CN110883404A - 焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种焊接工艺，包括以下步骤：利用焊接设备定位第一工件与第二工件；在圆形端面与圆柱周面之间的两个最大间隙点，采用摆动焊接；在圆形端面与圆柱周面之间选择一起弧点，起弧点对应于圆形端面的对应圆圆周的位于两个最大间隙点之间的位置；由起弧点起弧进行焊接，同时利用焊接设备以第一工件中心线为轴同步逆时针旋转第一工件和第二工件，该焊接过程包括两道焊接，第一道焊接采用摆动焊接，且第一道焊接后不停留立刻进行第二道焊接。通过上述设计，本发明利用摆动焊接替代现有工艺中的固定位置焊接对最大间隙点进行焊接，能够减少焊接过程中由于热输入不足和应力集中所导致的焊接裂纹和未熔合等不良。

Description

焊接工艺

技术领域

本发明涉及熔化极电弧焊工艺领域，尤其涉及一种焊接工艺。

背景技术

电焊机技术发展迅速，现已全面进入数字化控制时代。在现有工艺中，利用数字化焊机碳钢脉冲焊接应用于熔化极电弧焊时，例如对减振器或其他接头形式的工件进行熔化极电弧焊时，由于焊点处的母材存在未熔合和焊接裂纹，导致工件在第一道焊缝焊接时的最大间隙处存在焊接裂纹等焊接不良。再者，以镀铬45#钢与Q345焊接工件进行熔化极电弧焊为例，在焊接过程中，由于热输入较小，会导致母材并未完全熔合，或由于热输入较大，导致焊缝处应力、应变较大，因此容易在P、S偏析处的液态薄膜位置产生焊接裂纹，该焊接裂纹的产生亦与焊接设备无关，主要受焊接工艺影响。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种避免或减少焊接裂纹现象产生的焊接工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种焊接工艺，用于焊接均呈圆柱型的第一工件和第二工件，所述第一工件与所述第二工件的轴向相垂直，所述第一工件的其中一端的周缘形成坡口结构并形成圆形端面，所述焊接工艺是将所述圆形端面焊接于所述第二工件的圆柱周面，所述第一工件的直径小于所述第二工件的直径，且小于或等于所述第二工件的轴向高度。其中，所述焊接工艺包括以下步骤：

利用焊接设备定位所述第一工件与所述第二工件；

在所述圆形端面与所述圆柱周面之间的两个最大间隙点，采用摆动焊接；

在所述圆形端面与所述圆柱周面之间选择一起弧点，所述起弧点对应于所述圆形端面的对应圆圆周的位于所述两个最大间隙点之间的位置；以及

由所述起弧点起弧进行焊接，同时利用所述焊接设备以所述第一工件中心线为轴同步旋转所述第一工件和所述第二工件，该焊接过程包括两道焊接，第一道焊接采用摆动焊接，且第一道焊接后不停留立刻进行第二道焊接。

根据本发明的其中一个实施方式，利用所述焊接设备定位所述第一工件与所述第二工件时，所述焊接设备被配置为向所述第一工件的另一端施加一顶紧力，以使所述第一工件的所述圆形端面顶紧于所述第二工件的圆柱周面。

