韓偉， 李飛， 王沖， 潘林峰

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無(wú)錫分院，江蘇無(wú)錫214000）

0 引言

搖動(dòng)電弧窄間隙立向上MAG焊接是一種以活性氣體保護(hù)的大厚板熔化極電弧焊接技術(shù)，常常采用I型坡口，焊縫截面積小，熔敷金屬量少，焊接效率高。

在窄間隙立向上MAG焊接的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，亟待解決的難題是如何獲得良好的焊縫成形及足夠的側(cè)壁熔深。為了解決此問(wèn)題，已經(jīng)提出諸如旋轉(zhuǎn)電弧、麻花焊絲等技術(shù)[1-2]，雖能解決側(cè)壁熔深的問(wèn)題，但只能應(yīng)用于平位置焊接，對(duì)于立向上焊的焊縫成形卻無(wú)能為力。本研究采用的搖動(dòng)電弧焊接技術(shù)，不僅解決了側(cè)壁熔透問(wèn)題，還能獲得良好的焊縫成形。為了使焊炬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕盈，適用性強(qiáng)，采用了空心軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的焊接系統(tǒng)，并進(jìn)行了搖動(dòng)電弧窄間隙立向上MAG焊接試驗(yàn)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性以及搖動(dòng)工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。

1 搖動(dòng)電弧窄間隙焊接系統(tǒng)原理

搖動(dòng)電弧窄間隙焊接系統(tǒng)原理如圖1所示，該焊炬主要由空心軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)[6]、碳刷饋電動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)電桿、折彎導(dǎo)電桿、導(dǎo)電嘴等組成。

送絲機(jī)構(gòu)送出的實(shí)心焊絲，通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空心軸和折彎導(dǎo)電桿后，從導(dǎo)電嘴中送出。碳刷與焊接電纜相連，同時(shí)在壓緊彈簧的作用下，與導(dǎo)電桿上的法蘭臺(tái)面保持滑動(dòng)接觸，以實(shí)現(xiàn)焊接電纜無(wú)纏繞下的焊接饋電。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)折彎導(dǎo)電桿和導(dǎo)電嘴有規(guī)律的搖動(dòng)，隨后帶動(dòng)焊絲端部的電弧搖動(dòng)（如圖1（b）所示），當(dāng)電弧搖動(dòng)到坡口兩側(cè)壁時(shí)停留一定的時(shí)間以增強(qiáng)電弧對(duì)側(cè)壁的熱輸入，從而增加側(cè)壁熔深。搖動(dòng)頻率可以在0～1 Hz范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，搖動(dòng)幅值的大小可以通過(guò)改變搖動(dòng)角度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足不同情況下的焊接需要。

2 焊接系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊炬制作

2.1 焊接饋電方法及機(jī)構(gòu)

圖1 搖動(dòng)電弧窄間隙焊接原理

本研究所設(shè)計(jì)的焊接饋電動(dòng)機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。碳刷罩固定在軸承座上，碳刷在壓緊彈簧作用下與導(dǎo)電桿上的法蘭臺(tái)面保持滑動(dòng)接觸，并形成緊密導(dǎo)電配合，固聯(lián)在碳刷上的連接電纜通過(guò)聯(lián)接件與焊接電纜形成導(dǎo)電聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)焊接饋電[5]。

導(dǎo)電桿的上端穿過(guò)碳刷、壓緊彈簧、碳刷罩，通過(guò)聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)的空心軸相聯(lián)，下端通過(guò)軸承支撐在軸承座上，并穿過(guò)噴嘴機(jī)構(gòu)；折彎導(dǎo)電桿的下端連接導(dǎo)電嘴，焊絲穿過(guò)導(dǎo)電嘴的中心孔形成導(dǎo)電緊密動(dòng)配合[6]。

2.2 氣體保護(hù)方法及系統(tǒng)

在大厚板窄間隙焊時(shí)，為了對(duì)焊接電弧區(qū)域?qū)嵤┯行ПＷo(hù)，需要將噴嘴伸入到窄間隙坡口內(nèi)部，而當(dāng)電弧接近工件表面時(shí)，往往需要使用外置式噴嘴，形成外層氣體保護(hù)。因此，窄間隙焊接的氣體保護(hù)方式不同于一般的氣體保護(hù)焊工藝。

本研究采用專(zhuān)利的氣體保護(hù)方法及裝置[7]，采用伸入式扁形噴嘴機(jī)構(gòu)和外置式套筒形噴嘴機(jī)構(gòu)，集成在一體從而形成一套復(fù)合型供氣系統(tǒng)。伸入式扁形噴嘴機(jī)構(gòu)用于對(duì)坡口內(nèi)部深處焊縫的保護(hù)，當(dāng)導(dǎo)電嘴端部露出坡口后采用外置式圓形噴嘴供氣，以便于觀察焊接電弧，同時(shí)為上層幾道焊縫提供有效保護(hù)。為了給坡口深處的焊接區(qū)域提供有效保護(hù)，兩個(gè)伸入式扁形噴嘴對(duì)稱(chēng)地分布在電弧的兩側(cè)，保護(hù)氣體以一定角度從電弧的前后兩個(gè)方向同時(shí)導(dǎo)入，以使電弧能穩(wěn)定燃燒。

