CN112222568A - 建筑用高强结构钢q390gj的机器人焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺。该机器人焊接工艺为：选用实心焊丝ER50‑6或药芯焊丝E501T‑1，采用Ar+CO2混合气体保护焊，平焊或横焊位置采用脉冲电流焊接，立焊位置采用直流焊接；当板厚不大于16mm时，采用V形坡口，坡口角度为60°；当板厚大于16mm时，采用不对称的X形坡口，正面坡口角度α1≥45°，深度为2/3板厚，反面坡口角度α2，且(α2‑α1)≥15°，深度为1/3板厚。本发明解决了建筑用高性能结构钢Q390GJ的机器人对接焊的焊接难题，特别适用于厚度在16～30mm的Q390GJ钢板焊接。按照本发明的工艺进行焊接，获得的焊接接头无损检测合格率高，综合力学性能优良，满足了Q390GJ的机器人对接焊的技术要求。

Description

建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺
技术领域
本发明涉及一种建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，尤其是建筑用高强结构钢Q390GJ的Ar+CO2混合气体保护焊机器人焊接工艺，属于建筑钢结构焊接技术领域。
背景技术
钢结构行业是我国国民经济发展的重要行业。随着钢结构行业的快速发展，钢结构工程质量和效率的要求越来越高。焊接技术作为是钢结构工程建设的重要技术之一，钢结构行业对焊接效率和焊缝质量提出了更高要求。但我国钢结构焊接以手工或半自动焊接为主，焊接质量的稳定性和一致性难以保证，生产效率难以有效提高，另外由于满足技能要求的焊工严重短缺，人工成本的攀升导致钢结构工程造价不断提高。因此钢结构行业迫切需要改变传统焊接加工方式，以提升焊接质量、提高焊接效率。机器人焊接具有优质高效、降低成本、节约资源的优点，是钢结构焊接制造技术发展的重要方向，也是智能化焊接发展和应用的基础，已成为国内外钢结构行业关注的热点之一。
在欧洲、美国和日本等工业发达国家，钢结构企业早已实现机器人焊接制造，钢结构焊接制造的机械化、智能化程度高。例如早在2007年，日本钢结构焊接机器人就已超过3000台。与工业发达国家相比，我国钢结构行业的机器人焊接应用尚处于起步阶段。
综合分析我国钢结构构件特点，机器人焊接技术在我国钢结构领域应用存在以下几个问题：(1)钢结构构件设计的标准化程度低，导致焊接辅助时间长。(2)钢结构构件装配偏差大、坡口加工精度低，不利于保证机器人焊接质量。(3)钢结构领域应用的焊接机器人是“示教再现型”，智能化程度较低，欠缺对外部信息实时传感和反馈调节的能力。前道焊缝的成形质量及其带来的焊接变形会影响后续焊缝起始点定位的精度和路径规划的准确性，而焊接机器人尚未达到根据客观环境自行编程的高度智能化程度，不足以自动识别焊接过程的变化，也难以实时反馈并调整关键焊接参数。机器人缺乏主动预防焊接缺陷产生的手段，反而会导致构件焊接质量下降，甚至出现质量不合格的情况。
在我国现行国家标准《钢结构焊接规范》GB50661-2011中，尚未对机器人焊接工艺等做出规定，本发明针对建筑用高强结构钢Q390GJ开展机器人焊接工艺的研究，以推动机器人焊接技术在建筑钢结构领域的应用，特别是有利于促进高强结构钢Q390GJ机器人焊接在钢结构领域的应用。
发明内容
基于以上现有技术，本发明的目的在于提供一种建筑用高强结构钢的机器人焊接工艺。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，选用实心焊丝ER50-6或药芯焊丝E501T-1，采用Ar+CO2混合气体保护焊，平焊或横焊位置采用脉冲电流焊接，立焊位置采用直流焊接；当板厚不大于16mm时，采用V形坡口，坡口角度为60°；当板厚大于16mm时，采用不对称的X形坡口，正面坡口角度α1≥45°，深度为2/3板厚，反面坡口角度α2，且(α2-α1)≥15°，深度为1/3板厚。
其中，所述高强结构钢的板厚范围为8mm～30mm。
在本发明中，采用左焊法，焊枪轴线与焊接方向的夹角为85°。坡口根部间隙为2～4mm，无钝边。当板厚大于16mm时，采用不对称焊接顺序，先焊接正面坡口并填充至其宽度与反面坡口宽度相等，然后翻转试件、清根并焊满反面坡口，随后再次翻转试件并焊满正面坡口。
优选的，本发明所述的机器人对接焊工艺，进行平焊或横焊时，采用脉冲电流多层多道焊接，所述焊接工艺还包括：
