半牵引梁U型拐角焊缝连续自动焊接方法

2020-09-10张继林高德佳胡文浩刘成王明峰胡峰

电焊机 2020年2期

张继林　高德佳　胡文浩　刘成　王明峰　胡峰

摘要：对半牵引梁上的内U型焊缝与外U型焊缝结构进行分析及自动焊工艺研究。着重研究U型结构拐角圆弧焊缝与变位机不同心的情况下如何完成自动化焊接;在此基础上进一步研究圆弧焊缝与线性焊缝之间的参数变化。通过设计专用工装和运用机械手的变位机与机器人的联动机制设定焊接机械手轨迹并设计出一套新的工艺技术方案，成功解决了U型结构拐角处焊接缺陷率高及焊接效率较低的问题，提供了一种对U型结构焊缝拐角圆弧半径在15～25 mm范围内一次焊接不停弧的机械手焊接工艺方法。

关键词：U型结构焊缝;拐角焊;半牵引梁;焊接机械手

中图分类号：TG457.2 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0087-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.17

0 前言

随着国内轨道交通的迅速普及与推广，对构成驱动系统主要部件的牵引梁提出了更高的质量要求。B型地铁的牵引梁是连接并向车体传递转向架驱动的中心部件，也是实现车辆快速和安全行驶的动力传输关键设备，其设计方案中采用由折弯件扣板件与立板焊接的箱型结构，目的是增加整体刚性，但同时也增加了半牵引梁的U型结构焊缝数量，增加了拐角焊缝数量。

对于U型结构焊缝，孔庆华[1]等分别采用有限元法分析了U型件两侧板厚比、强度系数比、应变硬化指数比及压边力比对拼焊板U型件拉伸量及焊缝移动的影响规律;张华[2]等采用宏观断面分析、金相组织分析等手段研究了MAG焊工艺在U肋焊接中的实用性;韩伟[3]等提出了一种摇动电弧窄间隙立向上MAG自动焊接技术。

上述对于弧形焊缝的研究主要基于变位机轴心与弧形焊缝圆心同心的前提下完成的，且都是在工件不移动、焊枪移动的情况下完成，对于半牵引梁U型结构中圆弧与变位机轴心不同心的焊缝借鉴性略显不足，对于MAG焊在焊接U型结构焊缝拐角圆弧与线性焊缝之间参数的变化无具体描述。本文针对圆弧与变位机轴心不同心的焊缝，使用陀螺旋式变位机联动完成内U型与外U型结构焊缝的连续焊接，同时对内U型拐角焊缝、外U型拐角焊缝与直焊缝的参数关系实施建模，以期为相同形式焊缝自动焊接提供借鉴[4-7]。

1 技术方案

1.1 工件的装卡方案

将半牵引梁用工装卡具固定在机械手变位机上（见图1），对牵引梁立板的横向和纵向位置进行定位，装卡机构和定位机构不得超过牵引梁立板厚度12 mm，保证每次焊接时内外U型焊缝的焊接轨迹一致和达到避让焊缝的效果。

1.2 U型结构焊缝的程序取点位置

牵引梁短立板与扣板之间的内U型结构焊缝和牵引梁立板与扣板之间的外U型结构焊缝均采用连续焊接方法，通过机械手的焊枪与变位机的联动机构，使焊枪相对工件夹角始终一致，处于PB位置进行焊接。在第一个拐角圆弧处，拐角处的R为24 mm的1/4圆弧与引弧点所在直线的交点位置取为起点、圆弧交点位置为中点、R为24 mm的1/4圆弧与中间直线的交点位置取为终点，这三点确定焊枪在焊接第一个拐角焊缝时的轨迹;在第二个拐角圆弧处，拐角处的R为24 mm的1/4圆弧与中间直线的交点位置取为起点、圆弧交点位置为中点、R为24 mm的1/4圆弧与熄弧点所在直线的交点位置取为终点，这三点确定焊枪在焊接第二个拐角焊缝时的轨迹，确保焊枪可对拐角处焊缝连续施焊。

1.3 内U型焊缝焊接工艺的制定

内U型焊缝坡口形式为单边V型，接头形式为T型接头，坡口边板厚12 mm，钝边厚度0.5～1 mm，坡口角度50°，三层三道焊接。由于内U型拐角处焊缝填充量大于直焊缝填充量，拐角处采用低速盖面法，通过改变盖面层拐角处的焊接速度实现了内U型焊缝拐角处不停弧连续焊接。

1.4 外U型焊缝焊接工艺的制定

外U型焊缝的坡口形式为单边V型，接头形式为T型接头，坡口边板厚12 mm，坡口角度50°，三层三道焊接。由于外U型拐角处焊缝位于整个工件外侧，无母材对熔池的支撑，对熔池的限制维度不足，容易发生熔池整体下坠现象，故采用降低电流完成盖面焊接的方法，通过在盖面层拐角处使用较小的焊接电流和调整焊枪与工件的相对位置实现了外U型焊缝拐角处不停弧连续焊接。