圖2 焊接饋電機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 折彎導(dǎo)電桿

為了使電弧能有效地指向坡口兩側(cè)壁，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種帶一定折彎角度的導(dǎo)電桿，使得電弧在側(cè)壁停留時(shí)間內(nèi)能有效地指向坡口側(cè)壁來(lái)獲得足夠的側(cè)壁熔深。通過(guò)理論計(jì)算可知，在坡口寬度為16 mm的情況下，為保證導(dǎo)電嘴的極限搖動(dòng)位置與側(cè)壁有一定的距離，導(dǎo)電桿折彎角度、導(dǎo)電嘴長(zhǎng)度以及搖動(dòng)角度均需按照要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)際焊接經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)電嘴的極限搖動(dòng)位置與焊縫側(cè)壁要有2 mm左右的間隙，以防止導(dǎo)電嘴與坡口側(cè)壁放電；焊絲的搖動(dòng)半徑則要盡量大，使其能夠指著焊縫側(cè)壁進(jìn)行焊接。通過(guò)CAD精確測(cè)繪，導(dǎo)電桿的最佳折彎角度為8°。在立向上焊接時(shí)，導(dǎo)電嘴長(zhǎng)度為20 mm。設(shè)計(jì)示意圖及實(shí)物分別如圖3和圖4所示。

圖3 折彎導(dǎo)電桿示意圖

圖4 折彎導(dǎo)電桿外形

導(dǎo)電桿搖動(dòng)角度的大小關(guān)系到電弧的搖動(dòng)幅值以及導(dǎo)電嘴與坡口側(cè)壁之間間隙的大小。在折彎角度和導(dǎo)電嘴長(zhǎng)度已知的情況下，根據(jù)導(dǎo)電嘴的左右極限位置以及電弧的搖動(dòng)半徑兩個(gè)條件，可以計(jì)算出最佳的搖動(dòng)角度。電弧在坡口內(nèi)的搖動(dòng)示意圖如圖5所示。

從圖5可以看出：導(dǎo)電嘴的左右極限位置與坡口兩側(cè)壁有一定的距離，而電弧的左右極限位置接近焊縫的兩個(gè)側(cè)壁，在后面進(jìn)行的焊接試驗(yàn)中，導(dǎo)電嘴不會(huì)與側(cè)壁發(fā)生放電現(xiàn)象，折彎導(dǎo)電桿的設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足搖動(dòng)電弧窄間隙焊接的要求。

圖5 立向上焊時(shí)坡口內(nèi)電弧搖動(dòng)示意圖

2.4 焊炬制作

基于上述原理及方法所設(shè)計(jì)的各部分機(jī)構(gòu)，裝配在一個(gè)鋁合金支撐板上，形成一個(gè)整體，研制的搖動(dòng)電弧窄間隙焊炬實(shí)物照片如圖6所示。工程應(yīng)用時(shí)，焊炬可以安裝在一個(gè)十字調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，也可以連同微型十字滑架整體安裝在焊接小車(chē)上。

折彎導(dǎo)電桿的直徑和長(zhǎng)度要根據(jù)坡口的實(shí)際寬度與板厚來(lái)選擇，理論上這種搖動(dòng)電弧焊炬可焊板厚沒(méi)有上限。導(dǎo)電桿的折彎角度以及搖動(dòng)角度是根據(jù)坡口間隙大小來(lái)選擇的。一般來(lái)說(shuō)，坡口間隙較大時(shí)，可以設(shè)定一個(gè)較大的搖動(dòng)角度來(lái)達(dá)到要求，例如坡口間隙為16 mm時(shí)，搖動(dòng)角度為120°。

圖6 搖動(dòng)電弧窄間隙焊炬外形

3 焊接試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊接條件立

向上焊接時(shí)，焊接電流I=150 A，電弧電壓U=20 V，焊接速度Vw=7.8 cm/min，搖動(dòng)幅值W=16.7 mm；搖動(dòng)角度θ=120°。試件材質(zhì)為低碳鋼，由三塊鋼板點(diǎn)焊拼裝而成，底部坡口間隙為16 mm；單邊坡口角度為1°，搖動(dòng)頻率為0.588、0.69、0.755 Hz（對(duì)應(yīng)步進(jìn)脈沖頻率F分別為800、1600、2400 Hz），側(cè)壁停留時(shí)間tc分別為400、600、800 ms；為了增加搖動(dòng)幅值，加大了搖動(dòng)半徑，從而設(shè)定導(dǎo)電嘴至坡口底部的垂直距離為25 mm；保護(hù)氣體采用80%Ar和20%CO2的混合氣體。為了更好地表示焊縫的形狀特性，定義了四個(gè)焊縫形狀參數(shù)，如圖7所示。定義H（mm）為焊縫厚度；h（mm）為焊縫表面彎曲程度，當(dāng)h＞0時(shí)，焊縫為凸出，h＜0時(shí)，焊縫為下凹；P1（mm）為焊縫的左側(cè)壁熔深，P2（mm）為焊縫的右側(cè)壁熔深。