(1)打底焊缝：脉冲电流250～270A，焊接电压25～28V，焊接速度41～45cm/min；(2)填充焊缝：脉冲电流285～310A，焊接电压26～29V，焊接速度46～50cm/min；(3)盖面焊缝：脉冲电流250～270A，焊接电压25～28V，焊接速度41～45cm/min。
优选的，本发明所述的机器人对接焊工艺，进行立焊时，采用直流摆动焊接，所述焊接工艺还包括：
(1)底层焊缝：焊接电流110～130A，焊接电压17～18V，焊接速度7～8cm/min，摆动幅度2.5～3.5mm，摆动频率1.0～1.2Hz；(2)盖面焊缝：焊接电流100～120A，焊接电压15～17V，焊接速度5～7cm/min，摆动幅度4.0～4.5mm，摆动频率1.0～1.2Hz。
本发明的有益效果为：
本发明解决了建筑用高性能结构钢Q390GJ的机器人对接焊的焊接难题，特别适用于厚度在16～30mm的Q390GJ钢板焊接。按照本发明的工艺进行焊接，获得的焊接接头无损检测合格率高，综合力学性能优良，满足了Q390GJ的机器人对接焊的技术要求。
本发明提出的建筑用高性能结构钢Q390GJ焊接工艺，对推动Q390GJ钢机器人气体保护焊在我国钢结构工程中的应用具有重要意义。
附图说明
图1是本发明焊接工艺中板厚大于16mm时采用坡口形式的示意图。
图2是本发明焊接工艺中板厚大于16mm时采用焊接顺序的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但所列举的实施例并不用于限制本发明。
焊接过程中不可避免的会带来焊接变形，焊接工人可以识别焊接变形带来的焊接起始点和焊接路径的变化；而机器人焊接时，由于机器人欠缺对外部信息实时传感和反馈调节的能力，每道焊缝带来的焊接变形难以提前预判，特别是钢结构构件焊接涉及多层多道焊，焊接变形不断累积，后续焊道焊接时由于焊接变形累积的多，实际焊接路径和示教路径偏差增加，焊缝内部将出现未熔合等缺陷，导致焊缝不合格。因此需要通过机器人焊接工艺参数和焊接顺序的优化，减少焊接变形，控制焊接质量。
优化机器人焊接工艺参数，减少焊接变形的重要途径之一是减少焊接热过程对母材金属的影响。一方面是减小焊接热输入，但焊接热输入过小熔池的流动性变差，焊缝中易产生层间或道间未熔合等严重缺陷；另一方面是在焊接热输入相同的情况下，采用强规范焊接(大焊接电流配合高焊接速度)，焊接加热速度和冷却速度快，焊接热影响区小，焊接变形也小。通常在手工焊接或半自动焊接，受人工操作的限制，其焊接速度较低，例如在专利文献CN103801804A(申请号：201410081607.7)中，气体保护焊横焊时打底焊缝焊接速度不超过40cm/min，填充焊缝焊接速度不超过45cm/min，盖面焊缝焊接速度不超过40cm/min。而本发明则充分发挥机器人焊接实现高速度焊接的特点，在横焊位置焊接时，采用大电流高速度焊接，通过提高规范强度减小焊接变形量；在立焊位置焊接时，采用直流摆动焊接，通过减小热输入控制焊接变形量，并借助摆动过程加大电弧对焊接熔池的搅拌作用，避免焊缝中未熔合缺陷的产生。另外，本发明在机器人平焊或横焊位置创新性的采用了脉冲电流焊接，在均值电流相同的情况下，熔池为断续加热，熔池高温停留时间短，凝固速度快，对控制焊接变形非常有利。
机器人焊接减少焊接变形的另一个重要途径是焊接顺序的优化，即通过合理安排焊接道次，减少焊接变形，控制焊接质量。对于板厚大于16mm的板材，如果采用传统V型坡口焊接，焊接量大，焊接变形难以控制；采用对称坡口和反复对称焊接，对控制焊接变形最为有利，但需要涉及焊接试件的多次翻转，焊接辅助时间过长，焊接效率低；为了尽量减少试件翻转次数和控制变形，传统方法通常为：焊缝正面先焊一道焊缝满足背面清根的要求后，翻转试件、反面清根并将反面坡口焊满，随后再次翻转试件焊满正面坡口，但该方法因正面坡口和反面坡口焊接时的拘束度不同，最终仍会存在焊接变形；在焊接前施加适当的反变形，可以有效控制焊接变形量。但对于机器人焊接而言，特别是其应用于现场构件焊接时，受其他相关构件的限制，往往不允许预制反变形。本发明采用不对称坡口和不对称焊接顺序，成功控制焊接变形。本发明优选不对称的X形坡口，正面坡口角度α1不小于45°，深度为2/3板厚，反面坡口角度α2，且(α2-α1)≥15°，深度为1/3板厚。本发明优选的不对称焊接顺序为，先焊接正面坡口，填充至宽度与反面坡口宽度相等，然后翻转试件、反面清根并焊满反面坡口，随后再次翻转试件焊满正面坡口。采用本发明优选的机器人焊接工艺，焊接变形小，机器人示教路径和实际路径偏差小，为机器人焊接的焊缝质量提供了保证。
以下通过具体实施例对本发明做进一步说明。
对实施例的机器人焊接工艺按照国家标准《钢结构焊接规范》GB50661-2011进行评定，评定内容如下：