2 实验验证

2.1 半牵引梁的装卡方式

半牵引梁压卡方式如图3所示。在半牵引梁立板103的纵向和横向位置进行定位，半牵引梁的纵向位置由两个202定位块进行定位，横向位置由两个201定位块进行定位，保证内外U型焊接位置不会因更换工件而改变，一次编程可重复使用。

2.2 内U型焊缝的焊接模型构建

由图3可知，短立板101和扣板102的连接焊缝为内U型焊缝，机械手焊接时采用机轴联动方式，工件垂直中线与水平面保持20°，打底层和填充层焊枪与工件非坡口面成30°夹角以确保焊枪对准焊缝根部;盖面层为保证a6焊角，将焊枪与工件非坡口面的角度增大到35°以保证焊脚尺寸（见图4）。焊接过程中工件呈陀螺旋摆状态（见图5），工件焊缝与焊枪始终保持相同角度，进行PB位置施焊，确保焊缝根部熔合和成形一致。

将短立板101与扣板102进行组装，保证两工件之间缝隙小于等于1 mm，进行定位焊接，内U型焊缝拐角處的焊缝取点如图6所示。点401为焊枪引弧点，点402为U型焊缝拐角处圆弧起点，点403为圆弧中点，点404为圆弧终点，点405为另一侧圆弧起点，点406为圆弧中点，点407为圆弧终点，点408为收弧点。其中点401为空步，为引弧点位置，点402～408为工作步。

内U型焊缝焊接工艺参数如表1所示。内U型焊缝在采用自动焊接后可减少两个焊接接头，降低焊接飞溅，焊后清理时间由15 min降为1.5 min，如图7所示。

2.3 外U型焊缝焊接模型构建

立板103和扣板102的连接焊缝为外U型焊缝，如图8所示。

机械手焊接时采用机轴联动方式，工件垂直中线与水平面保持15°，打底层和填充层焊枪与工件成35°夹角以确保焊枪对准焊缝根部;盖面层为保证a6焊角，在外U拐角处将焊枪与工件角度减至30°以保证焊脚尺寸（见图9），焊接过程中工件呈陀螺旋摆状态（见图10），工件焊缝与焊枪始终保持相同角度，进行PB位置施焊，以确保焊缝成形一致。

将件103立板与件102扣板进行组装，保证两工件之间缝隙小于等于1 mm，进行定位焊接，拐角处外U型焊缝取点如图11所示，点409为焊枪引弧点，点410为U型焊缝拐角处圆弧起点，点411为圆弧中点，点412为圆弧终点，点413为另一侧圆弧起点，点414为圆弧中点，点415为圆弧终点，点416为收弧点。其中点410为空步，为引弧点位置，点410～416为工作步。外U型焊缝焊接工艺参数如表2所示。

外U型结构焊缝的焊接难点是在盖面层焊接时，拐角处的焊缝在工件外侧，对盖面层的熔池支撑较少，容易发生熔池下坠，通过在拐角处减小电流参数防止熔池下坠，减小焊枪与工件非坡口边的角度防止焊脚过高。

外U型焊缝自动焊与手工焊焊缝对比如图12所示，减少了4个焊接接头，焊接飞溅减少，焊后清理时间由20 min降为2 min。

3 结论

（1）内U型结构焊缝联动焊接中，焊枪与非坡口面所形成的夹角，盖面层较打底层和填充层增加5°，可以确保焊缝根部熔合，防止焊脚不足;内U型焊缝焊接盖面层时，拐角处焊缝填充量较直焊缝增加9.1%。

（2）外U型结构焊缝联动焊接中，焊枪与非坡口面所形成的夹角，盖面层较打底层和填充层减小5°，可以确保焊缝根部熔合，防止熔池下坠、焊脚过大;内U型焊缝焊接盖面层时，拐角处焊缝填充量较直焊缝减少9.6%。

（3）内U型结构焊缝与外U型结构焊缝在采用自动焊接后较手工焊接焊后清理时间均大幅缩短。

参考文献：

[1] 孔庆华，张建宇. 拼焊板U型件成形性能及焊缝移动规律[J]. 中国工程机械学报，2010，9（6）：209-213.

[2] 张华，舒先庆，李立明，等. 钢桥U肋焊接新工艺-金属药芯焊丝CO2气体保护焊[J]. 焊接，2010（10）：51-55.

[3] 韓伟，李飞，王冲，等. 摇动电弧窄间隙立向上MAG焊接技术[J]. 机械工程师，2018（11）：138-141.

[4] 韩浩，韩彬，李立英，等. 机械复合管焊接工艺进展[J]. 电焊机，2017，47（7）：17-22.

[5] 崔岩，柳士强，高德佳，等. 地铁转向架侧梁自动焊焊接工艺[J]. 电焊机，2017，47（7）：69-72.