圖7 焊縫形狀參數(shù)

3.2 步進(jìn)脈沖頻率對(duì)焊縫成型的影響

圖8所示為不同步進(jìn)脈沖頻率800、1600、2400 Hz條件下焊接接頭截面的宏觀照片。圖9所示為相應(yīng)的兩側(cè)壁熔深及焊縫厚度和表面彎曲的變化情況，從圖中可知，步進(jìn)脈沖頻率的變化對(duì)兩側(cè)壁熔深的影響不大。隨著步進(jìn)脈沖頻率的增加，焊縫由凸出變?yōu)橄掳?，焊縫厚度也隨之減小。這是因?yàn)椴竭M(jìn)脈沖頻率的高低表征了電弧在坡口中搖動(dòng)速度的快慢，步進(jìn)脈沖頻率越高，在相同的時(shí)間內(nèi)，電弧對(duì)坡口的加熱時(shí)間就越短，焊縫得到的電弧熱就越少，導(dǎo)致了焊縫厚度隨著步進(jìn)脈沖頻率的增加而減小。

圖8 步進(jìn)脈沖頻率的影響

圖9 步進(jìn)脈沖頻率對(duì)側(cè)壁熔深及焊縫厚度和表面彎曲的影響的影響

3.3 側(cè)壁停留時(shí)間對(duì)焊縫成型的影響

圖10所示為不同側(cè)壁停留時(shí)間（400、600、800 ms）條件下焊接接頭截面的宏觀照片。如圖11所示，隨著電弧在側(cè)壁停留時(shí)間的增加，電弧對(duì)兩側(cè)壁的加熱時(shí)間變長(zhǎng)，側(cè)壁熔深加大（兩側(cè)壁熔深的平均值）。

由于電弧熱對(duì)兩側(cè)壁的加熱情況不同，因此在兩側(cè)壁上形成不同的熔深。當(dāng)電弧搖動(dòng)到坡口一側(cè)進(jìn)行焊接時(shí)，電弧只指向焊縫一側(cè)，此時(shí)焊接小車(chē)仍在向上行走，此時(shí)焊縫的另一側(cè)沒(méi)有得到相同條件的電弧熱，所以?xún)蓚?cè)壁的熔深在同一截面上來(lái)看是不相等的。如圖11所示，隨著側(cè)壁停留時(shí)間的增加，焊縫兩側(cè)熔深的不對(duì)稱(chēng)度也隨著增加，這是因?yàn)楫?dāng)電弧停留在焊縫一側(cè)加熱時(shí)，另一側(cè)主要是依靠熔池金屬熱傳導(dǎo)來(lái)熔化母材，然而，隨著側(cè)壁停留時(shí)間的增加，焊接小車(chē)行走的距離會(huì)加大，這樣熔池金屬的熱傳導(dǎo)作用將變?nèi)?，兩?cè)所得到的熱量變得更加懸殊，側(cè)壁熔深之差隨之增大。

由圖10和圖11可看出，隨著側(cè)壁停留時(shí)間的增加，焊縫由下凹變?yōu)橥钩?。因?yàn)殡S著側(cè)壁停留時(shí)間的增加，電弧對(duì)兩側(cè)壁的加熱時(shí)間增加，熔池也會(huì)相應(yīng)地變大，從而造成熔池下淌的現(xiàn)象，焊縫厚度也隨著增大。

圖10 側(cè)壁停留時(shí)間對(duì)焊縫的影響

圖11 側(cè)壁停留時(shí)間對(duì)側(cè)壁熔深及焊縫厚度和表面彎曲的影響

3.4 多層焊接試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，我們選擇側(cè)壁停留時(shí)間600 ms，步進(jìn)脈沖頻率為1600 Hz的情況下，對(duì)厚度為35 mm的坡口進(jìn)行窄間隙多層焊接試驗(yàn)。搖動(dòng)電弧窄間隙立向上焊和平位置焊接頭宏觀如圖12所示。從照片上可以看出，采用搖動(dòng)電弧窄間隙工藝焊接的兩個(gè)接頭成型良好，未見(jiàn)未焊透、氣孔、夾渣等宏觀缺陷，在坡口的兩側(cè)壁均形成了良好的熔深。

圖12 焊接接頭宏觀照片

4 結(jié) 論

1）該焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了搖動(dòng)電弧窄間隙MAG焊接工藝的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，這種以空心軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，實(shí)用性強(qiáng)，使用方便，能滿(mǎn)足搖動(dòng)電弧窄間隙MAG立向上焊接的要求。2）電弧電壓在22 V時(shí)焊縫成形良好；側(cè)壁停留時(shí)間的增加同樣增大了側(cè)壁熔透，并且焊縫側(cè)壁熔深的不對(duì)稱(chēng)度也在增加；隨著步進(jìn)脈沖頻率的增加，焊縫由凸出變?yōu)橄掳?，焊縫厚度也隨之減小，但對(duì)側(cè)壁熔深的影響不明顯。3）進(jìn)行多層焊試驗(yàn)時(shí)，焊縫成形良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能應(yīng)用于厚板窄間隙立向上焊接。