李 杰，周 鹏，惠媛媛

（1.西安航空职业技术学院航空材料工程学院，陕西 西安710089；2.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃 兰州 730050）

0 前言

近几十年来，随着工业自动化、智能化水平的快速发展以及制造业的实际需求，增材制造技术得到了快速发展，不仅越来越多的学者开始开展增材制造的相关研究，这项技术也在航天航空、建筑、艺术设计和汽车制造等领域得到了应用。在此基础上出现了多种基于增材制造理论的快速成形技术，如3D打印技术、激光熔化技术、电子束熔化技术和电弧快速成形技术等[1]。与其他快速成形技术相比，电弧快速成形技术具有成本低、热输入大、熔敷效率高等特点，在大尺寸金属零件的制造上有明显的效率优势和成本优势[2-4]。

电弧焊金属快速成形技术成形精度的控制是关键问题之一，通过优化工艺参数的方法达到提高成形精度的目的。相对于传统的电弧焊技术，机器人电弧焊技术能显著提高焊接生产效率和产品质量的稳定性，同时焊接运动轨迹和焊接过程较易控制，因此机器人电弧焊金属快速成形技术应用前景广阔[5]。

在机器人电弧焊金属快速成形过程中，各个工艺参数对熔敷层焊缝的外形尺寸、微观组织及性能具有直接的影响[6]。本文采用机器人MAG焊方法进行平敷焊焊接试验，采用单因素试验方法分别试验焊接电流、焊接电压、焊接速度、干伸长对焊缝尺寸的影响，获得了不同工艺参数对焊缝尺寸的影响规律。这对于机器人电弧焊金属快速成形技术运用有指导作用，有利于制定和优化具体工程中机器人电弧焊金属快速成形的工艺参数。

1 试验材料及方法

试验母材为Q235钢板，试件规格为300 mm×100 mm×6 mm。根据母材的力学性能，选用φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊丝，其化学成分如表1所示。焊前用钢丝刷清除焊件表面氧化物，用丙酮清洗焊件表面油污等。保护气体为 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，气体流量15 mL/min，焊枪角度90°。试验主要设备为OTC弧焊机器人和OTC的CPVE 400R型焊接电源。

表1 H08Mn2SiA焊丝化学成分Table 1 Chemical composition of H08Mn2SiA %

试验过程采用单因素方法，每次仅改变焊接电流、焊接电压、焊接速度和干伸长中的一个工艺参数，其他工艺参数不变，焊后检查焊缝成形情况。待焊缝冷却后，分别在焊缝的前、中、后三个较平整的位置选取测量点，用游标卡尺测量焊缝熔宽和余高，用3个数据的平均值作为该焊缝的余高和焊缝宽度。沿垂直于焊缝方向，在每条焊缝的中间位置截取试验试样，分别用100 Cw、500 Cw、1200 Cw的金相砂纸预磨试样，随后用清水和酒精清洗试样表面，用5%硝酸酒精溶液腐蚀各试验试样直至观察到明显的焊缝熔深，测量并记录熔深。

2 试验结果与分析

2.1 焊接电流对焊缝成形的影响

试验分析焊接电流对焊缝成形尺寸和外观成形质量的影响，焊接电流在95～145 A区间间隔5 A增加，其他焊接工艺参数为：焊接电压18.5 V，焊接速度20 cm/min，干伸长15 mm。不同焊接电源下的焊缝尺寸如图1所示，随着焊接电流的增加，焊缝宽度和熔深均有所增加，焊缝余高稍有增加，但不显著。这是因为随着焊接电流的增大，焊接电弧的电弧力和温度增高，电弧的穿透力增加，因此熔深变深；焊接电流的增大还使得金属的熔化量增加，在较高的电弧温度下，液态金属在钢表面的浸润铺展性能变好，即电流越大越有利于液态金属的流动，因此焊缝宽度逐渐变大，余高增加不显著。电流分别为95 A、100 A、130 A和140 A下的焊缝外观形貌如图2所示，在不同的焊接电流下均可获得直线度好、宽窄一致、成形美观的焊缝。试验还发现，当焊接电流为120 A时，焊接过程稳定，因此其他工艺试验均在该焊接电流下进行。

