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1、焊接机器人在轨道车辆铝合金焊接中的应 用王坚（南京工程学院康尼学院 K电力092 南京211177）摘 要: 从焊接效率、焊缝质量和力学性能等方面, 比较了双丝和单丝MIG 焊接机器人对铝型材焊接的适用性。对于焊接4V 坡口型材, 双丝比单丝焊接的焊丝熔化效率提高近1 倍, 而焊接热输入量降低了约18%, 保护气体用量节约33%, 焊缝抗拉强度提高约10 15MPa, 非常适合轨道车辆中的长直焊缝的焊接。另一方面, 双丝自动焊接机器人对操作者和设备本身要求更高, 目前在轨道车辆行业普及程度并不高。因此, 双丝取代单丝焊接仍需要一个长期的过程。关键词: 焊接机器人; 铝型材; 轨道车辆Appli

2、cation of Welding Robot in Aluminum Alloy Welding of Railway VehiclesAbstract: Compared double2wire with single2wire MIG welding robot from aspects of welding efficiency, weld quality andweld mechanical property. As far as welding of 4V profile was concer ned, the efficiency of double2wir e wel2ding

3、 was 100%more than that of single2wire, welding input reduced for 18%, amount of shielding gas saved for 33%, and strength wasimproved by 10 15MPa. Therefor, double2wire welding is suitable for long and straight welding in railway field. On theother hand, double2wire welding robot r equired higher l

4、evel for operator and equipment, so it is not employed universally,and it takes a long process for double2wire welding to replace single2wire welding.Key wor ds: welding r obot; aluminum alloy profile; railway vehicles前言焊接机器人由于具有较高的生产效率, 能够实 现焊接的自动化, 降低劳动强度而得到广泛应用。 近年来, 由于我国汽车、集装箱、机车车辆、工程 机械等行业的高速发展

5、, 对高速焊和高熔敷效率焊 接的需求越来越多。双丝焊是近年来发展起来的一 种高速高效焊接方法, 焊接薄板时可以显著提高焊 接速度, 达到3 6m/ min, 焊接厚板时可以提高熔 敷效率。除了高速高效外, 双丝焊接在熔敷效率增 加时保持较低的热输入, 热影响区小, 焊接变形小, 焊接气孔率低等, 尤其适用于焊接铝材。文章通过与单丝焊接机器人的焊接效率和焊缝质量进行比较, 来证明MIG 双丝焊接机器人焊接铝材的优越性。1 焊接效率比较随着CRH 型系列动车组的成功运营, 对动车组 的需求数量越来越多, 而其中性能最为优异的时速 350 km/ h CRH3 型动车组, 其铝合金车体的长纵 焊缝基

6、本上是由Cloos 焊接机器人来完成的。据统 计, 一辆铝合金车体中采用自动焊接的焊缝有44道, 而采用Cloos 焊接机器人焊接的焊缝达28 道。其 中母材最厚35mm, 最薄4mm; 焊缝形式涉及X型/ V 型以及搭接焊缝等。鉴于Cloos 焊接机器人在轨道车辆焊接中的广泛应用, 深入研究Cloos 焊接机器 人的焊接特性和使用范围, 对于提高焊接效率, 保 证焊缝质量等都具有重要意义。文章旨在通过对单 丝和双丝两种焊接机器人的焊接性能进行理论和试 验对比分析, 以确定其在轨道车辆铝合金焊接中的 适用性。 首先, 结合设备的性能特点对单丝和TAN2DEM 双丝焊接效率进行分析。当采用单丝焊

7、时, 如 果焊接速度较高, 电弧的热量没有充分地向母材扩 散, 形成的熔池小, 周围的母材温度梯度大, 熔池 凝固快, 熔化金属来不及和母材充分熔合, 因此需 要较高的焊接线能量。采用TANDEM 双丝焊时, 两 根焊丝互为加热, 充分利用电弧的能量, 实现较大 的熔敷率。为了具体比较单丝和 TANDEM 双丝焊熔化焊丝 效率, 选取轨道车辆焊接中最常见的 6005A 型材 4V 坡口为例, 分别选取实际生产用的焊接参数来 进行计算分析。分别采用 Cloos TANDEM 双丝和单 丝脉冲焊接机器人焊接型材和板材。具体的焊接参 数见表 1 和表 2。 1. 1 焊丝熔化效率比较 以单位时间内焊

