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雙面埋弧焊直縫鋼管雙絲自動焊接技術

更新時間:2014-1-5 21:34:47 人氣:

 針對某產品結構特點設計和制造焊接工裝,擬定雙絲焊接工藝,并采用雙絲焊接工藝對該產品進行焊接,進一步摸索其焊接工藝特點,掌握焊接過程中對焊縫成形的影響,通過在線編程優化雙絲焊接工藝參數,形成規范性指導文獻。
0 引言
    雙絲自動焊接是近幾年發展起來的先進焊接技術[1],它除了具有半自動單絲焊接特點外,還具有能量集中、熔敷效率高等焊接特性。其主、副絲由單獨的普通焊接電源提供焊接電流,獨立可調,可實現焊接工藝參數的最佳優化配置,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,兩單獨電源靠焊接軟件共同協調作用,給主、副絲供電。同時熔化主、副絲,并向焊縫中過渡金屬,形成一個穩定的熔池,良好地保證了焊接接頭的強度。它不僅能采用常規的熔化極焊接電源實現焊接,而且設備成本降低,使焊接熱量高度集中,熔敷速度快,焊接效率高,焊后變形小,勞動強度低,有效地改善了焊縫組織性能,尤其對于高導熱材料的焊接,能量集中的效果更為突出。447廠于2004年從奧地利引進機器人雙絲焊接設備,經過一年多對試板進行雙絲焊接工藝試驗、焊接工裝設計與制造、在線編程的優化設計、對產品的試制焊接及焊后焊縫質量的無損檢測等一系列工作,已形成雙絲焊接整個過程保證體系,確保了每個過程焊接參數真實可靠,F雙絲焊接工藝已在447廠成功地應用于產品焊接的批生產中,取得了顯著效果,得到了用戶的高度評價。
1 焊接工作站主要技術數據和雙絲焊接設備及工藝特點
1.1 焊接工作站主要技術數據
   機械手臂6個軸,立柱3個軸,旋轉變位機2個軸,在焊接時,這11個軸可同步進行協調工作,保證機械手能夠達到各種位置,并實現最佳位置的焊接。機械手臂長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,旋轉變位機面板旋轉半徑為2.5 m,徑向工作范圍為4.6 m,重復定位精度為(±0.1)mm,回轉定位精度為0.02°,工作環境溫度在5~45℃。
1.2 雙絲焊接設備
    本課題主要采用了fronius公司Tps5000多功能數字化焊機,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,其雙絲焊系統由兩臺焊機、兩臺送絲機及一把焊槍等組成,可與自動化專機或焊接機器人配套使用。兩個送絲機均采用推拉式送絲,并通過兩根送絲管分別將兩根焊絲同時送進焊槍中兩個獨立的導電嘴,確保焊接過程送絲通暢,且焊絲在雙電弧中被熔化,形成一個熔池。圖1為雙絲焊系統的結構。
    兩臺焊機通過特殊的裝置進行通訊,保證兩個電弧之間互不干擾,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
1)高性能數字化脈沖焊機[2],100%暫載率時的焊接電流360 A。
2)6英寸LCD顯示,可進行在線和離線編程,連接PC機、打印機。
3)每根焊絲的規范參數根據不同質材和厚度可單獨設定。
4)每根焊絲的送絲速度可在0.5~22 m/min范圍內調節。
5)大大地提高熔敷效率和焊接速度。
6)在熔敷效率增加時,保持較低的熱輸入,焊接變形小。
7)采用硬弧電弧更穩定,采用軟弧電弧熔滴過渡受控、飛濺小,焊縫成形美觀。
2 產品結構特點及技術要求
2.1 產品結構特點
     該產品的材質屬于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構,側板與底板、側板與側板之間采用未焊透嵌入式接頭型式,頂板與側板之間采用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 技術要求
1)焊接接頭的抗拉強度σb≥240 MPa。2)前側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)焊縫經無損檢測,全部符合Q/PD 635—2004企業標準的要求。
3 產品自動焊接技術難點在機器人對該產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行尋位和自動跟蹤,且要求重復定位精度不超過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,必須嚴格控制產品零件的加工精度,設計出切實可行的裝配、焊接工裝來確保精度要求。通過分析,實現該產品機器人自動焊接需解決的關鍵技術難點是機器人對該產品所有焊縫的準確跟蹤;該產品裝配、焊接工裝的設計和制造以及保證在焊接變位機上重復定位精度;該產品焊接工藝的確定。
4 焊接工裝的設計與制造
4.1 裝配、焊接工裝的設計
