王子然,楊永波,劉福海,付傲
機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所(150028)
摘要：在船舶、核電、汽車制造、壓力容器、重型機(jī)械等行業(yè)中，大型結(jié)構(gòu)件由于變位困難、成本高，不可避免的要采用立焊技術(shù)。同時，由于較大的焊接工作量，傳統(tǒng)手工焊接已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)中對效率的要求，因而迫切需要能夠滿足質(zhì)量需求同時達(dá)到效率要求的高效立焊技術(shù)。
關(guān)鍵詞：立焊；質(zhì)量；高效
立向焊接是在垂直位置自下向上或自上向下施焊的焊接方式。前者稱立向上焊或簡稱立焊，后者稱立向下焊[1]。以往焊接工藝方法多采用平焊、船型焊接位置，效率高，質(zhì)量好，技術(shù)成熟。但是各種大型結(jié)構(gòu)件由于變位困難， 無法在平、船型位置進(jìn)行焊接，因而采取立向位置焊接勢在必行。同時，由于較大焊接工作量，如何提高立焊效率一直是研究熱點(diǎn)。
以往立向焊接大多采用焊條電弧焊，但焊條電弧立向焊接效率低下，操作難度大，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。近年來，隨著電氣和自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多高效自動化立向焊接方法，使立向焊接工藝不斷發(fā)展，焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有了顯著提高。
1.1 立向焊接特點(diǎn)
立向焊接時由于熔化金屬受重力的作用容易下淌，使焊縫成形困難。因而立向焊接時，如何克服熔池金屬重力，是焊接工作者考慮的主要問題。手工立焊過程中熔渣流動性強(qiáng)，熔渣易與熔池金屬發(fā)生分離，因而立焊接接頭熔渣少。
1.2 高效立向焊接工藝原理
高效立向焊接工藝原理主要由以下兩種：一種是利用附加的外部冷卻裝置加速熔池中熔融金屬冷卻，強(qiáng)迫其在流走之間凝固，進(jìn)而也起到阻止后續(xù)熔體流動的作用，即所謂強(qiáng)迫成形立向焊接。另一種是利用電弧吹力來維持熔池金屬，避免其在凝固之前下淌，即所謂的自由成形立向焊接。
2.1 強(qiáng)迫成形立焊技術(shù)
2.1.1 電渣焊
電渣焊是20世紀(jì)50年代初，由烏克蘭巴頓焊接研究所發(fā)明一種應(yīng)用于立焊位置的焊接工藝方法，利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接。焊接開始以后就必須連續(xù)焊接到結(jié)束，中間不能停頓。焊縫的凝固自下而上，在凝固的焊縫金屬上面總有熔化金屬，熔化金屬始終有高溫熔渣覆蓋。電渣焊沒有電弧，焊接過程平穩(wěn)無飛濺，具有很高的熔敷率，可以一次焊接很厚的工件，一般常焊板厚約為30～500 mm。其次工件不需開坡口，只要兩工件之間有一定裝配間隙即可，可以節(jié)省大量填充金屬和加工時間。再次由于處在立焊位置，金屬熔池上始終存在著一定體積的高溫渣池，使熔池中的氣體和雜質(zhì)較容易析出，因而電渣焊不易產(chǎn)生氣孔和夾渣等缺陷。最后由于焊接速度緩慢，其熱源的熱量集中程度遠(yuǎn)比電弧焊小，所以使近縫區(qū)加熱和冷卻速度緩慢，這對于焊接易淬火的鋼種，減少了熱影響區(qū)產(chǎn)生淬火裂紋的可能性，焊接中碳鋼和低合金鋼均可不預(yù)熱。但是，電渣焊焊接接頭在高溫停留時間長，易引起晶粒粗大，產(chǎn)生過熱組織，造成焊接接頭沖擊韌性降低。焊后需要熱處理。
2.1.2 氣電立焊
氣電立焊是在上世紀(jì)八十年代由熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊為基礎(chǔ)發(fā)展而來的一種熔化極氣體保護(hù)電弧立向焊接方法。該技術(shù)生產(chǎn)率高、成本低，質(zhì)量穩(wěn)定，與電渣焊的主要區(qū)別在于熔化金屬的熱量是電弧熱而不是熔渣的電阻熱。該技術(shù)目前多應(yīng)用于石油化工、造船、電力等行業(yè)的大型儲罐安裝、船舶制造、容器制造等縱向焊縫自動化焊接。氣電立焊采用CO2 或Ar+CO2做保護(hù)，焊絲可以選用實(shí)芯或藥芯焊絲，對于較厚的低碳鋼、中碳鋼或奧氏體不銹鋼等都具有良好的焊接性，板厚在12～80 mm最適宜。氣電立焊工藝過程穩(wěn)定、操作簡單、焊縫質(zhì)量優(yōu)良、生產(chǎn)效率比手工電弧焊高10倍以上，先已具備單絲和雙絲兩種送絲方式，如圖1所示。但是氣電立焊的主要問題仍然存在熱輸入過大，焊縫晶粒粗大。