8、丝熔化的总量来衡量焊丝的熔 化效率。双丝焊用 Fd 表示, 单丝焊用 Fs 表示: Fd= F1+ F2= 2. 89+ 1. 90= 4. 79 kg/ h 其中: F1 = QSd f 1=2. 66 g/ cm3 P( 1. 2/ 2) 2 mm2 267mm/ s=0. 803 g/ s= 2. 89 kg/ h F2 = QSd f 2=2. 66 g/ cm3 P( 1. 2/ 2) 2 mm2 175mm/ s=01 526 g/ s= 1. 90 kg/ h Fs = QSsf d=2. 66 g/ cm3 P( 1. 6/ 2) 2 mm2 125mm/ s=0. 669 g

9、/ s= 2. 41 kg/ h ( Fd - Fs) / Fs =( 4. 79- 2. 41) / 2. 41U98. 8% 可见, 同样焊接 4V 焊缝, 双丝比单丝焊接的焊丝 熔化效率提高近 1 倍。 1. 2 焊接热输入量比较 根据 EN1011 标准, 焊接热输入量的公式为:Q= kUI 10- 3 /MkJ # mm- 1 式中: k 为有效因子;MIG 焊取 0. 8。双丝焊热输 入量用 Qd 表示, 其中 1 丝热输入量 Q1 , 2 丝热输入量 Q2 :Qd= Q1+ Q2= 0. 152+ 0. 147= 0. 299 kJ/ mm 其中:Q1 = 20019. 00.

10、8 10- 3 / 20=0. 152kJ/ mm= 16023. 00. 810- 3 / 20= 0. 147kJ/ mm 单丝焊接热输入量用 Qs 表示:Qs = 232 23. 00. 810- 3 / 11. 7=0. 365kJ/ mm (Qs - Qd ) / Qs=( 0. 365- 0. 299) / 0. 365U18. 1% 可见, 焊接 4V 坡口对接焊缝, 双丝焊接比单丝焊 接热输入量减少了 18. 1%。而对于长度为 20m 的 大尺寸型材焊缝来讲, 双丝焊接热输入量将减少( 0. 365- 0. 299) 20000= 1320kJ 所以, 从提高 焊接效率、降低

11、焊接热输入量以及控制焊接变形方 面, Cloos 双丝将更具优势。 1. 3 单位长度消耗焊接材料比较 以 1m 为单位, 计算单位长度焊缝焊接所需保 护气体的用量。双丝焊消耗气体量用 Vd 表示, 单 丝用 Vs 表示:Vd= 1/ 1. 2 25= 20. 835 L Vs = 1/ 0. 722= 31. 43L 可见, 每焊接 1m 长的 4V 焊缝, 双丝比单丝焊接 节省保护气体的体积为: V= 31. 43- 20. 835 L= 10. 595 L 保护气体节约率达 33%。对于长度为 20m 的大尺寸 型材焊缝( 如车体中的地板) 来讲, 双丝焊接能够 节省的保护气体体积为 V

12、c= 10. 59520= 211. 9 L2 焊缝力学性能比较由于双丝焊焊接线能量较单丝焊低, 所以理论 上双丝焊比单丝焊焊缝的强度要高。下面通过试验 来进行验证, 单丝和双丝焊接板材 4V 焊缝的拉伸 性能分别见表 3 和表 4。根据 EN 485 和 ISO 15614 - 2 标准, 单丝 11 6mm 焊接 4V 对接板材, 抗拉强度要求值大于 3000. 6= 180MPa。可见, 尽管单丝和双丝焊接的 焊缝其抗拉强度均能满足力学性能要求, 但是双丝 焊后焊缝的抗拉强度比单丝焊后焊缝强度高出约 10 15MPa, 这主要是由于双丝焊接热输入量较小, 对 HAZ 的影响较小所致。3

