双面埋弧焊直缝钢管双丝自动焊接技术

 针对某产品结构特点设计和制造焊接工装，拟定双丝焊接工艺，并采用双丝焊接工艺对该产品进行焊接，进一步摸索其焊接工艺特点，掌握焊接过程中对焊缝成形的影响，通过在线编程优化双丝焊接工艺参数，形成规范性指导文献。
0 引言
    双丝自动焊接是近几年发展起来的先进焊接技术[1]，它除了具有半自动单丝焊接特点外，还具有能量集中、熔敷效率高等焊接特性。其主、副丝由单独的普通焊接电源提供焊接电流，独立可调，可实现焊接工艺参数的 佳优化配置，两丝之间始终保持一定的间距和一定的焊接角度，有效地控制了双弧之间的电磁干扰，具有良好的静、动特性，两单独电源靠焊接软件共同协调作用，给主、副丝供电。同时熔化主、副丝，并向焊缝中过渡金属，形成一个稳定的熔池，良好地保证了焊接接头的强度。它不仅能采用常规的熔化极焊接电源实现焊接，而且设备成本降低，使焊接热量高度集中，熔敷速度快，焊接效率高，焊后变形小，劳动强度低，有效地改善了焊缝组织性能，尤其对于高导热材料的焊接，能量集中的效果更为突出。447厂于2004年从奥地利引进机器人双丝焊接设备，经过一年多对试板进行双丝焊接工艺试验、焊接工装设计与制造、在线编程的优化设计、对产品的试制焊接及焊后焊缝质量的无损检测等一系列工作，已形成双丝焊接整个过程保证体系，确保了每个过程焊接参数真实可靠。现双丝焊接工艺已在447厂成功地应用于产品焊接的批生产中，取得了显著效果，得到了用户的高度评价。
1 焊接工作站主要技术数据和双丝焊接设备及工艺特点
1.1 焊接工作站主要技术数据
   机械手臂6个轴，立柱3个轴，旋转变位机2个轴，在焊接时，这11个轴可同步进行协调工作，保证机械手能够达到各种位置，并实现 佳位置的焊接。机械手臂长1.6 m，立柱在地面行程为16 m，立柱上配备3 m长的悬臂，其悬臂的升降距离为3.5 m，旋转变位机面板旋转半径为2.5 m，径向工作范围为4.6 m，重复定位精度为（±0.1）mm，回转定位精度为0.02°，工作环境温度在5~45℃。
1.2 双丝焊接设备
    本课题主要采用了fronius公司Tps5000多功能数字化焊机，兼有陡降/缓降输出外特性，焊接电流在3~500 A，焊接电压在10~40 V，其双丝焊系统由两台焊机、两台送丝机及一把焊枪等组成，可与自动化专机或焊接机器人配套使用。两个送丝机均采用推拉式送丝，并通过两根送丝管分别将两根焊丝同时送进焊枪中两个独立的导电嘴，确保焊接过程送丝通畅，且焊丝在双电弧中被熔化，形成一个熔池。图1为双丝焊系统的结构。
    两台焊机通过特殊的装置进行通讯，保证两个电弧之间互不干扰，两根焊丝可采用不同脉冲频率组合的脉冲电弧进行焊接。如同频率同相位的，相位差为180°，不同频率任意相位的，见图2。
1.3 双丝焊接的工艺特点
1）高性能数字化脉冲焊机[2]，100%暂载率时的焊接电流360 A。
2）6英寸LCD显示，可进行在线和离线编程，连接PC机、打印机。
3）每根焊丝的规范参数根据不同质材和厚度可单独设定。
4）每根焊丝的送丝速度可在0.5~22 m/min范围内调节。
5）大大地提高熔敷效率和焊接速度。
6）在熔敷效率增加时，保持较低的热输入，焊接变形小。
7）采用硬弧电弧更稳定，采用软弧电弧熔滴过渡受控、飞溅小，焊缝成形美观。
2 产品结构特点及技术要求
2.1 产品结构特点
     该产品的材质属于Ai－Zn－Mg系超硬铝合金，基材σb≥410 MPa，δ10≥7%。它由δ18、δ40、δ60的不同厚度铝合金板拼焊成多面体框架结构，侧板与底板、侧板与侧板之间采用未焊透嵌入式接头型式，顶板与侧板之间采用V型对接接头型式，顶板与顶板之间采用X型对接接头型式，见图3。
2.2 技术要求
1）焊接接头的抗拉强度σb≥240 MPa。2）前侧板与底板在焊接后保证43°30′±15′。3）顶板与顶板焊接后保证下凹≤2 mm，底板上翘≤5 mm。4）焊缝经无损检测，全部符合Q/PD 635—2004企业标准的要求。
3 产品自动焊接技术难点在机器人对该产品所有焊缝的跟踪过程中，它主要靠接触传感器、电弧跟踪传感器以及激光跟踪传感器对焊缝进行寻位和自动跟踪，且要求重复定位精度不超过3 mm，超出此范围编程就有可能失真，还需重新在线编程，因此，必须严格控制产品零件的加工精度，设计出切实可行的装配、焊接工装来确保精度要求。通过分析，实现该产品机器人自动焊接需解决的关键技术难点是机器人对该产品所有焊缝的准确跟踪；该产品装配、焊接工装的设计和制造以及保证在焊接变位机上重复定位精度；该产品焊接工艺的确定。
4 焊接工装的设计与制造
4.1 装配、焊接工装的设计
1）设计装配、焊接工装的目的：保证产品装配定位精度，保证在焊接过程中能顺利实现产品的连续焊接和防止变形，有效控制产品的几何尺寸。
