地铁横梁组成机器人焊接焊缝余高控制

宋学毅++樊亚斌++李蕊++安博++刘国田

摘 要：凹型焊缝具有消耗焊材少、应力集中低等优点，但实际操作中很难直接焊接出凹型焊缝，通常要进行修磨才能达到圆滑过渡的效果。该文在分析余高产生原因的基础上，通过调整焊接位置、焊枪角度、摆动方式等参数，将焊缝余高控制在了0.5 mm以内，避免了打磨过量造成性能下降，提高了产品质量和生产效率。

关键词：凹型焊缝 焊接位置 摆动方式 焊接参数

中图分类号：U26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0074-02

近年来，随着国内轨道交通的迅速普及与推广，对车辆转向架焊接提出了更高的要求。地铁的横梁组成设计中为了防止应力集中导致的疲劳断裂，许多焊缝都要求圆滑过渡。以在厦门地铁横梁组成为例，纵向梁与横梁管之间的焊缝、齿轮箱吊座与横梁之间的焊缝等均要求圆滑过渡。但在实际操作中很难直接焊接出凹型焊缝，通常要进行修磨才能达到圆滑过渡的技术要求。

针对生产中遇到的圆滑过渡焊缝要靠焊后修磨才能得到的问题，着手研究如何使用IGM机械手在自动化焊接中焊出优质的凹型焊缝。通过对焊缝的成凹型需求分析以及凹型焊缝的焊接难点分析，经多次模拟试焊，尝试新的焊接位置、摆动方式、焊接工艺参数和焊枪角度，最终将焊缝余高控制在了0.5 mm以内。

1 工件结构描述

横梁组成的结构是由2个横梁钢管、纵向梁、电机吊座、齿轮箱吊座组成构成的“#”字形闭合结构。在横梁组成中电机吊座、纵向梁、齿轮箱吊座与横梁管连接的直焊缝采用自动化焊接，电机吊座、齿轮箱吊座与横梁管的环焊缝采用自动化焊接，其余焊缝采用半自动化焊接。

2 焊缝余高的危害

焊缝余高造成的不利影响具体表现为：加大焊接材料的消耗，增加人工修磨成本；增加防腐成本，降低防腐质量；增大了焊趾处的应力集中，易诱发疲劳断裂，造成行车安全隐患。

3 解决办法

3.1 焊接位置的改变

焊接位置是影响焊缝成型的另外一个重要因素，以电机吊座与横梁管的直焊缝为例，首先将工件转到船型位置，再调整外部轴使工件沿焊缝方向抬起一定角度。具体焊接位置如图1所示。

3.2 焊枪角度的调整

行走角：焊枪与行走方向的角度。

工作角：焊枪与焊缝垂直方向的夹角。

焊枪的角度对焊缝成型影响较大。保护气将电弧吹向焊枪倾斜方向的反方向，同时将熔池向焊枪倾斜方向的反方向吹。通过试焊，决定将焊枪的工作角调整为90°，行走角调整为50°，有效利用保护气向熔池前方吹的原理，避免溶出金属液体还没有向前流动就冷却了形成焊缝余高。

3.3 摆动方式的改变

摆动是一种焊接时的运条方法，全位置摆动焊接过程中，焊炬摆动到不同位置，熔池液态金属受力对焊缝成形所起的作用亦不相同。

首先，分析现有平焊摆动方式中重力对焊缝成型的影响：平焊摆动焊接过程中，熔池液态金属下淌力F1=mg，平焊摆动对熔池液态金属下淌的重力F并无直接影响。熔池宽度和长度在其形成初期增长迅速，随后增长速度放慢，当熔池达到宏观准稳态后，则不再发生变化。

其次，分析加斜摆方式焊接时重力对焊缝成型的影响：设熔池液态金属下淌的力为F2，则F2=mg-f2。斜摆角越大，熔池液态金属下淌的分力越小。

综上所述，加摆动后熔池液态金属下淌的力F2<传统的平焊方式熔池液态金属下淌的力F1。

将平焊摆动改进成斜角摆动，具体操作和对比如图2和图3所示，并在两侧时加0.1 s的停顿时间，防止液态金属下流。

3.4 焊接参数的变化

焊缝成型与焊接参数有十分密切的关联，通过对原始参数焊接完成的焊缝成型进行观察，并不断创新尝试新的焊接参数：

（1）适当增加电流：电流与焊缝的熔深成正比，增加电流，可保证焊缝的熔深和熔合质量。

（2）增加焊接速度：减少单层焊接的填充量，避免产生过高的余高。电弧直接作用于母材，提高焊接速度，单位长度焊缝上向母材过渡的热能减少，则母材的熔化是先增加后减少。其原因是高速焊时熔化的金属不足以填充电弧所熔化的路径和熔池表面张力的作用下而向焊缝中心聚集的结果。当焊接速度更高时，还会产生驼峰焊道，这是因为液体金属熔池较长而发生失稳的结果。

（3）盖面层增加电压：电压与焊缝成型的宽度成正比，在盖面层增加适当的电压，在一定程度上控制余高。

（4）开启“脉冲焊接”方式：带来的优点是焊接飞溅少，焊缝成型美观。

原始焊接参数与改进后焊接参数对比见表1。

4 结语

针对地铁横梁组成中焊缝余高控制的操作难点，通过调整焊接位置、改变摆动方式，以及工艺参数，最终成功地将焊缝余高控制在了0～0.5，减少焊缝打磨余高3 mm，减少约2.5 h/辆车打磨時间，并且节省了3.754 kg/辆车的焊丝，减少了横梁组成的打磨量，节约了生产成本，提高了生产效率，为其余结构自动焊接凹型焊缝提供了借鉴和参考价值。

参考文献

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