邓火生，杨启杰，龙昌茂，戴建树

广西机电职业技术学院 广西南宁 530007

1 序言

随着中国制造技术的快速发展，国内的制造业将迎来新的发展机遇，发展智能制造将成为很多企业的必然选择[1]。由于人工成本的增加，以及国家对高耗能、高污染产业的限制，高效焊接成为各焊接企业竞相追逐的目标。钢结构行业的高速发展，对大熔深全焊透要求越来越高，此前大多企业都采用埋弧焊焊接，但埋弧焊的熔池不可见，对于厚板要求大熔深，焊接速度最高一般为400mm/min，效率低下，一般只适用于长焊缝平焊或弧线位置的焊接，难以实现空间位置焊接，因此埋弧焊并不适合与机器人配合使用。近年来，国内对机器人弧焊工艺展开了诸多方面研究，高延峰等[2]研究了焊枪倾角信息融合的弯曲焊缝轨迹跟踪；郭吉昌等[3]研究了焊枪空间位姿实时检测，机器人焊接的焊枪与焊缝相对位置关系以及机器人运动平稳性直接决定焊缝质量[4]。

目前，国产奥太焊接电源已可实现单电源双丝单弧焊接，不仅电弧长度可控，熔滴过渡可控，电弧不存在双丝双弧的电磁力干扰，提高焊接熔敷率，而且提高焊接生产的效率，也保证了焊接的质量，具有高速、高效以及高度自动化等优点。

同时，由于弧焊机器人焊枪旋转角度与工件坡口的空间限制和熔透性要求，焊枪前进方式（推焊或拉焊）和焊接角度是影响焊缝熔深的关键，打底层，填充、盖面层的前进方式的选择，合适的焊枪与底板夹角以及焊枪的前进角度，都是决定25mm以上的厚板是否熔透的关键因素。

因此，对厚板进行大熔深全焊透工艺进行研究不仅具有学术意义，对于实际生产更显得尤为必要。本文对厚板角接头进行弧焊机器人双丝单电弧的焊接角度工艺研究，不仅解决了复杂位置的焊接可达性，而且通过工艺设计实现焊缝的大熔深和全焊透，有效提高生产效率（最高速度可达720mm/mim），缩短焊接周期，降低生产成本。

2 厚板全焊透工艺试验条件

试样如图1所示，材料为Q355，采用船形焊接方式，底板和腹板均为25mm，坡口角度50°～55°，钝边6～8mm，底板与腹板装配无间隙，焊接材料为φ1.2mm的AWS ER70-6焊丝，焊接气体为80%Ar+20%CO2，焊接设备为CROBOTP弧焊机器人和奥太焊接电源，焊枪采用水冷方式。为减少母材变形，使用夹具将母材固定夹紧在工作台，焊缝质量要求大熔深，全焊透，焊缝表面平整光滑无气孔、咬边、裂纹。

图1 25mm厚Q355板角接头焊双丝单弧焊接角度

焊前用千叶轮打磨清理试件表面及边缘每侧≥20mm处直至露出金属光泽，去除表面的氧化膜、铁锈等杂质，用丙酮擦拭去除表面油污。

3 焊枪前进方式（推焊或拉焊）对焊缝熔深的影响

对于25mm以上的厚板角焊缝而言，焊缝熔深是决定其性能的关键（见图2），熔深越大，焊缝初强度就越大，同时金属在高温情况下，晶格会改变。在冷却过程中，最先冷却的地方是颗粒最粗的地方，也就是强度最小的地方，越向表面晶格越小，密度更大，所以强度就更大，因此熔深与焊缝强度是成正比关系的。

图2 不同前进方式焊缝熔深对比

分别用相同厚度尺寸和结构的角接头进行试验（见表1），试验后用硝酸酒精溶液进行断面腐蚀观察熔深，测试方法为ISO 17639：2003，测试设备为体式显微镜，试验数据和结果见表2和如图3所示。

表1 焊缝打底焊接参数

表2 不同焊接前进方式焊缝尺寸 （mm）

图3 打底层不同焊接前进方式焊缝断面形貌

如图3所示，焊枪倾角90°～95°实施拉焊，此时焊接电流达530A，电弧呈倒锥形状，熔滴过渡约束电弧的扩展，熔滴呈射流过渡，电弧挺直，能量集中，在推动电极附近的高温气流等离子的作用下，熔滴以极大的加速度连续沿轴向射向熔池，细化晶粒，促进排除杂质气体及夹杂，易形成指状熔深，增大熔深。

4 焊枪角度对熔深的影响

如图4所示，厚板焊接角度包括焊枪与腹板夹角θ1，焊枪前进角度θ和焊枪与底板夹角θ2，由于坡口空间位置限制，当θ1=θ2=45°时，焊枪端部无法伸入坡口根部，无法进行焊缝打底，因此，当θ1＞θ2时方可施焊。根据推焊和拉焊的焊接方式分析可知，厚板角焊缝打底层应采用拉焊可得较大熔深结论，焊枪前进角应θ＞90°。根据试验可知，焊枪不同角度是获得大熔深良好焊缝成形的关键。因此，当焊枪前进角度为90°＜θ＜95° 时，分别改变焊枪与底板的夹角θ2，观察两侧熔深交汇区宽度来分析焊枪与底板夹角θ2对熔深的影响，规定两侧熔深交汇区为负数则证明未熔合，焊接参数见表3。试验后，用角磨机沿着焊缝横向截面切开，获取焊缝断面试样，进行打磨抛光，用硝酸金属腐蚀液腐蚀，酒精冲洗并吹干，利用工业相机观测金相试样的左右熔深。