2）装配、焊接工装的设计原则：根据产品结构和几何尺寸精度要求来设计出合理的装配、焊接工装。在设计装配、焊接工装时，主要以产品底板定位，借助于产品各侧板的角度和顶部变形下凹不高于2 mm等要求来进行设计。它分上、下两环，两环之间用槽钢通过焊接进行连接，其 大直径1 828 mm，高度300 mm。在上、下环上，依据产品侧板不同角度（43°30′±15′，80°，60°，90°）设计了可移动并带有不同角度的专用顶板，以保证各侧板的角度；同时保证所设计的工装应具有重量轻、强度高、精度高、灵活定位和便于拆卸和焊枪的可达性等功能，保证产品重复定位精度不超过3 mm。
3）装配、焊接工装设计时材料的选择：产品由7A52铝合金材质组焊而成，因此，在固定产品位置时，应尽量采用软材料和接面较大的压块，已防止产品表面产生压痕。
4.2 装配、焊接工装的制造
    根据已鉴定的装配、焊接工装图纸对装配、焊接工装进行了制作，并通过试装对其进行了局部修整和打磨，合格后进行了表面涂漆。
5产品双丝焊接工艺
1）焊接设备及方法的选择：焊接设备选择froni?usTPS 5000型脉冲熔化极焊机。采用单丝（或双丝）熔化极惰性气体保护直流反接的焊接方法。
2）焊接材料的选择：母材材质为7A52，焊接材料选择E5356 1.2和1.6两种规格的焊丝，氩气纯度为99.99%。
3）预热方式的选择：单丝焊接时采用焊前预热，预热方式可采用履带式电加热，预热温度在60~90℃，双丝焊接时焊前不预热。
4）焊接环境温度：焊接环境温度≥10℃。
5）产品装配和预焊：在产品焊接前，离坡口两侧30 mm范围内应用丙酮和机械方法清理油污及氧化膜，并利用制造好的装配工装进行装配和预焊。预焊时采用半自动熔化极气体保护焊进行焊接，其预焊焊缝长度50~80 mm，较长焊缝定位焊的间距在200～300 mm范围较为合适，预焊时的焊接规范与正式焊接时一致。在正式焊接时，利用焊接工装把产品固定在焊接变位机上，找正并检验装配尺寸合格后方可焊接。
6）产品焊接顺序的选择：双丝焊枪比单丝焊枪体积大，根据产品结构，为了保证焊枪的姿态和可达性以及实现连续焊接，确定先采用双丝焊完成产品外部焊缝打底层的焊接，然后用单丝焊（采用局部预热）完成产品内部所有焊缝的焊接， 后采用双丝焊完成产品外部所有焊缝的焊接。
7）产品焊接工艺参数：通过对试件进行多次重复试验，并对检验结果进行认真细致的讨论和分析，把优化后的焊接工艺参数确定为该产品的焊接工艺参数，详见表1。
6产品检验结果
1）焊接接头的抗拉强度均达到了母材强度的60%以上，δ10≥7%，符合工厂Q/PD 635—2004规定的标准[3，4]。
2）经无损检测，焊缝中仍存在微量的气孔和夹渣。
3）通过对产品焊接后的外形尺寸进行检验，双丝自动焊接比半自动焊接减少一半变形。
7 结果分析
    采用双丝自动焊接，其 大的特点是熔敷速度快，焊接效率高。在焊接过程中，副丝对主丝所形成的熔池具有强烈的搅拌作用，有利于气孔和夹渣的排出，有效地抑制了焊接缺陷的产生，在冷却后焊缝中的气孔和夹渣明显比半自动单丝焊减少；通过对试板焊接后力学性能检验，双丝的焊接接头抗拉强度平均250~270 MPa之间，有的高达280 MPa，均达到了母材强度的60%以上；而单丝的焊接接头抗拉强度虽然也达到了母材强度的60%以上，但其抗拉强度平均240~260 MPa之间，明显比双丝低一个档次；由于Ai－Zn－Mg系属于超硬铝合金，在焊接过程中，由于Zn挥发和Mg的燃烧，致使焊接后的焊缝中Zn、Mg含量显著下降，而Zn是铝合金的强化元素，因而导致焊接接头的抗拉强度比基材低；同时，Ai－Zn－Mg系超硬铝合金具有较低的熔点，导热性好，冷却速度快，对焊前坡口表面的油污、水分很敏感，若坡口表面清理不良，气体不纯，保护效果不佳，运丝方法不当，加之冷却速度极快，导致产生了微量的气孔、夹渣；而双丝自动焊接由于具有热量高度集中，熔敷速度快，焊接效率高等诸多优点，所以焊接后的变形要比单丝小得多。8 结论
1）通过采用上述焊接工艺方法对该产品进行机器人自动焊接，并按企标Q/P D 635—2004的有关内容对焊接后的产品焊缝进行了外观检验和X射线无损检测。焊缝外观成形美观，并对产品对接焊缝进行X射线无损检测，均符合企标Q/PD 635—2004的要求，焊接变形也控制在该产品图纸规定的范围内。
2）双丝自动焊接与半自动焊接比具有焊缝成形美观、变形小、质量稳定和焊工劳动强度降低等优点，且该产品结构90%以上的焊缝实现了机器人自动焊接，生产效率显著提高，更适应产品的批生产。
3）熟练掌握在线和离线编程，充分发挥支持软件的特殊功能，定能适用不同结构的产品焊接，保证产品质量，对推广和应用先进的工艺技术起到积极的作用。