圖1 氣電立焊原理圖
2.1.3 自動CO2氣體保護(hù)強(qiáng)迫成形立焊
自動氣體保護(hù)強(qiáng)迫成形立是20世紀(jì)80年代初由日本神鋼研究所首先提出，也稱SEGARC,如圖2所示。它采用熔化極氣體保護(hù)焊，利用自動的上升系統(tǒng)帶動焊槍豎直運(yùn)動，以純CO2氣體進(jìn)行保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)單面焊雙面成形。與傳統(tǒng)的氣體保護(hù)焊相比，具有焊速快、熔深大、缺陷少和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。該方法根據(jù)水冷形式不同分為單面水冷強(qiáng)迫成形與雙面水冷強(qiáng)迫成形。單面水冷由于焊縫兩邊冷卻條件不同會造成焊縫結(jié)晶不均勻，導(dǎo)致力學(xué)性能出現(xiàn)明顯差異；雙面水冷強(qiáng)迫成形可以克服上述缺點(diǎn)，但是依舊存在焊縫排氣和渣時間較短的問題，容易出現(xiàn)氣孔、夾渣及冷裂紋等缺陷。并且由于焊接熱輸入較大，容易使熱影響區(qū)晶粒粗化，焊接接頭沖擊韌性降低。
圖2 自動CO2 氣體保護(hù)強(qiáng)迫成形立焊
2.2 自由成形技術(shù)
強(qiáng)迫成形自動化立焊技術(shù)都需要附加水冷裝置強(qiáng)迫焊縫成形。這種原理下的立焊技術(shù)雖然效率相對較高，但是焊接設(shè)備復(fù)雜，不利于推廣。此外，強(qiáng)迫成形原理自動化焊接技術(shù)目前主要應(yīng)用于垂直立向位置焊接，對立向曲線焊縫很難適用。自由成形技術(shù)對此有良好的適用性。
2.2.1 GMAW自由成形立焊
目前，應(yīng)用最多的自由成形立焊技術(shù)是GMAW自由成形立焊工藝。相比強(qiáng)迫成形立焊方法，GMAW工藝主要具有以下兩個問題：一是電弧難以對側(cè)壁加熱而出現(xiàn)工件側(cè)壁未熔合現(xiàn)象，二是熔池金屬受到表面張力作用向焊縫中間匯聚，造成焊縫中鼓現(xiàn)象。三是熔池金屬受到重力作用向下流淌，造成焊縫成形困難。四是間隙搭接能力不好。針對上述問題，擺動電弧、旋轉(zhuǎn)電弧和雙絲方法相繼被提出。目前應(yīng)用較多的是擺動電弧式GMAW。擺動電弧可以改善側(cè)壁熔合問題，同時承托整體熔池不致下淌，引導(dǎo)熔融金屬填充間隙，使上述問題得到有效改善。除此之外，還有脈沖熔化極氣體保護(hù)立向焊。脈沖熔化極氣體保護(hù)立向焊的脈沖加熱和熔滴過渡是間隙可控的，可在平均電流小于臨界電流的情況下實(shí)現(xiàn)射流過渡，其工作電流范圍涵蓋短路過渡到射流過渡的所有區(qū)域，適用于不同板厚工件的焊接，減少了焊接熱輸入。另外，采用脈沖電流后，平均電流降低且熔滴沿著電弧軸線過渡，不易發(fā)生熔池金屬的流淌；同時脈沖電弧還具有促進(jìn)熔池攪拌的作用，能夠細(xì)化焊縫晶粒，改善接頭的力學(xué)性能。目前脈沖熔化極氣保焊主要應(yīng)用于窄間隙垂直立向焊接，對于厚板采用開坡口的多道多層焊，質(zhì)量好、效率高。
2.2.2 變極性等離子弧焊
變極性等離子弧焊(圖3)是一種針對鋁及其合金開發(fā)的新型高效立焊技術(shù)[8-9]，它綜合了變極性TIG焊和等離子弧焊的優(yōu)點(diǎn)。首先，它通過改變電流頻率、電流幅值及正負(fù)半波導(dǎo)通時間比例，合理分配電弧熱量，在滿足工件熔化和自動去除工件表面氧化膜的同時，最大限度地降低鎢極燒損；其次是在焊接過程中，正極性電流幅值、反極性電流幅值、一個周期內(nèi)正反極性電流持續(xù)時間的比例可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，既有利于焊縫熔透，又有利于清理鋁合金氧化膜。再次，等離子束流高能量密度、高射流速度、強(qiáng)電弧特性，在焊接過程中形成穿孔熔池，實(shí)現(xiàn)鋁合金中厚板單面焊雙面成形，單道焊接鋁合金厚度可達(dá)到 25.4 mm。