表3 焊接倾角参数

图4 焊枪角度

1）当35°＜θ2＜45°、90°＜θ＜95° 时，试验结果如图5所示，角焊缝根部未焊透，焊缝出现咬边，飞溅大。根据焊接过程中的熔滴过渡和电弧作用形态可知，双丝焊丝电流密度大，焊丝熔化速度快，焊接电弧推力较弱，大部分推力指向底板，指向腹板钝边（6～7mm）处热量不足，对母材金属的挖掘力小，无法熔透。同时，50°～55° 的坡口对于双丝焊枪的空间位置限制较大，因此，根据空间位置对电弧的限制以及电压最小原理的作用，焊接电弧最强推力无法集中于焊缝根部，而是在两侧母材以及焊缝中心随熔滴过渡发生不规则的偏移，造成未焊透。

图5 不同角度焊缝断面形貌

此外，双丝CO2焊接为短路过渡，CO2气体在高温下发生CO2⇌CO+O分解[5]，造成体积增大，引起局部压力上升，产生向上的推力，使焊丝端部大块熔滴出现偏斜[6]，熔池内的金属蒸汽超过临界值时，液态金属在气孔爆破力的冲击下形成大量飞溅。同时，双丝焊接熔滴较大，先与坡口两侧母材发生接触短路，无法直接过渡到焊缝根部[7]，已过渡的熔融金属由于失去电弧的继续加热和保护作用而结晶凝固，较大的表面张力阻碍了金属向根部的继续流动，造成焊缝根部未熔合。

2）根据前面的分析结果，改变焊枪与腹板的倾斜角度，即当25°＜θ2＜35°、90°＜θ＜95° 时，试验结果如图6所示。焊缝整体外观效果成形良好，焊缝笔直、规则连续，宽度和高度也分布均匀合理，无明显飞溅。

图6 不同角度焊缝断面形貌

根据试验结果分析可知，双丝焊接大电流产生的电弧轴向力直接指向焊缝根部，有效挖掘试件，角接头两侧熔深出现交汇区。电弧能量集中，不仅有高效的熔敷效率，较大的挖掘力，也保证电弧轴向力能够较均匀地施加到熔池底部，搅拌能力较强，排开液态金属，去除气体和杂质。同时，CO2气氛由于高温分解而产生的氧化性气氛和对电弧产生的冷却压缩作用[8]，熔池表面不断产生电弧斑点，电弧产生压缩效应，电弧强度增大，弧长变短，轴向力集中，出现弧坑后，焊丝端部而呈潜弧状态。在强电弧轴向力作用下，角接头双侧熔深均可达到腹板中心线，并产生2～3mm宽的交汇区，咬合与互溶效应明显，焊缝完全焊透（见图6）。

3）根据图7可知，角接头两侧熔深交汇区随焊枪与底板的夹角的变化趋势：焊枪前进为拉焊（90°＜θ＜95°），随着焊枪与底板的夹角θ2在45°～35° 时，两侧熔深交汇区宽度为负值，焊缝未焊透；θ2在25°～35° 时，两侧熔深交汇区宽度为正值，焊缝焊透。

图7 两侧熔深交汇区随焊枪与底板的夹角的变化趋势

5 焊缝熔透性检测分析

按图8所示标定位置进行超声波检测取样，以焊缝横向中心为X轴，纵向为Y轴，对焊缝断面进行打磨，按照GB 11345—2013规定进行100%超声波检测。超声波检测探头型号为N5P12L，探头K值为2，前沿距离为12.5mm，扫查速度≤150mm/s，检测灵敏度为SL-8DB，灵敏度补偿为3dB，对比试块为CS-3-1。检测结果表明，焊缝熔透率达100%，焊缝质量完全符合工艺标准和GB 50205—2020质量验收标准。

图8 焊缝超声波检测取样

6 结束语

本文针对厚度超过25mm的碳素钢角接头不易焊透、熔敷效率低、力学性能不理想等问题进行分析，确定了影响厚板角接头焊接质量的关键因素为打底层的焊接方式，打底与填充盖面层的焊枪角度不合理。对于与坡口角度为50°～55° 的角接头，根据熔深要求和坡口角度空间位置限制等条件，确定了如下结论：

1）焊缝打底层应采用拉焊方式进行，焊接前进角度θ应保持在90°～95°，可获得较理想熔深，θ角度过大，电弧轴向力会部分分散，气体保护效果差。填充和盖面层应采用推焊的方式进行，可有效提高熔敷效率，获得符合规定的熔宽和余高，外观成形好。

2）焊接角度，即焊枪前进角度θ和焊枪与腹板的夹角θ2要在25°＜θ2＜35°，90°＜θ＜95°，角接头两侧熔深出现交汇区，熔深根部咬合和互熔良好，焊缝熔宽、熔深和余高较为理想，外观成形良好。

3）本文所研究的角接头的焊接方式和焊枪角度的合理范围结论，经试验证明效果良好，已进行大批量实际生产，为进一步的焊缝形成机理提高有益的实践参考价值。