Auto SK-MW全位置摆动式自动焊接小车试验及应用

周坤，程爽，黄思俊，谭明，徐庆侠

(1．中国船柴(大连)柴油机有限公司，辽宁 大连116113;2．大连造船厂工具实业公司，辽宁大连116113;3．北京中车赛德铁道电气科技有限公司，北京100176;4．扬州诚德重工有限公司，江苏 扬州225119)

0 前言

随着产品的多元化发展，以及客户对焊接质量要求和焊接自动化水平的内在需求，自动化焊接设备的应用已成趋势所需［1］。国外自动焊接小车针对性强，主要是专用立角焊小车和轨道式立焊小车。全位置自动焊接小车在十多年前从国外引进，目前已开始国产化制造，但主要以硬质轨道为主。全位置自动焊接小车已在国内造船行业使用，目前已有用于DH36级高强钢的平对接接头，但大部分还只用于造船分段中大平直角焊缝薄板的焊接，其焊缝成形美观、质量稳定，既能摆动焊接还可全位置焊接，不仅提高焊接效率，同时降低焊工劳动强度［2］。通过Auto SK-MW全位置摆动式自动焊接小车在船用柴油机大厚度T形对接接头摆动式立焊试验和应用，研究其工艺及难点，为提升公司产品的焊接质量和效率以及降低制造成本提供了工艺基础，并为其它产品制造中的应用提供经验。

1 全位置焊接小车特点

图1 Auto SK-MW全位置摆动式自动焊接小车

Auto SK-MW全位置摆动式自动焊接小车如图1所示，可广泛应用于平对接、T形对接、角焊缝，同时配置柔性轨道可实现曲面对接、曲面角接焊缝。焊枪夹持机构可沿平行于焊接方向和垂直于焊接方向偏转一定角度，既可实现立焊时焊枪仰角控制，也可实现摆动式焊接。焊接摆动器的无间隙传动可保证焊枪摆动的精确度［3－4］。导轨采用柔性轨道，长度根据需要进行定制，配备ND磁性开关吸盘及插接口［5］，安装拆卸方便，以满足不同位置焊接需求。

2 焊接工艺试验

2．1 试验材料

在摆动式全位置焊接小车正式应用于生产前，进行了工艺试验。接头采用生产中涉及最多的开有K形坡口的T形对接接头，如图2所示。板材采用Q235钢，厚度均为30 mm，化学成分见表1。采用CO2气体保护焊，使用Φ1．4 mm药芯焊丝，焊接试验工艺参数见表2。

图2 焊接试验接头形式

表1 Q235钢化学成分(质量分数，%)

表2 焊接试验工艺参数

2．2 焊接试验方案及结果分析

焊接试验共有3个方案，方案1为初始试验，方案2和方案3是在方案1的结果基础上进行不同参数匹配对比试验。焊接试验方案1的工艺参数见表3(摆动模式3指锯齿形摆动)，焊道成形如图3所示。从图3a可以看出，每个焊道摆动形成的瓣状之间有明显的过渡凹槽。同时从图3b可见，各焊道之间过渡凸起也较大，焊道之间熔合性较差。焊后超声波无损检测发现焊道之间有大量未熔合缺陷，因此该试验工艺参数焊接质量差。试验方案2和方案3焊缝外观成形如图4所示。

通过现场分析并结合纯手工半自动焊接试验结果，排除了左、右停止时间(即摆动到左、右端点处的停留时间)及摆动宽度、电流、电压的影响，因此针对行走速度和摆动速度两参数制定了不同匹配下的焊接试验方案见表4。

表3 试验方案1的工艺参数

图3 试验方案1的焊缝形貌

图4 试验方案2和试验方案3的焊缝形貌

表4 试验方案2和试验方案3的工艺参数

对比图4可以看出，大行走速度匹配小摆动速度时，焊道摆动形成的瓣状交替均匀规则，但凸凹较大;小行走速度匹配大摆动速度时，焊道摆动形成的瓣状同样交替均匀规则，但凸凹几乎没有，整个焊道致密美观，超声波无损检测没有未熔合等缺陷，唯一不足是有明显的间断鼓肚流挂趋势。该试验方案对比证明了相对小的行走速度匹配相对大的摆动速度可获得明显的致密美观焊缝，为后续进一步优化并确定最终焊接应用工艺参数奠定基础。

3 试验结果与分析

3．1 焊接生产工艺

结合焊接方案2和方案3的结果，通过进一步工艺参数优化和装置设计优化来实现小车的焊接生产。焊接应用工艺参数见表5，焊缝外观成形如图5所示。由图5可以看出，焊道摆动形成的瓣状交替均匀规则，无凸凹现象，焊道与母材间过渡良好，整个焊道致密美观，表面没有立焊形成的鼓肚流挂现象。超声波无损检测没有未熔合等缺陷，检测结果符合要求。

表5 焊接应用工艺参数

图5 焊缝形貌

3．2 力学试验结果

根据DNV GL船级社标准进行力学性能试验，其中规定冲击吸收能量最低值为27 J。试验结果满足要求，试验数据见表6～7。

表6 拉伸和弯曲试验结果

表7 冲击试验结果(0℃) J

4 工装设计优化

4．1 焊带夹持装置设计

小车在立焊位置爬高过程中，随着小车位置的提升，焊带悬空的长度和重量不断增加，导致焊枪夹持装置承受重量超载，使得焊枪摆动稳定性变差，焊道成形不良，如图6～7所示。针对此问题，通过设计支杆，将焊带重量转移至支杆，同时合理设计支杆位置及焊带弯曲方式以保证出丝顺畅。

图6 高位摆动式立焊焊缝外观

图7 焊带夹持装置设计

4．2 导轨改造

当小车导轨吸附在腹板上对T形对接接头进行横焊时，小车主体虽采用铝合金结构，但整体自重较大且悬空，导致两吸盘之间的导轨刚度不足，使焊缝整体呈“S”形，如图8所示。针对此问题，合理优化吸盘间距并定制导轨，同时合理设计导轨两端下吸盘至导轨端部距离，确保两导轨接头处刚度。

图8 “S”形焊缝外观

5 结论

(1)通过全位置摆动式自动焊接小车焊接试验，立焊时采用小的行走速度(17～18 mm/min)匹配大的摆动速度(36～38 r/min)，焊道摆动形成的瓣状交替均匀规则，整个焊道致密美观，几乎没有凸凹，超声波无损检测没有未熔合等缺陷，唯一不足是有明显的间断鼓肚流挂趋势。

(2)通过进一步优化确定了小车实际焊接应用的工艺参数匹配，填充焊道行走速度24～26 mm/min匹配合适的摆动速度、盖面焊道行走速度20～22 mm/min匹配合适的摆动速度，焊缝外观成形、力学性能及无损检测结果均满足要求。

(3)通过设计焊带夹持装置及优化导轨结构和尺寸设计，保证了焊缝外观质量。