導(dǎo)讀:傳統(tǒng)中厚板行業(yè)具有焊接量大、焊接工藝復(fù)雜、質(zhì)量穩(wěn)定性差、自動化程度低等特點(diǎn)。各方面的因素很大程度上限制了焊接效率的提升，因此高速高效焊接工藝在中厚板行業(yè)若能得到廣泛應(yīng)用，將會對提升整體行業(yè)的生產(chǎn)效率起到重要的作用。本文主要介紹了松下作為焊接設(shè)備生產(chǎn)制造及應(yīng)用廠商，針對在中厚板行業(yè)的焊接課題，從打底焊、深熔焊以及填充蓋面焊接等不同方向出發(fā)，開發(fā)與之相對應(yīng)的高速高效焊接設(shè)備及相關(guān)工藝，解決用戶實際生產(chǎn)課題，推動中厚板焊接行業(yè)向高效焊接的方向發(fā)展。
前言
隨著全球制造業(yè)高速發(fā)展，以鋼鐵工業(yè)為主導(dǎo)的建筑、鋼結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械、壓力容器等行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中將會占據(jù)越來越重要的地位。世界鋼鐵協(xié)會和國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量占到全球產(chǎn)量的50%以上，而鋼產(chǎn)量的40%～60%需要通過焊接加工實現(xiàn)其應(yīng)用。并且在建筑、鋼結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械及壓力容器等行業(yè)，中厚板材料的應(yīng)用非常普遍，據(jù)不完全統(tǒng)計其用量已經(jīng)超過60%。由于中厚板用量占有相當(dāng)大的比重，且其焊接工作是行業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，故提升中厚板焊接效率對行業(yè)整體生產(chǎn)效率的提升具有重大意義。
中厚板焊接量大、對焊接質(zhì)量要求高，通常涉及打底、填充和蓋面不同的焊接工藝，焊接工藝相對復(fù)雜。因此，發(fā)展高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的中厚板焊接工藝仍然是當(dāng)前制造業(yè)迫切需要解決的課題。根據(jù)不同行業(yè)中厚板焊接面臨的課題與挑戰(zhàn)，可以從以下兩方面考慮來提升焊接效率。一方面是增加打底焊的熔覆效率或者是熔深，以減小后續(xù)焊接所需的工作量；另一方面是提升填充和蓋面的熔覆效率，提高焊接速度及焊接效率。
高效打底焊接工藝
非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG焊接）具有穩(wěn)定性高、焊接接頭質(zhì)量高的特點(diǎn)，因此經(jīng)常被用于重要產(chǎn)品的打底焊接。但是由于受到電弧功率的限制，傳統(tǒng)的TIG焊接電弧穿透力不足，而且TIG焊接速度慢，焊接效率較低。因此，如果可以提高TIG焊的焊接速度，中厚板打底焊接的效率將會大幅提升。
熔化極氣體保護(hù)焊（MIG／MAG焊接）具有穩(wěn)定性較高、焊接效率高的特點(diǎn)，經(jīng)常用于一般情況下的打底、填充和蓋面焊接。然而針對要求全熔透的焊接接頭，例如V形坡口和K形坡口的焊接，如果采用普通的熔化極氣保焊進(jìn)行打底焊接，會由于電弧的穿透能力有限而無法實現(xiàn)焊接接頭的全熔透。因此，如果可以在熔化極氣體保護(hù)焊的基礎(chǔ)上提升電弧的穿透能力，實現(xiàn)深熔弧、大熔深的焊接，就能減少全熔透形式焊接接頭背面清根工序，大幅度提升焊接生產(chǎn)效率。
高效TIG焊接
⑴高效TIG焊接原理
