工业机器人CO2气体保护焊焊接工艺研究

2021-04-19王泽荫

世界有色金属 2021年2期

王泽荫

（甘肃机电职业技术学院，甘肃天水 741000）

CO2气体保护焊是一种焊接质量可靠、工作效率很高的半自动焊接技术，多年来，该技术非常广泛地应用于机械制造行业当中。随着自动化、智能化技术的发展，将CO2气体保护焊技术与工业机器人技术结合起来，形成工业机器人CO2气体保护焊，是目前焊接行业和机器人行业发展的一个主流趋势。

某制造厂的主要产品为塔式起重机，焊接工序是该产品的主要生产环节，在生产过程中，焊接工作量大,质量要求高,技术难度大。为了提高生产效率、保证焊接质量、降低生产成本、提高经济效益，实现由传统制造方式向智能制造方式的转型，该制造厂采用了型号为ABBIRB 1600-10/1.45的工业机器人和Artsen CM500RⅡ焊机进行生产。现对工业机器人CO2气体保护焊焊接过程中存在的问题和焊接工艺进行研究。

1 存在的问题

为了获得最佳的焊接工艺参数来指导生产和和提高焊接质量，选用了不同的方式和参数对机器人CO2气体保护焊进行了试验、研究、分析，发现常见的问题主要有以下几个方面：

1.1 焊接缺陷

采用工业机器人CO2气体保护焊进行焊接时，主要的焊接缺陷形式是气孔和裂纹。

（1）气孔

在采用工业机器人CO2气体保护焊进行焊接时，由于熔池表面盖覆的熔渣量很少，CO2气流又有较强的冷却作用，因而熔池中液态金属凝固的速度比较快，导致液态金属内部的气体来不及逸出[1]，残留于焊缝中形成气孔。

采用工业机器人CO2气体保护焊进行焊接时，产生的气孔主要有以下3种：CO气孔、H气孔和N气孔。

①CO气孔

产生CO气孔的原因是熔池中的FeO和C发生了还原反应：

FeO+C==Fe+CO

该反应活性最强的温度范围是熔池结晶时的温度，由于此时熔池已经开始凝固，致使CO气体来不及逸出，于是在焊缝中形成CO气孔[1]。

解决措施：增加焊接材料中的脱氧元素Si和Mn；限制焊接材料中的含C量。

②H气孔

如果在焊接过程中熔池中溶入了大量的H2，在熔池金属结晶时又不能充分、及时地排出，则在焊缝金属中会形成H气孔。

H元素主要来自于焊丝、工件表面的油污及铁锈、CO2保护气体中所含的水分，其中CO2保护气体中的水分是引起H气孔的主要原因[1]。

解决措施：清除工件和焊丝表面的油污及铁锈；降低CO2气体中的水分；另外，当采用以熔池为负极的直流反极性焊接时，熔池将发射大量的电子，使其表面的H离子复合为H原子而逸出，从而减少熔池中的H离子数量[1]。采用直流反极性焊接产生H气孔的概率是采用直流正极性焊接时的1/3～1/5。

③N气孔

焊缝中的N2主要来自于电弧和熔池周围的空气以及CO2保护气体。正常情况下保护气体中的N2含量≤1%，由CO2保护气体纯度不够引起N气孔的可能性不大。焊缝中产生N气孔的主要原因是保护气层遭到破坏，大量空气侵入弧柱区和焊缝区所致[2,3]。

造成保护气层失效的因素有：CO2气体流量过小；飞溅物堵塞喷嘴；喷嘴与工件的距离过大；焊接场地有侧向风等[2,3]。

解决措施：保证气路畅通和气层稳定；适当增加CO2保护气体流量；增设防风板或在室内无风环境中焊接。

电弧电压的增高，增大了空气侵入弧柱区和焊缝区的几率，在焊缝中产生气孔的几率也随之增大；随着焊接速度的降低，单位体积内的热输入量增加，熔池中温度下降的速度减慢，结晶速度随之变慢，液态金属中的气体有足够的时间逸出，产生气孔的可能性就越小，相反，焊接速度越快，熔池结晶速度也越快，则气体不易排出，易产生N气孔[2,3]。

（2）裂纹

在采用工业机器人CO2气体保护焊进行焊接时，产生的裂纹主要形式有结晶裂纹和液化裂纹。

①结晶裂纹

由于工业机器人CO2气体保护焊采用的保护气体的主要成分是CO2，具有较强的冷却作用，另外，机器人CO2气体保护焊在焊缝表面形成的熔渣非常稀薄，熔池及焊缝表面的热量散失速度快，导致不同部位焊缝的晶粒体积大小在热作用下的变化不一致，各晶粒之间会产生较大的拘束应力，晶粒间拘束应力的存在，是产生结晶裂纹的根本原因。

表2 焊接工艺参数

②液化裂纹

在采用多层多道焊时，容易产生液化裂纹，液化裂纹主要存于母材的近缝区上母材向焊缝凸进去的部位，形成的原因主要是受焊接热循环的作用，熔合区和过热区的晶界熔化，形成球滴状孔洞。

当母材或焊材中的C元素含量较高时，熔池重新冶炼的过程中会产生硬而脆的碳化物，这类碳化物将会导致焊缝开裂；当母材或焊材中S元素的含量较高时，焊缝容易产生热裂纹；当母材或焊材中P元素的含量较高时，可使焊缝的强度和硬度增加，而塑性和韧性则显著降低，容易产生裂纹，特别在温度较低时更容易导致产生裂纹。

为了防止焊缝裂纹的产生，解决的措施主要有：限制焊缝中C、S、P等元素的含量；通过焊丝增加Mn、Ti、Zr等合金元素的含量来提高焊缝抗热裂纹的能力；提高焊缝的成型系数ψ=H/W；焊前对工件进行预热；采用碱性焊丝；设计合理的焊接接头形式，降低接头的刚度和拘束度。

1.2 飞溅

与焊条电弧焊、埋弧焊相比，机器人CO2气体保护焊的飞溅较为严重，产生飞溅的原因主要有以下几个方面：

（1）工艺因素的影响

影响飞溅率的主要工艺因素有焊接电流、电弧电压、干伸长、焊丝直径、回路串联电感量、电流极性等。随着焊接电流、电弧电压、干伸长、焊丝直径、回路串联电感量的增大，飞溅倾向明显增大。采用直流正接时比直流反接时的飞溅严重。

经现场试验得知，当焊接工艺参数不合理时，焊接飞溅率可高达25%以上，选择合理的焊接工艺参数时，飞溅率通常可控制在5%～10%左右。

（2）焊接材料的影响

焊接材料包括母材、焊材、保护气体等，母材和焊材中的C、Mn、Si等元素对裂纹、气孔、飞溅的影响最为严重。选用含C量较低、脱氧元素（Mn、Si）含量较高的焊丝（比如H08MN2SiA），或在焊丝中加入稀土（REM）、Ba、K、Na、Ti等活性元素，或在焊丝涂层中加入活性元素来增大弧根面积，改善电弧稳定性，减弱或限制熔滴的非轴向性，细化熔滴，减少短路次数，减少熔滴中气体含量[4]，均可有效消除短路爆炸和气体膨胀爆炸引起的焊接飞溅；采用20%Ar+80%CO2的混合气体作为保护气体比采用纯CO2做保护气体的飞溅率要低；采用脉冲送丝比等速送丝的飞溅率要低。