13、金相分析按照表 1 中参数焊接型材后的焊缝制备了宏 观和微观金相试样。单丝和双丝焊焊缝宏观金相形 貌分别见图 1( a) 和( b) 所示。由图 1 可见, 单 丝和双丝尽管都能保证焊缝熔透, 但是单丝焊接在 近表面层更容易产生气孔, 而双丝焊接可以由 2 丝填丝将熔池中的气体及时排出, 有效地控制了气 孔的产生。热影响区微观金相形貌分别见图 2( a ) 和( b)示。参照表 3 和表 4 的结果, 单丝和双丝焊接 板材焊缝拉伸断裂区域均在热影响区( HAZ) 。由 图 2 中型材焊接的微观金相可见, 双丝焊缝热影响 区晶粒比单丝焊缝热影响区晶粒更加细小, 这主要 是由于双丝焊接热输入量较小

14、所致。晶粒细小其强 度一般较高。4 单丝和双丝焊接的应用4. 1 焊接中厚板对接焊缝 焊接中厚板铝合金通常采用大电流和粗焊丝或 高电流密度和细焊丝。前者容易导致焊接热输入过 大而使焊缝成形差, 容易产生/ 皱皮 0 现象; 采用 细丝大电流焊接时, 又对送丝速度要求极高 3 。为了减小焊接线能量, 不得已采用多层多道焊, 但是焊接效率降低, 同时增加了层间清理等焊接辅 助措施。采用双丝焊接, 通过协调器可调整各自参 数, 形成统一熔池, 最大限度地满足了电弧控制要 求, 从而获得了满意的熔池, 同时又提高了焊接效 率。根据文献 3 的报道, 采用自动双丝焊技术 焊接 12mm 厚纯铝板可一次成

15、形, 单面焊双面成形。 因此, 焊接中厚板, 采用双丝焊更具优势。 4. 2 焊接搭接焊缝 对于板厚较厚的搭接焊缝( 如平顶板的搭接焊 缝为 8mm+ 8mm 的 a5 焊缝) , 如果采用单丝焊接, 一般要至少进行 2 层 2 道焊, 如果采用 1 道焊接, 则无法使根部熔深和表面焊角这两个方面都兼顾到。 如果采用双丝焊接, 在焊接过程中调节 1 丝电弧 短而集中, 以增大根部焊接熔深; 调节 2 丝电弧 长且发散, 以保证足够的焊角, 就可以有针对性地 解决以上问题。但是, 对于焊接板厚较薄的搭接焊 缝, 双丝焊接却具有一定的局限性。如焊接 4mm+ 4mm 搭接焊缝时, 由于焊速很快,

16、如果焊接过程中 干伸长部分焊丝指向产生弯曲, 就可能使焊接熔池 偏移, 容易产生咬边, 下板焊透甚至焊穿等严重焊 接缺陷出现。而单丝焊接虽然焊接效率较低, 但是 由于只采用单丝焊接, 焊接过程较稳定, 因此更容易控制操作。由于厚度较薄, 也可以更好地兼顾根 部熔深和焊角两个方面, 因此利用单丝焊接薄板搭 接焊缝更加合理。 4. 3 焊接大间隙对接焊缝 在轨道车辆大部件焊接过程中, 由于焊接变形 收缩, 焊缝焊前坡口间隙会明显增加, 如 4V 坡口 最大会产生约 2mm 间隙。如果采用单丝焊接, 主 要只能通过降低焊接速度/ 增加焊丝填充量来实现。 但是, 如果采用双丝焊接, 可以将双丝均调节成弧 长发散形式, 保证足够的焊缝熔合宽度, 同时又可 以保证较快的焊接速度。 4. 4 焊接错边对接焊缝 焊前错边是轨道车辆车体大部件对接焊缝焊接 过程中极易产生的问题。如果对接焊缝产生错边, 则焊缝根部熔透难度增大, 因此, 需要将电弧集中 同时压低以保证根部熔透, 但是错边也使焊缝厚度 和熔