图1 不同焊接电流下的焊缝尺寸Fig.1 Weld size under different welding current

2.2 焊接电压对焊缝成形的影响

试验分析焊接电压对焊缝成形尺寸和外观成形质量的影响，焊接电压在16～21 V区间间隔0.5 V增加，其他焊接工艺参数为：焊接电流120 A，焊接速度18 cm/min，干伸长15 mm。试验结果如图3所示，可以看出，随着焊接电压的增加，焊缝余高和熔深几乎保持不变，但焊缝宽度逐渐变大；当焊接电压超过19 V时，焊缝宽度显著变大。这是因为焊接电弧对电弧电流密度的影响较小，因此熔深变化较小；随着焊接电压的变大，焊接电弧的热功率增加，熔化的液态金属增加，因此焊缝宽度逐渐变大；当焊接电压超过19 V时，由于液态金属的流动性能持续提高，焊缝余高有所降低，因此焊缝宽度显著变大。

图2 不同焊接电流下的焊缝成形Fig.2 Appearance of weld under different welding current

电压分别为16 V、17 V、19 V和21 V的焊缝外观形貌如图4所示，在不同的焊接电压下均获得了成形美观、直线度良好、高低宽窄一致的焊缝，当焊接电压为21 V时，焊缝宽度明显变宽，余高显著降低。

图3 不同焊接电压下的焊缝尺寸Fig.3 Weld size under different welding voltage

图4 不同焊接电压下的焊缝成形Fig.4 Appearance of weld under different welding voltage

2.3 焊接速度对焊缝成形的影响

试验分析焊接速度对焊缝成形尺寸和外观成形质量的影响。焊接速度分别为10cm/min、15cm/min、18 cm/min、20 cm/min、25 cm/min 和 30 cm/min，其他焊接工艺参数为：焊接电流120 A，焊接电压18.5 V，干伸长15 mm。试验结果如图5所示。随着焊接速度的增加，焊缝宽度、焊缝余高和焊接熔深均逐渐减小。这是由于随着焊接速度的增加，焊接线能量变小，单位长度上的填充金属量减少，因此焊缝成形相关尺寸均变小。不同焊接速度下的焊缝宏观形貌如图6所示，可以看出当焊接速度达到25 cm/min时，焊缝弯曲，高低宽窄明显，成形差；当焊接速度达到30 cm/min时，焊缝表面出现了焊接缺陷气孔；当焊接速度不大于20 cm/min时，焊缝成形良好。

图5 不同焊接电压下的焊缝尺寸Fig.5 Weld size under different welding voltage

图6 不同焊接速度下的焊缝成形Fig.6 Appearance of weld under different welding speed

2.4 干伸长对焊缝成形的影响

试验分析干伸长对焊缝成形尺寸和外观成形质量的影响。干伸长在9～21 mm区间间隔3 mm增加，其他焊接工艺参数为：焊接电压18.5 V，焊接电流120 A，焊接速度18 cm/min，干伸长15 mm。试验结果如图7所示。可以看出，随着干伸长的增加，焊缝宽度和焊缝余高均略有增加，熔深略有减小。这是因为焊接过程中随着干伸长的增长，焊丝电阻热增加，焊丝熔化速度增加，因此焊缝宽度和余高有所增加。试验还发现，当干伸长大于20 mm时，焊接飞溅明显增加，焊接过程不稳定；当干伸长小于6 mm时，易出现导电嘴烧损现象。不同干伸长下的焊缝宏观形貌如图8所示，可以看出当干伸长为21 cm时，焊缝直线度较差，外观成形不良。

图7 不同干伸长下的焊缝尺寸Fig.7 Weld size at different wire extension

图8 不同干伸长下的焊缝成形Fig.8 Appearance of weld at different wire extension

3 结论

（1）在其他焊接工艺参数不变的前提下，焊接电流越大越有利于液态金属的流动，电弧穿透力越强，焊缝宽度和熔深显著变大，余高增加不明显。

（2）当其他焊接工艺参数不变时，随着焊接电压的变大，焊接电弧的热功率增加，熔化的液态金属增加，焊缝宽度逐渐变大；当焊接电压超过19 V时，液态金属的流动性能提高，焊缝余高有所降低，宽度显著变大。

（3）当其他焊接工艺参数不变时，随着焊接速度的增加，焊接线能量变小，焊缝成形几何尺寸均变小；当焊接速度过快时，焊缝表面成形差，且出现了表面气孔。

（4）当其他焊接工艺参数不变时，焊接过程中随着干伸长的增长，焊丝熔化速度增加，焊缝宽度和焊缝余高略有增加；干伸长过长时，焊接过程不稳定，焊接飞溅增加。