最后等離子弧能量密度集中，熔化區(qū)域小，小孔型焊接對工件正、反面加熱均勻，減少了焊后工件的撓曲變形，與 TIG 焊相比工件的撓曲變形明顯減少，焊縫力學(xué)性能有所提高，在刮掉根部焊縫和加厚高的條件下，小孔型等離子弧焊焊縫的屈服強(qiáng)度要高于 TIG 焊焊縫的屈服強(qiáng)度。等離子弧焊質(zhì)量好，焊接接頭缺陷少。美國在 20 世紀(jì) 60 年代就開始進(jìn)行變極性等離子焊接設(shè)備的研制工作，80 年代中后期，美國已將VPPA 焊接技術(shù)成功應(yīng)用于運(yùn)載火箭及航天飛機(jī)的貯箱焊接中。國內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)較早開始了對 VPPAW 焊接設(shè)備的研制，VPPA-300 已經(jīng)成功應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。但是鋁合金 VPPAW 焊接工藝也存在著不足，主要是焊接可變參數(shù)多、規(guī)范區(qū)間窄；焊槍對焊接質(zhì)量影響較大、噴嘴壽命短。
圖3 VPPA變極性等離子立焊原理圖
2.2.3 激光立焊
無獨(dú)有偶，激光立焊[2]也是一種針對鋁及其合金的工藝方法。激光焊是一種利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光的放大而產(chǎn)生的單色、方向性聚焦后形成的高能束為熱源，熔化并連接工件的一種焊接方法。激光焊能量密度高、同等熱輸入時熔深大、熱影響區(qū)窄、焊接變形小、焊接速度快。對于鋁及其合金，由于其粘度低、表面張力系數(shù)小,在重力、吹氣流量、表面張力和工件未熔部分對熔體部分的擠流量以及鋁合金的凝固收縮作用，以及激光焊本身可能出現(xiàn)的問題如氣孔、裂紋、等離子體屏蔽嚴(yán)重，因而出現(xiàn)了針對鋁合金的激光立焊方法。鋁合金激光立焊焊縫的正面下凹量和背面下塌量均小于平焊。同時，相同條件下，立焊時的等離子體相對穩(wěn)定，氣孔數(shù)量略低于平焊位置。
高效立焊技術(shù)目前主要應(yīng)用于石油化工、造船、電力等行業(yè)的大型儲罐安裝、船舶制造、容器制造等縱向焊縫自動化焊接當(dāng)中。對于中厚板或大厚板對接、T型角、V型坡口或窄間隙等大型結(jié)構(gòu)件的實(shí)際焊接中，自動化立向焊接技術(shù)克服了傳統(tǒng)手工立焊效率低的問題并提高了焊接質(zhì)量。隨著焊接機(jī)器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)將工業(yè)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于立向焊接中。應(yīng)用于立焊中的機(jī)器人技術(shù)主要有兩種，一種是爬行式機(jī)器人，一種是工業(yè)六軸機(jī)器人。
3.1 爬行式機(jī)器人立焊應(yīng)用
爬行式立焊機(jī)器人[10]由焊接小車、焊接控制系統(tǒng)及焊接設(shè)備構(gòu)成。它分為軌道式和無軌式，軌道式機(jī)器人需預(yù)先拆裝軌道，工作量大，安裝要求較高，在某些復(fù)雜曲面空間和狹小空間內(nèi)無法安裝軌道，應(yīng)用受限。無軌道機(jī)器人依靠行走機(jī)構(gòu)與焊縫自動跟蹤系統(tǒng)聯(lián)合控制，在大型工件表面并沿著焊縫實(shí)現(xiàn)自動化焊接。
3.2 工業(yè)六軸機(jī)器人立焊技術(shù)
爬行機(jī)器人多應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)件的現(xiàn)場焊接，六軸焊接機(jī)器人多應(yīng)用于生產(chǎn)車間或?qū)嶒?yàn)室的機(jī)器人工作站或生產(chǎn)線上。六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高質(zhì)、高性好，它可以針對不同材料、幾何外形的工件制定相應(yīng)的工藝流程和焊接軌跡，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，相比于傳統(tǒng)的焊接專機(jī)，效率和柔性都大幅提升。對于中厚板立向角焊縫或大厚板開坡口多層多道立焊的情況，熔池金屬受重力作用有下淌趨勢，間接導(dǎo)致側(cè)壁處熔合不良。