根据本发明的其中一个实施方式，所述焊接设备包括ABB机器人与米加尼克焊机。或者，所述焊接设备包括TAWERS机器人与ABB机器人。

根据本发明的其中一个实施方式，在所述圆形端面与所述圆柱周面之间的两个最大间隙点，采用摆动进行长点焊。

根据本发明的其中一个实施方式，在第一道焊接的焊枪摆动过程中，所述焊枪是在焊接处停留一设定时间。

根据本发明的其中一个实施方式，所述设定时间小于或等于1s。

根据本发明的其中一个实施方式，第一道焊接的焊接电流为180A～260A。

根据本发明的其中一个实施方式，第一道焊接的焊接速度为0.3m/min～0.6m/min。

根据本发明的其中一个实施方式，第二道焊接的焊接电流为180A～260A。

根据本发明的其中一个实施方式，第二道焊接的焊接速度为0.2m/min～0.6m/min。

由上述技术方案可知，本发明提出的焊接工艺的优点和积极效果在于：

本发明提出的焊接工艺，在两个最大间隙点处是采用摆动焊接，有起弧点开始的第一道焊接是采用摆动焊接，并在第一道焊接后不停留立刻进行第二道焊接，从而利用第一道焊接为第二道焊接预热，同时利用第二道焊接为第一道焊接回火。通过上述设计，本发明利用摆动焊接替代现有工艺中的固定位置焊接对最大间隙点进行焊接，能够减少焊接过程中由于热输入不足和应力集中所导致的焊接裂纹和未熔合等不良。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种焊接工艺中的工件示意图；

图2是图1的右视图；

图3是一种现有焊接工艺中现场实际工件焊接裂纹的微观示意图；

图4是一种现有焊接工艺中现场实际工件焊接裂纹的另一微观示意图；

图5是一种现有焊接工艺中现场实际工件焊接裂纹的又一微观示意图。

附图标记说明如下：

110.第一工件；

111.圆形端面；

120.第二工件；

121.圆柱周面；

200.焊枪；

A.最大间隙点；

B.最大间隙点；

C.起弧点；

F.顶紧力；

D1.直径；

D2.直径。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。

在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

参阅图1，其代表性地示出了本发明提出的焊接工艺中的工件示意图。在该示例性实施方式中，本发明提出的焊接工艺是以应用于对减振器或其他类似结构的工件进行熔化极电弧焊的焊接工艺为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本发明的相关设计应用于其他类型的工件或其他焊接场合中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的焊接工艺的原理的范围内。

配合参阅图2至图5，图2中代表性地示出了符合本发明原理的焊接工艺中的工件的侧视图，其具体示出了图1的右视图；图3中代表性地示出了一种现有焊接工艺中现场实际工件焊接裂纹的微观示意图；图4中代表性地示出了一种现有焊接工艺中现场实际工件焊接裂纹的另一微观示意图；图5中代表性地示出了一种现有焊接工艺中现场实际工件焊接裂纹的又一微观示意图。以下结合上述附图，对本发明提出的焊接工艺的各主要步骤进行详细说明。

在对例如减振器或其他类似结构进行熔化极电弧焊的工艺中，待焊接的第一工件110与第二工件120的结构和位置关系可以配合参阅图1和图2理解。具体而言，以现有工艺的具体实施例而言，现场焊接设备采用一台ABB机器人与米加尼克焊机组成操作系统，一直在进行工件生产工作。现场具体工况为：母材是45#钢(第一工件110)与Q345(第二工件120)角接，其中第二工件120为壁厚为10mm的管状结构(即第二工件120外部大致呈圆柱状结构，且具有圆柱周面121)。第一工件110为50mm*500mm(直径*长度)的实心圆柱状结构，且表面镀铬。第一工件110的与第二工件120焊接的一端的周缘开设有坡口结构，例如7mm*45°的坡口结构，并使第一工件110的该端部形成圆形端面111，即第一工件110是以该圆形端面111与第二工件120的圆柱周面121相接触并进行角焊接。焊丝为ESAB桶装无镀铜1.0mm丝径碳钢焊丝。保护气体为氩气(Ar)与二氧化碳(CO₂)的混合气体，例如87％氩气与13％二氧化碳的混合气体，且采用集中供气。对于焊接电流，现场设定电流为220A(实际电流为200A)，进行两层两道焊接，第一道采用直推焊接，第二道采用摆动盖面，焊接效果良好，没有表面裂纹，但偶尔会产生内部微观裂纹。