1)設計裝配、焊接工裝的目的:保證產品裝配定位精度,保證在焊接過程中能順利實現產品的連續焊接和防止變形,有效控制產品的幾何尺寸。
2)裝配、焊接工裝的設計原則:根據產品結構和幾何尺寸精度要求來設計出合理的裝配、焊接工裝。在設計裝配、焊接工裝時,主要以產品底板定位,借助于產品各側板的角度和頂部變形下凹不高于2 mm等要求來進行設計。它分上、下兩環,兩環之間用槽鋼通過焊接進行連接,其最大直徑1 828 mm,高度300 mm。在上、下環上,依據產品側板不同角度(43°30′±15′,80°,60°,90°)設計了可移動并帶有不同角度的專用頂板,以保證各側板的角度;同時保證所設計的工裝應具有重量輕、強度高、精度高、靈活定位和便于拆卸和焊槍的可達性等功能,保證產品重復定位精度不超過3 mm。
3)裝配、焊接工裝設計時材料的選擇:產品由7A52鋁合金材質組焊而成,因此,在固定產品位置時,應盡量采用軟材料和接面較大的壓塊,已防止產品表面產生壓痕。
4.2 裝配、焊接工裝的制造
    根據已鑒定的裝配、焊接工裝圖紙對裝配、焊接工裝進行了制作,并通過試裝對其進行了局部修整和打磨,合格后進行了表面涂漆。
5產品雙絲焊接工藝
1)焊接設備及方法的選擇:焊接設備選擇froni?usTPS 5000型脈沖熔化極焊機。采用單絲(或雙絲)熔化極惰性氣體保護直流反接的焊接方法。
2)焊接材料的選擇:母材材質為7A52,焊接材料選擇E5356 1.2和1.6兩種規格的焊絲,氬氣純度為99.99%。
3)預熱方式的選擇:單絲焊接時采用焊前預熱,預熱方式可采用履帶式電加熱,預熱溫度在60~90℃,雙絲焊接時焊前不預熱。
4)焊接環境溫度:焊接環境溫度≥10℃。
5)產品裝配和預焊:在產品焊接前,離坡口兩側30 mm范圍內應用丙酮和機械方法清理油污及氧化膜,并利用制造好的裝配工裝進行裝配和預焊。預焊時采用半自動熔化極氣體保護焊進行焊接,其預焊焊縫長度50~80 mm,較長焊縫定位焊的間距在200~300 mm范圍較為合適,預焊時的焊接規范與正式焊接時一致。在正式焊接時,利用焊接工裝把產品固定在焊接變位機上,找正并檢驗裝配尺寸合格后方可焊接。
6)產品焊接順序的選擇:雙絲焊槍比單絲焊槍體積大,根據產品結構,為了保證焊槍的姿態和可達性以及實現連續焊接,確定先采用雙絲焊完成產品外部焊縫打底層的焊接,然后用單絲焊(采用局部預熱)完成產品內部所有焊縫的焊接,最后采用雙絲焊完成產品外部所有焊縫的焊接。
7)產品焊接工藝參數:通過對試件進行多次重復試驗,并對檢驗結果進行認真細致的討論和分析,把優化后的焊接工藝參數確定為該產品的焊接工藝參數,詳見表1。
6產品檢驗結果
1)焊接接頭的抗拉強度均達到了母材強度的60%以上,δ10≥7%,符合工廠Q/PD 635—2004規定的標準[3,4]。
2)經無損檢測,焊縫中仍存在微量的氣孔和夾渣。
3)通過對產品焊接后的外形尺寸進行檢驗,雙絲自動焊接比半自動焊接減少一半變形。
7 結果分析
    采用雙絲自動焊接,其最大的特點是熔敷速度快,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性能檢驗,雙絲的焊接接頭抗拉強度平均250~270 MPa之間,有的高達280 MPa,均達到了母材強度的60%以上;而單絲的焊接接頭抗拉強度雖然也達到了母材強度的60%以上,但其抗拉強度平均240~260 MPa之間,明顯比雙絲低一個檔次;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是鋁合金的強化元素,因而導致焊接接頭的抗拉強度比基材低;同時,Ai-Zn-Mg系超硬鋁合金具有較低的熔點,導熱性好,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,保護效果不佳,運絲方法不當,加之冷卻速度極快,導致產生了微量的氣孔、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點,所以焊接后的變形要比單絲小得多。8 結論
1)通過采用上述焊接工藝方法對該產品進行機器人自動焊接,并按企標Q/P D 635—2004的有關內容對焊接后的產品焊縫進行了外觀檢驗和X射線無損檢測。焊縫外觀成形美觀,并對產品對接焊縫進行X射線無損檢測,均符合企標Q/PD 635—2004的要求,焊接變形也控制在該產品圖紙規定的范圍內。
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、質量穩定和焊工勞動強度降低等優點,且該產品結構90%以上的焊縫實現了機器人自動焊接,生產效率顯著提高,更適應產品的批生產。
3)熟練掌握在線和離線編程,充分發揮支持軟件的特殊功能,定能適用不同結構的產品焊接,保證產品質量,對推廣和應用先進的工藝技術起到積極的作用。


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