.2 mm焊丝360 A条件下的熔敷焊丝量6.39 kg/h提高36.3%。车间批量采用φ1.6 mm焊丝的新工艺后，效果显著，焊接机器人的焊接效率得到了极大提高，取得了显著的经济效益。