針對此問題，相繼有擺動電弧、旋轉(zhuǎn)電弧、雙絲等方法提出。在機(jī)器人立焊領(lǐng)域應(yīng)用較多的是機(jī)器人擺動電弧技術(shù)。機(jī)器人擺動技術(shù)柔性度好，可以針對不同的工況設(shè)置不同的擺動條件，有效的解決了立焊當(dāng)中容易出現(xiàn)的側(cè)壁熔合問題。其次擺動技術(shù)是機(jī)器人電弧傳感技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，在擺動焊接過程中，電弧傳感系統(tǒng)實(shí)時采集電流偏差信號，補(bǔ)償位置誤差，保證焊縫對中性，提高焊接質(zhì)量。將機(jī)器人代替人應(yīng)用于對于某些環(huán)境惡劣、噪聲、輻射、煙塵等污染嚴(yán)重或者具有較高危險性的勞動環(huán)境，不僅在很大程度降低了勞動強(qiáng)度，減少危險程度，同時在保證生產(chǎn)質(zhì)量的同時滿足了生產(chǎn)效率。
3.3 高效立焊目前存在的問題
工業(yè)機(jī)械手作為焊接執(zhí)行結(jié)構(gòu)的引入一定程度上提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但是由于立焊熔池把控存在難度，自由成形下的自動化立焊依然容易造成咬邊等缺陷。此外，實(shí)際生產(chǎn)工件組裝由于機(jī)加誤差、材料幾何外形誤差等實(shí)際因素往往造成組裝間隙，間隙的出現(xiàn)對于高效立焊是一個難題。由于立焊焊接過程本身不如平焊位置穩(wěn)定，加之間隙的出現(xiàn)索要考慮的電弧穩(wěn)定性和間隙搭接問題無疑都增加了焊接難度。另外，立焊以其條件的限制，對速度的提高也具有一定難度。速度過快，勢必要焊縫中央搭接不良、咬邊、以及焊縫中鼓等缺陷。
分別闡釋了在強(qiáng)迫成形原理和自由成形原理下的高效立焊工藝方法及其特點(diǎn)和適用性，對于無法變位的某些大型結(jié)構(gòu)件，不可避免的要采用立焊技術(shù)。最后介紹了立焊技術(shù)的應(yīng)用情況，以及爬行式立焊機(jī)器人和六軸焊接機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)和現(xiàn)狀。
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王子然簡介： 1990年出生，研究生碩士，現(xiàn)從事機(jī)器人焊接工藝研究工作。
Research status of high efficient vertical welding
Wang Ziran,Yang Yongbo,Liu Fuhai,Fu Ao
(Mechanical Institute of Science and Technology， Harbin Welding Institute， Harbin 150028,China)
Abstract：It is inevitable to use vertical-weld cause of difficult displacement of the work which have large structures, in industries such as shipbuilding,nuclear power,automobile manufacturing,pressure vessel,heavy machinery and so on. Meanwhile,traditional manual weld can not meet the efficiency needed in the actual production ,since the heavy welding work.Therefore,the highly efficient vertical-weld has become an urgent need that can reach the requirements of quality and efficiency at the same time.
Key words：vertical-weld;quality;high efficiency
中圖分類號：TG444
收稿日期：2016-02-17
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