高效TIG焊是在傳統(tǒng)TIG焊基礎(chǔ)上發(fā)展的一種高效的熱絲TIG焊接方法。與傳統(tǒng)的熱絲TIG焊接相比較，高效TIG焊添加了帶高頻線性振動的送絲機(jī)構(gòu)，通過焊絲的高頻線性振動，一方面促使熔滴主動脫離焊絲進(jìn)入熔池，提升焊接速度；另一方面通過熔滴的傳遞，對熔池進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，震蕩熔池，增加熔池流動性，有利于熔池中氣體和夾雜的排出，增加結(jié)晶過程中液態(tài)金屬的運(yùn)動，從而有效的提高焊接速率和減少焊縫缺陷，提高了焊縫質(zhì)量。高效TIG焊接設(shè)備如圖1所示。
圖1 高效TIG焊接設(shè)備
⑵高效TIG焊接特點(diǎn)
高效TIG焊接工藝通過硬件裝置和軟件控制的結(jié)合，可以實現(xiàn)熱絲、振動熱絲等不同功能，其具有以下性能優(yōu)勢：
1)可實現(xiàn)優(yōu)異的全位置焊接性能，滿足全位置焊接需求。
2)熱輸入和焊后變形量較低，具有較高的焊接質(zhì)量。
3)焊接速率較高，焊速可達(dá)0.7m/min。
4)不同焊接材料均采用氬氣保護(hù)，降低了焊接成本，還避免了混合氣配比的影響。
5)可實現(xiàn)窄間隙焊接(高效TIG的送絲速度與焊接電流是獨(dú)立控制的）。
⑶高效TIG焊接應(yīng)用
針對雙相不銹鋼、鎳合金、鈦合金、鋁合金、銅合金、高強(qiáng)鋼等焊接難度較大、焊接質(zhì)量要求高的特種焊接領(lǐng)域，采用高效TIG焊接一方面可以保證焊接接頭質(zhì)量，另一方面還可以大幅度提升焊接效率。
圖2為采用高效TIG焊接工藝進(jìn)行的管道的打底及填充焊接。打底焊能夠?qū)崿F(xiàn)單面焊雙面成形，且焊縫成形均勻一致。填充以及蓋面焊接可以增大熱絲電流并提高填絲速度，焊接速度較普通TIG焊接速度提升1倍以上。
圖2 高效TIG焊接管道
圖3為采用高效TIG焊接工藝進(jìn)行純Ti的焊接。角焊縫表面呈金黃色，熱輸入量低，有助于控制焊接接頭的氧化情況。由于高效TIG焊接速度快，可以更加容易地控制焊接過程中線能量，確保焊接純Ti的焊接接頭的焊縫成形及內(nèi)部焊接質(zhì)量。多層多道焊接純Ti，焊接接頭滿足無損檢測要求，同時各項力學(xué)性能測試也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖3 高效TIG焊接純Ti
深透弧焊接
⑴深透弧技術(shù)原理
深透弧技術(shù)，是指在普通熔化極氣體保護(hù)焊的基礎(chǔ)上通過特殊波形控制，疊加高頻脈沖，起到壓縮電弧的作用，從而實現(xiàn)大熔深焊接效果。與此同時，深透弧可以通過調(diào)節(jié)電弧特性功能改變電弧的集中以及發(fā)散程度。
⑵深透弧焊接應(yīng)用
1)單V形坡口T形接頭單面焊雙面成形
針對板厚10～22mm的T形接頭，一般情況下開單V形坡口，坡口角度40°～50°。采用傳統(tǒng)焊接方式想實現(xiàn)單面焊雙面成形，就需要預(yù)留組對間隙，但是在實際生產(chǎn)過程中很難滿足要求。采用深透弧模式進(jìn)行焊接，可以滿足在鈍邊0～2mm，間隙0～1mm的條件下實現(xiàn)單面焊雙面成形，提升焊接接頭質(zhì)量，深透弧不同形態(tài)及熔深圖如圖4所示，焊縫成形如圖5所示。深透弧的深熔模式，可以增大焊縫坡口根部熔深，達(dá)到熔透效果。機(jī)器人焊接使用擺動功能，在提升了電弧對組對間隙的適應(yīng)性，改善了焊縫背部成形的均勻性、一致性的同時，增加電弧跟蹤功能，通過監(jiān)測擺動過程中電流的變化情況，實時反饋焊縫中心位置變化，達(dá)到實時補(bǔ)償?shù)暮附有Ч?，保證焊縫成形穩(wěn)定。
