盾构机刀盘架管板结构机器人多层多道规划及焊接工艺实践

李斗，蔡云秀，李飞

1.中国水利水电第十四工程局有限公司 云南昆明 650051

2.云南机电职业技术学院机械工程系 云南昆明 650000

3.昆明理工大学城市学院 云南昆明 650051

1 序言

目前，盾构机管板结构刀盘架手工多层多道焊接，需要焊接的层数和道数较多，而且焊缝质量不稳定，焊缝成形差。同时，采用手工进行多层多道焊接时，焊接效率低、焊工劳动强度大、人为影响因素大等原因使其很难满足当今焊接自动化的发展需求[1-4]。为此，需要将焊接机器人引入盾构机结构件焊接领域，实现盾构机刀盘架机器人的全自动焊接，在提高焊接生产效率的同时，也能保证良好的焊接质量及焊接过程的稳定[5，6]。

2 焊接方法与设备

由于盾构机刀盘架较大，立管和法兰盘焊接位置模拟焊缝采用管板垂直角接的接头形式，不开坡口，也不留间隙。母材为Q355B低合金高强度钢，化学成分见表1。圆管外径200mm、壁厚10mm、高度40mm，底板尺寸为250mm×250mm×10mm，如图1所示。

图1 盾构机刀盘架及模拟焊接试件

表1 Q355B钢化学成分（质量分数） （%）

焊前采用机械清理，对试件进行打磨、除锈、去油污。定位时，在管板内侧采用MIG焊进行定位焊，保证焊接稳固。采用德国KUKA Kr6arc机器人、德国EWM 522RC Plus force Arc焊接电源，选用直径为1.2mm的H08Mn2SiA焊丝，常规焊接参数中焊丝干伸长为16mm，保护气体为80%Ar+20%CO2，气体流量为24L/min。焊枪终端延迟息弧时间为0.4s。

3 机器人多层多道规划及焊接工艺试验

焊缝截面规划采用机器人不摆动焊接模式，焊接机器人在不摆动的情况下，要得到等腰三角形较好的焊缝成形，所需要的焊接热输入是一定的，且得到的焊缝尺寸较小[7]。结合前期工艺试验数据，焊缝截面尺寸规划如图2所示。

图2 机器人不摆动焊缝截面尺寸规划

由图2可知，焊缝截面由焊道A和焊道B组成，焊道A的截面形状简化为等腰三角形，边长4mm。焊道B的截面形状简化为菱形，边长4mm。采用该焊缝截面规划方式，可以使多层多道焊接做到第一层一道、第二层二道、第三层三道，以此类推，不仅能简化对不用焊道所需焊接参数的研究，而且能够缩短示教时间，提高焊接生产效率[8]。

焊道A的截面形状是边长4mm的等腰三角形，由于不考虑坡口及间隙，因此对焊道A直接采用机器人角接的焊接方法，焊枪角度45°，焊接参数见表2。根据上述试验参数进行焊接工艺试验，其焊接效果如图3所示。

表2 焊道A的焊接参数

图3 不同焊接参数时焊道A截面宏观形貌

由图3可知，1号焊缝与2号焊缝相比，焊脚尺寸小，焊缝中部凸起明显，成形较差。3号焊缝与2号焊缝相比，其焊缝尺寸大致相同，但3号焊缝有轻微的熔池下淌现象。这3组中，2号焊缝截面尺寸满足要求，焊接成形好，因此，选用2号焊接试验参数作为焊道A的焊接参数。

焊道B的截面形状是边长4mm的菱形，由于是焊道A的相邻焊道，因此其焊接成形与焊道A的截面形状有关。焊道A截面形状为等腰三角形，角度45°，因此焊道B是大内角135°的菱形，对于该菱形焊道的焊接，首先研究焊枪角度θ对焊缝成形的影响（θ为焊枪中心线与水平面的夹角）。根据焊缝截面尺寸规划，焊道B的截面积是焊道A的2倍，选用送丝速度为3.2m/min、焊接速度为0.2m/min的焊接参数进行试验，其焊后焊缝截面尺寸见表3，焊缝成形如图4所示。