再者，当采用其他焊接设备时，亦无法消除内部微观裂纹。例如，采用松下TAWERS机器人替代米加尼克焊机，而与ABB机器人组成操作系统。TAWERS机器人采用与米加尼克焊机相同的焊接规范参数(200A)时，实际焊接电流为220A，第二道盖面焊表面有很明显的焊接裂纹，之后将米加尼克焊机设定为240A(实际电流220A)，其工件焊接裂纹比TAWERS机器人焊接工件裂纹更多，然后将TAWERS机器人设定为200A，焊缝表面没有裂纹，但内部仍会偶尔出现微观裂纹。

对于上述微观裂纹，在工件实际应用中，特别是在工件应用于高铁等设备的动载荷用件时，微观裂纹对于工件的使用和设备的安全运行将造成极大隐患和风险。

针对上述问题，申请人进行了大量试验，例如：

1.对焊接参数和焊枪200角度进行了调整，发现设定电流为190A～200A(实际电流为190A～200A)的电流段在十二点钟方向(配合参阅图2)焊接时，焊接裂纹最少，但仍无法彻底消除焊接裂纹。

2.采用双脉冲160A/200A进行焊接，焊接裂纹较多，尤其在第一道焊缝中的焊接裂纹增多。

3.改善电流波形，调整脉冲峰、基值电流、峰值时间和脉冲周期，无论将电弧做集中处理或柔和处理，当实际电流大于或等于200A时都会有焊接裂纹产生。

4.采用神钢盘装镀铜1.2焊丝进行焊接，当实际电流大于或等于200A时仍有焊接裂纹产生。

5.采用锰含量较高的大桥ER49-1焊丝进行焊接，当实际电流大于或等于200A时仍有焊接裂纹产生。

6.改善气体比例，采用82％Ar+18％CO2的保护气进行焊接，当实际电流大于或等于200A时仍有焊接裂纹产生。

7.更换焊接设备，采用350GS脉冲焊机进行焊接，当实际电流大于或等于200A时仍有焊接裂纹产生。

8.采用TAWERS碳钢短路数据进行焊接，当实际电流大于或等于200A时仍有焊接裂纹发生。

承上，申请人对焊接工件经过磁粉探伤发现，焊接裂纹多发生在工件第一道焊缝焊接时的最大间隙处(图2所示的最大间隙点A和最大间隙点B)。通过对产生焊接裂纹的工件进行金相微观分析发现，焊点处的母材存在未熔合和焊接裂纹(如图3所示)，说明工件一部分裂纹的发生是由于固定工件时的点焊造成的，因此如欲彻底消除焊接裂纹，必须先消除焊点处的裂纹和未熔合。

此外，如图4和图5所示，申请人还发现焊缝中间存在热裂纹，热裂纹的产生是因为在焊接过程中产生的应力较大，以至于在P、S偏析处(液态薄膜)产生裂纹。由于硫和磷是钢中极易偏析的元素，故硫和磷在钢中容易形成低熔点共晶，而低熔点共晶在结晶过程中又极易形成液态薄膜，且碳在钢中能加剧硫、磷及其它元素的有害作用，作为第一工件110的材质，45#钢含碳较多，故对热裂纹较为敏感。

上述试验结果说明，镀铬45#钢与Q345焊接工件在焊接过程中会产生裂纹，尤其是在第一道焊接时的裂纹倾向较大。而且，当实际焊接电流大于或等于200A时，无论是米加尼克焊机还是TAWERS机器人，第二道焊缝都会有裂纹产生，即使改变焊丝材质、焊丝丝径大小、保护气体比例、焊枪200角度、脉冲参数也不能够彻底消除。因此，产生上述裂纹的因素主要包括：焊接过程中热输入较小，导致母材可能没有完全熔合；焊接过程中热输入较大，导致焊缝处应力、应变较大，故容易在P、S偏析处的液态薄膜位置产生裂纹。即，上述焊接裂纹的产生与焊接设备无关，主要属于焊接工艺课题的范畴。