圖4 深透弧不同形態(tài)及熔深圖
圖5 深透弧單面焊雙面成形
2)K形坡口全熔透焊接
針對板厚20mm以上的T形接頭，一般情況開K形坡口，坡口角度40°～50°。使用傳統(tǒng)的焊接方式，要想保證接頭的全熔透，首先需要進(jìn)行正面打底焊，在背面清根后進(jìn)行反面打底焊，從而保證接頭的全熔透。目前，背面清根一般采用碳弧氣刨的方式，不僅操作工工作強(qiáng)度大，而且對環(huán)境污染較大。采用深透弧深熔模式，可以滿足在鈍邊0～3mm，組對間隙0～1mm的條件下，實現(xiàn)K形坡口雙面焊全熔透的焊接效果，如圖6所示，滿足UT探傷檢測要求，減少背面清根工序工作量。
圖6 K形坡口全熔透焊接
高效填充、蓋面焊接工藝
填充和蓋面焊接一般采用熔化極氣體保護(hù)焊（MIG／MAG焊），提升焊接效率需要從提高焊接速度和焊絲熔覆率兩方面考慮，即高速和高效，但這兩方面最終都?xì)w結(jié)于受焊接電流大幅提高的影響。然而當(dāng)電流超過第二臨界電流時，熔滴過渡方式會轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)射流過渡，此時電弧不穩(wěn)定、飛濺大、焊縫成形差，反而不利于焊接。因此，如果能在保證大電流的前提下實現(xiàn)穩(wěn)定的熔滴過渡，將大大提高填充、蓋面焊接的效率。松下針對高速、高效的填充、蓋面焊接，開發(fā)了包括TANDEM串列雙絲、DeepenTwin單電雙絲，以及單絲大電流脈沖焊接等不同模式，可以適應(yīng)于不同的焊接需求。
TANDEM串列雙絲焊接
⑴TANDEM串列雙絲原理
TANDEM串列雙絲是目前應(yīng)用最多的雙絲焊接系統(tǒng)，由兩臺數(shù)字逆變焊機(jī)、兩臺送絲機(jī)以及一把焊槍組成。兩根焊絲分別由各自的送絲機(jī)構(gòu)和兩個相互絕緣的導(dǎo)電嘴送絲，并且由兩臺電源單獨(dú)供電，在焊絲與工件之間形成兩個共熔池的獨(dú)立電弧。TANDEM串列雙絲焊接特點(diǎn)不同于傳統(tǒng)的單電弧焊接，是前后串列形成兩個電弧進(jìn)行加熱，形成了長橢圓狀熔池，改變了熔池?zé)崃糠植紶顟B(tài)并降低其周圍的溫度梯度，因此TANDEM串列雙絲焊既降低了咬邊傾向，又實現(xiàn)了高速焊接。同時，由于兩個電弧交替燃燒，實現(xiàn)了對熔池的攪拌作用，改善了熔池的結(jié)晶過程，有利于熔池中氣體的逸出，從而提升了焊接接頭質(zhì)量。TANDEM串列雙絲原理及高速攝影如圖7所示。
圖7 TANDEM串列雙絲原理及高速攝影
⑵松下TANDEM串列雙絲工藝特點(diǎn)
1)脈沖相位調(diào)整，相位0～270°可調(diào)，可以調(diào)整熔滴脫落時機(jī)，優(yōu)化焊縫質(zhì)量和表面成形，降低飛濺。
2)脈沖比調(diào)整，主從機(jī)脈沖比1～3可調(diào)，實現(xiàn)更寬的主從機(jī)電流匹配范圍，從而實現(xiàn)焊縫熔深可調(diào)。
3)單絲起收弧控制，實現(xiàn)單絲延遲起收弧控制，可以解決起弧過程中電弧干擾以及單絲收弧填充弧坑，避免火口裂紋。
4)單雙絲切換控制，實現(xiàn)焊接過程中單弧和雙弧焊接切換。
5)主從機(jī)切換控制，解決更改焊接方向后的主從機(jī)切換。
6)由于焊槍形狀及尺寸限制，適合長直焊縫焊接，不太適合短焊縫及空間干涉較多的情況焊接。
⑶松下TANDEM串列雙絲焊接應(yīng)用
1)松下TANDEM串列雙絲高速焊接
汽車衡（U形肋）焊接，板厚6～14mm，要求8mm以上的焊腳尺寸。傳統(tǒng)的單絲焊接，在滿足8mm焊腳尺寸要求的前提下，焊接速度一般為0.4～0.5m/min之間。使用松下TANDEM串列雙絲高速焊，通過硬件配置與軟件的協(xié)同控制，在滿足8mm焊腳尺寸的基礎(chǔ)上，焊接速度可以提升到1.2～1.5m/min，同時焊接過程中電弧穩(wěn)定，飛濺小，生產(chǎn)效率提升了2倍以上。