表3 不同焊枪角度焊道B焊缝截面尺寸

由图4可知，随着焊枪角度的增加，焊缝宽度在逐渐减小，焊缝高度在逐渐增加。由图4a可知，当焊枪角度过小时，焊缝上部填充金属量不足，存在咬边的焊接缺陷。由图4d可知，当焊枪角度过大时，填充金属过于堆积，导致焊缝宽度不够，成形差。由图4a～d可知，当焊枪角度为67.5°时，即焊枪中心线与该菱形大内角的角平分线重合时，焊缝成形较为理想。因此，在规划焊枪角度时，采用焊枪中心线与菱形大内角的角平分线相重合的方式进行焊接。焊道B的焊接参数见表4，不同焊接参数下焊道B截面宏观形貌如图5所示。

表4 焊道B的焊接参数

图4 不同焊枪角度对焊缝宏观形貌的影响

由图5a、b可知，8号和9号焊缝热输入近似相等，其焊缝成形均比较理想，焊缝截面尺寸满足焊接截面规划要求。由图5c可知，10号焊缝热输入较大，其单位时间内的填充金属量多，焊缝成形较差且截面尺寸过大。由图5d可知，11号焊缝热输入较小，其单位时间内的焊缝填充金属量不足，导致焊缝截面尺寸偏小，成形不满足要求。为提高焊接生产效率，选择9号试验焊接参数作为焊道B的焊接参数。

图5 不同焊接参数下焊道B截面宏观形貌

4 机器人多层多道焊接工艺试验

机器人多层多道焊接工艺试验的焊接参数见表5，焊接顺序如图6所示。

图6 机器人多层多道焊焊接顺序

表5 机器人多层多道试验焊接参数

在前期焊接工艺试验的基础上，为避免层间未熔合等焊接缺陷，在理论计算和实际焊后对熔合线进行测量，选取合适的焊缝轨迹偏移量。焊接效果如图7所示。

图7 机器人多层多道焊缝宏观形貌

对焊缝截面规划进行多层多道焊接后，经观察，其焊缝成形较好，无明显焊接缺陷，经实际测量，各项参数见表6。

表6 机器人多层多道焊缝参数

5 焊缝质量

不同层道间焊缝微观组织如图8所示。由图8可知，焊缝各焊道的熔合情况良好，不同焊道之间的晶粒度及组织几乎相同，整个焊缝组织均匀，焊缝质量良好。其中，焊缝热影响区的宽度约为0.8mm，焊缝截面规划的热影响区均满足相应的尺寸要求。

图8 不同层道间焊缝微观组织

母材、热影响区、焊缝显微硬度测试如图9所示。母材显微硬度值为240.5HV，热影响区显微硬度值为283.4HV，焊缝显微硬度值为290.5HV。由显微硬度测试结果可知，在焊缝、热影响区并未出现淬硬组织，符合焊接工艺规范要求。

图9 母材、热影响区、焊缝显微硬度测试

6 结束语

1）机器人采用不摆动、三角形加菱形规划策略，三角形截面焊接参数为送丝速度3.2m/min、焊接速度0.3m/min、焊枪角度45°；菱形截面焊接参数为送丝速度5m/min、焊接速度0.4m/min、焊枪角度67.5°。焊后总焊缝高度14.24mm，总焊缝宽度16.48mm，总焊接时间1560s，热影响区宽度0.8mm，焊缝成形良好，表面光滑。通过无损检测和金相检测，没有发现焊接缺陷，焊道熔合良好。

2）对平行四边形的焊缝成形，提出了新的焊枪姿态规划，并通过焊接工艺试验进行验证，其结果表明该焊枪姿态规划是可行的，能够得到较好的平行四边形焊缝成形。