为解决上述焊接裂纹的问题，如图1和图2所示，本发明提出一种焊接工艺，用于将第一工件110与第二工件120相焊接。其中，第一工件110和第二工件120分别大致呈圆柱型，且第二工件120具体可以为实心圆柱型或例如与案管状结构的空心圆柱型。第一工件110与第二工件120的轴向相垂直，第一工件110的其中一端的周缘形成坡口结构并形成圆形端面111，焊接工艺是将圆形端面111焊接于第二工件120的圆柱周面121，第一工件110的D1小于第二工件120的直径D2，且小于或等于第二工件120的轴向高度。在此基础上，本发明提出的焊接工艺指示可以包含以下步骤

利用焊接设备定位第一工件110与第二工件120；

在圆形端面111与圆柱周面121之间的两个最大间隙点A，B，采用摆动焊接；

在圆形端面111与圆柱周面121之间选择一起弧点C，起弧点C对应于圆形端面111的对应圆圆周的位于两个最大间隙点A，B之间的位置；以及

由起弧点C起弧进行焊接，同时利用焊接设备以第一工件110中心线为轴同步逆时针旋转第一工件110和第二工件120，该焊接过程包括两道焊接，第一道焊接采用摆动焊接，且第一道焊接后不停留立刻进行第二道焊接。

通过上述设计，本发明利用摆动焊接替代现有工艺中的固定位置焊接对最大间隙点A，B进行焊接，能够减少焊接过程中由于热输入不足和应力集中所导致的焊接裂纹和未熔合等不良。其中，在工件逆时针旋转的焊接过程中，由于第一道焊接后不停留马上进行第二道焊接，从而实现第一道焊接为第二道焊接预热，且第二道焊接为第一道焊接回火的功效。据此，采用本发明提出的焊接工艺进行焊接的工件，经焊接完成后进行多次磁粉探伤试验，均已无法探测到焊接裂纹的存在，确实避免或减少了焊接裂纹现象的产生。

需说明的是，第一工件110和第二工件120以第一工件110的轴向向为轴同步逆时针转动，即焊枪200是相对第一工件110和第二工件120顺时针转动，图2中的虚线指示箭头示出了焊枪200相对第一工件110和第二工件120的转动状态。在其他实施方式中，第一工件110和第二工件120的同步转动方向亦可为顺时针的方向，则焊枪200是相对第一工件110和第二工件120逆时针转动，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图1和图2所示，在本实施方式中，在利用焊接设备定位第一工件110与第二工件120的步骤中，焊接设备能够向第一工件110的另一端施加一顶紧力F，以使第一工件110的圆形端面111顶紧于第二工件120的圆柱周面121。在其他实施方式中，亦可采用其他结构或方式将第一工件110与第二工件120定位，并不以本实施方式为限。

较佳地，在本实施方式中，焊接设备可以优选地包括ABB机器人与米加尼克焊机。在其他实施方式中，焊接设备还可以包括TAWERS机器人与ABB机器人，当然，焊接设备亦可包括其他种类或型号，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图1和图2所示，在本实施方式中，是采用摆动方式对两个最大间隙点A，B进行焊接，区别于现有工艺的固定位置的焊接。同时，本发明是优选地采用摆动进行长点焊对两个最大间隙点A，B进行焊接。相比于现有工艺的固定位置的短之间的点焊，本发明采用摆动进行长点焊能够减少在焊接过程中由于热输入不足和应力集中所导致的裂纹和未熔合。

较佳地，在本实施方式中，在第一道焊接时，可以优选地在焊枪200的摆动过程中，使焊枪200是在焊接处停留一设定时间，以此保证焊道与母材(第一工件110和第二工件120)的充分熔合。

进一步地，基于第一道焊接时焊枪200在焊接处停留设定时间的设计，在本实施方式中，该设定时间可以优选地采用小于或等于1s，例如1s、0.8s、0.55s、0.3s等。在其他实施方式中，第一道焊接时焊枪200在焊接处停留的设定时间亦可大于1s，例如1.1s、1.35s、2.1s等，并不以本实施方式为限。