1、机器人对接焊缝的无损检测
无损检测采用超声波检测方法，按《钢结构焊接规范》GB50661-2011的规定进行，焊缝质量不低于一级焊缝的质量要求。
2、机器人对接焊缝的拉伸试验检测
按照国家标准《钢结构焊接规范》GB50661-2011要求，在对接焊缝上取2件横向拉伸试样，拉伸试验按照GB/T2651《焊接接头拉伸试验方法》进行。
每个拉伸试样的抗拉强度值不应小于该母材标准中相应规格规定的下限值，对母材为Q390GJ的对接接头而言，其拉伸试样的抗拉强度值不得低于490MPa。
3、机器人对接焊缝的弯曲试验检测
按照国家标准《钢结构焊接规范》GB50661-2011要求，在对接焊缝上取4件弯曲试样，当母材板厚不大于14mm时，取面弯试样、背弯试样各2件，弯曲试样的厚度为母材全厚度；当母材板厚大于14mm时，取4件侧弯试样，试样厚度为10mm。
弯曲试验按照GB/T2653《焊接接头弯曲试验方法》进行，弯心直径为弯曲试样厚度的4倍，弯曲角度为180°。
弯曲试验的合格标准为：试样任何方向裂纹及其它缺陷单个长度不应大于3mm；试样任何方向不大于3mm的裂纹及其它缺陷的总长不应大于7mm；四个试样各种缺陷总长不应大于24mm。
4、机器人对接焊缝的冲击试验检测
按照国家标准《钢结构焊接规范》GB50661-2011要求，在对接焊缝上取6件冲击试样，其中3件冲击试样的缺口在焊缝，3件冲击试样的缺口在热影响区。
冲击试验按照GB/T2650《焊接接头冲击试验方法》进行，焊缝及热影响区各三个试样的冲击功平均值达到母材标准规定或设计要求的最低值，并允许一个试样低于以上规定值，但不得低于规定值的70％。对母材为Q390GJ的对接接头而言，冲击试验的温度选为0℃，焊缝及热影响区各三个试样的冲击功平均值不低于27J，并允许一个试样的冲击功低于27J，但不得低于19J。
实施例1
建筑高性能结构钢Q390GJ的机器人气体保护焊平焊焊接工艺，气体成分为80％Ar+20％CO2，气体流量为18L/min，板厚为10mm，焊接坡口采用V形坡口，坡口角度60°，坡口间隙2～4mm，焊材选用E501T-1药芯焊丝，焊丝规格为1.2mm。
焊接机器人：埃夫特ER6B-C60+麦格米特Arsten Plus 500，采用脉冲电流焊接。
预热温度：20℃，道间温度：20～200℃，其他参数见下表。
电流(A) 电压(V) 焊接速度(cm/min) 热输入(kJ/cm)
1、打底焊缝 250～270 25～28 41～45 8.3～11.1
2、填充焊缝 285～310 26～29 46～50 8.9～11.7
3、盖面焊缝 250～270 25～28 41～45 8.3～11.1
采用以上焊接工艺进行的机器人焊接试验结果见下表，焊接工艺评定合格。
Figure BDA0002734430250000051
注：弯心直径40mm，弯曲角度180°。
实施例2
建筑高性能结构钢Q390GJ机器人气体保护焊平焊焊接工艺，气体成分为80％Ar+20％CO2，气体流量为18L/min，板厚30mm，焊接坡口采用图1坡口形式，焊材选用ER50-6实芯焊丝，焊丝规格为1.2mm。
焊接机器人：埃夫特ER6B-C60+麦格米特Arsten Plus 500，采用脉冲电流焊接。
预热温度：20℃，道间温度：20～200℃，焊接顺序见图2，按照①→②→③的顺序焊接，其他参数见下表。
Figure BDA0002734430250000061
采用以上焊接工艺进行的机器人焊接试验结果见下表，焊接工艺评定合格。
Figure BDA0002734430250000062
注：弯心直径40mm，弯曲角度180°。
实施例3
建筑高性能结构钢Q390GJ机器人气体保护焊横焊焊接工艺，气体成分为80％Ar+20％CO2，气体流量为18L/min，板厚20mm，焊接坡口采用图1坡口形式，焊材选用ER50-6实芯焊丝，焊丝规格为1.2mm。
焊接机器人：埃夫特ER6B-C60+麦格米特Arsten Plus 500，采用脉冲电流焊接。
预热温度：20℃，道间温度：20～200℃，焊接顺序见图2，按照①→②→③的顺序焊接，其他参数见下表。
Figure BDA0002734430250000071
采用以上焊接工艺进行的机器人焊接试验结果见下表，焊接工艺评定合格。
Figure BDA0002734430250000072
注：弯心直径40mm，弯曲角度180°。
实施例4