较佳地，在本实施方式中，第一道焊接的焊接电流可以优选为180A～260A，例如180A、200A、220A、240A等。在其他实施方式中，第一道焊接的焊接电流亦可选择其他电流值或范围，并不以本实施方式为限。

较佳地，在本实施方式中，第一道焊接的焊接速度可以优选为0.3m/min～0.6m/min，例如0.3m/min、0.45m/min、0.5m/min等。在其他实施方式中，第一道焊接的焊接速度亦可选择其他速度值或范围，并不以本实施方式为限。

较佳地，在本实施方式中，第二道焊接的焊接电流可以优选为180A～260A，例如180A、200A、220A、240A等。在其他实施方式中，第二道焊接的焊接电流亦可选择其他电流值或范围，并不以本实施方式为限。

较佳地，在本实施方式中，第二道焊接的焊接速度可以优选为0.2m/min～0.6m/min，例如0.2m/min、0.35m/min、0.4m/min、0.52m/min等。在其他实施方式中，第二道焊接的焊接速度亦可选择其他速度值或范围，并不以本实施方式为限。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的焊接工艺仅仅是能够采用本发明原理的许多种焊接工艺中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的焊接工艺的任何细节或焊接工艺的任何步骤。

综上所述，本发明提出的焊接工艺，在两个最大间隙点处是采用摆动焊接，有起弧点开始的第一道焊接是采用摆动焊接，并在第一道焊接后不停留立刻进行第二道焊接，从而利用第一道焊接为第二道焊接预热，同时利用第二道焊接为第一道焊接回火。通过上述设计，本发明利用摆动焊接替代现有工艺中的固定位置焊接对最大间隙点进行焊接，能够减少焊接过程中由于热输入不足和应力集中所导致的焊接裂纹和未熔合等不良。

以上详细地描述和/或图示了本发明提出的焊接工艺的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的焊接工艺进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种焊接工艺，用于焊接均呈圆柱型的第一工件和第二工件，所述第一工件与所述第二工件的轴向相垂直，所述第一工件的其中一端的周缘形成坡口结构并形成圆形端面，所述焊接工艺是将所述圆形端面焊接于所述第二工件的圆柱周面，所述第一工件的直径小于所述第二工件的直径，且小于或等于所述第二工件的轴向高度，其特征在于，所述焊接工艺包括以下步骤：

利用焊接设备定位所述第一工件与所述第二工件；

在所述圆形端面与所述圆柱周面之间的两个最大间隙点，采用摆动焊接；

在所述圆形端面与所述圆柱周面之间选择一起弧点，所述起弧点对应于所述圆形端面的对应圆圆周的位于所述两个最大间隙点之间的位置；以及

由所述起弧点起弧进行焊接，同时利用所述焊接设备以所述第一工件中心线为轴同步旋转所述第一工件和所述第二工件，该焊接过程包括两道焊接，第一道焊接采用摆动焊接，且第一道焊接后不停留立刻进行第二道焊接。

2.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，利用所述焊接设备定位所述第一工件与所述第二工件时，所述焊接设备被配置为向所述第一工件的另一端施加一顶紧力，以使所述第一工件的所述圆形端面顶紧于所述第二工件的圆柱周面。

3.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，所述焊接设备包括ABB机器人与米加尼克焊机；或者，所述焊接设备包括TAWERS机器人与ABB机器人。

4.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，在所述圆形端面与所述圆柱周面之间的两个最大间隙点，采用摆动进行长点焊。

5.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，在第一道焊接的焊枪摆动过程中，所述焊枪是在焊接处停留一设定时间。

6.根据权利要求5所述的焊接工艺，其特征在于，所述设定时间小于或等于1s。

7.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，第一道焊接的焊接电流为180A～260A。

8.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，第一道焊接的焊接速度为0.3m/min～0.6m/min。

9.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，第二道焊接的焊接电流为180A～260A。

10.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，第二道焊接的焊接速度为0.2m/min～0.6m/min。

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