建筑高性能结构钢Q390GJ机器人气体保护焊立焊焊接工艺，气体成分为80％Ar+20％CO2，气体流量为18L/min，板厚10mm，焊接坡口采用V形坡口，坡口角度60°，坡口间隙2～4mm，焊材选用E501T-1药芯焊丝，焊丝规格为1.2mm。
焊接机器人：埃夫特ER6B-C60+麦格米特Arsten Plus 500，采用直流焊接。
预热温度：20℃，道间温度：20～200℃，其他参数见下表。
Figure BDA0002734430250000073
采用以上焊接工艺进行的机器人焊接试验结果见下表，焊接工艺评定合格。
Figure BDA0002734430250000074
注：弯心直径40mm，弯曲角度180°。
实施例5
建筑高性能结构钢Q390GJ机器人气体保护焊立焊焊接工艺，气体成分为80％Ar+20％CO2，气体流量为18L/min，板厚30mm，焊接坡口采用图1坡口形式，焊材选用ER50-6实芯焊丝，焊丝规格为1.2mm。
焊接机器人：埃夫特ER6B-C60+麦格米特Arsten Plus 500，采用直流焊接。
预热温度：20℃，道间温度：20～200℃，焊接顺序见图2，按照①→②→③的顺序焊接，其他参数见下表。
Figure BDA0002734430250000081
采用以上焊接工艺进行的机器人焊接试验结果见下表，焊接工艺评定合格。
Figure BDA0002734430250000082
注：弯心直径40mm，弯曲角度180°。
以上，仅为本发明的较佳实施范例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，其特征在于，选用实心焊丝ER50-6或药芯焊丝E501T-1，采用Ar+CO2混合气体保护焊，平焊或横焊位置采用脉冲电流焊接，立焊位置采用直流焊接；当板厚不大于16mm时，采用V形坡口，坡口角度为60°；当板厚大于16mm时，采用不对称的X形坡口，正面坡口角度α1≥45°，深度为2/3板厚，反面坡口角度α2，且(α2-α1)≥15°，深度为1/3板厚。
2.根据权利要求1所述的建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，所述高强结构钢的板厚范围为8mm～30mm。
3.根据权利要求1所述的建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，其特征在于，采用左焊法，焊枪轴线与焊接方向的夹角为85°。
4.根据权利要求1所述的建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，其特征在于，坡口根部间隙为2～4mm，无钝边。
5.根据权利要求1所述的建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，其特征在于，当板厚大于16mm时，采用不对称焊接顺序，先焊接正面坡口并填充至其宽度与反面坡口宽度相等，然后翻转试件、清根并焊满反面坡口，随后再次翻转试件并焊满正面坡口。
6.根据权利要求1所述的建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，其特征在于，进行平焊或横焊时，采用脉冲电流多层多道焊接，所述焊接工艺还包括：
(1)打底焊缝：脉冲电流250～270A，焊接电压25～28V，焊接速度41～45cm/min；(2)填充焊缝：脉冲电流285～310A，焊接电压26～29V，焊接速度46～50cm/min；(3)盖面焊缝：脉冲电流250～270A，焊接电压25～28V，焊接速度41～45cm/min。
7.根据权利要求1所述的建筑用高强结构钢Q390GJ的机器人焊接工艺，其特征在于，进行立焊时，采用直流摆动焊接，所述焊接工艺还包括：
(1)底层焊缝：焊接电流110～130A，焊接电压17～18V，焊接速度7～8cm/min，摆动幅度2.5～3.5mm，摆动频率1.0～1.2Hz；(2)盖面焊缝：焊接电流100～120A，焊接电压15～17V，焊接速度5～7cm/min，摆动幅度4.0～4.5mm，摆动频率1.0～1.2Hz。
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CN114682886A (zh) * 2022-04-28 2022-07-01 河南鼎力杆塔股份有限公司 一种角铁塔包钢的焊接方法
CN114682886B (zh) * 2022-04-28 2024-03-19 河南鼎力杆塔股份有限公司 一种角铁塔包钢的焊接方法

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