2)松下TANDEM串列雙絲高效焊接
重卡車橋的焊接一般主要分為兩個部分，一是車橋縱縫的焊接，另一個是車橋加強(qiáng)圈環(huán)縫焊接。縱縫為開坡口的對接焊縫，傳統(tǒng)的焊接方式采用單絲焊接，焊接速度為0.25～0.3m/min，而采用松下TANDEM串列雙絲焊接，焊接速度可以達(dá)到0.6～0.7m/min，焊接效率提升一倍以上，綜合生產(chǎn)效率提升30%以上。圖8是TANDEM串列雙絲高速焊U形肋，圖9和圖10分別為采用松下TANDEM串列雙絲焊接車橋縱縫和環(huán)縫的焊縫外觀成形，焊縫成形均勻一致，無氣孔、咬邊等焊接缺陷，工件焊縫周圍飛濺附著量少，減少了后續(xù)打磨工作量。
圖8 TANDEM串列雙絲高速焊U形肋
圖9 車橋縱縫焊接
圖10 車橋加強(qiáng)圈環(huán)縫焊接
DeepenTwin單電雙絲焊接
⑴DeepenTwin單電雙絲焊原理
DeepenTwin單電雙絲系統(tǒng)是由一臺數(shù)字逆變脈沖電源，一臺送絲機(jī)以及一把焊槍構(gòu)成的。其特點(diǎn)是兩根焊絲分別通過一個導(dǎo)電嘴的兩個孔進(jìn)行送絲，兩根焊絲共同形成一個焊接電弧。圖11所示是DeepenTwin單電雙絲熔滴過渡，與單絲熔滴相比，雙絲之間是以“液橋”的形式連接，形成一個較大熔滴和單一的電弧。比起單絲電弧，雙絲焊具有更寬的弧柱區(qū)，電弧熱分布更均勻，有利于降低咬邊和裂紋傾向。DeepenTwin打破了單絲最高電流域的限制，在額定輸出功率下，最高熔覆率可提高50%。單電雙絲與單絲熔覆率對比如圖12所示。
圖11 DeepenTwin單電雙絲熔滴過渡
圖12 DeepenTwin單電雙絲與單絲熔覆率對比
⑵DeepenTwin單電雙絲焊工藝特點(diǎn)
1)系統(tǒng)簡單，容易操作。
2)單一電弧，不存在電弧干擾，飛濺小。
3)焊接效率高，最大熔覆率提升50%。
4)焊槍指向性更靈活，沒有焊接位置限制。
5)雙孔導(dǎo)電嘴可以旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)焊絲的方向，操作更方便。
6)適用于手工焊、專機(jī)、機(jī)器人自動焊接。
⑶DeepenTwin單電雙絲焊應(yīng)用
DeepenTwin單電雙絲適用于有高熔覆率焊接需求的工況，既適用于專機(jī)和機(jī)器人等自動化條件焊接，同樣也適用于手工焊接。圖13為采用DeepenTwin單電雙絲進(jìn)行管板焊接，DeepenTwin單電雙絲可以使用兩根直徑1.0mm的焊絲，在400A電流下仍然可以獲得穩(wěn)定的焊接效果，焊縫成形好，飛濺低。使用DeepenTwin可以提升適用電流閾值，焊接效率較使用單絲焊接提升大約30%。
圖13 DeepenTwin單電雙絲焊接
單絲大電流焊接
⑴單絲大電流焊接難點(diǎn)
在450A以上的電流范圍內(nèi)，大量焦耳熱的產(chǎn)生使得焊絲尖端熔化，并在電磁力的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成我們常說的旋轉(zhuǎn)電弧。此狀態(tài)下，電弧弧長長，熔滴過渡狀態(tài)不穩(wěn)定，形成大顆粒飛濺，無法保證穩(wěn)定的焊接過程，如圖14所示。針對粗絲大電流焊接存在的焊接問題，松下大電流焊機(jī)通過特殊脈沖波形控制達(dá)到穩(wěn)定的脈沖射滴過渡狀態(tài)，由旋轉(zhuǎn)過渡方式向1脈1滴過渡方式轉(zhuǎn)變，因為這種特殊的短弧脈沖可以抑制電磁力的影響。
圖14 大電流熔滴過渡形式示意圖
⑵單絲大電流焊接特點(diǎn)
1)高性能焊機(jī)，100%負(fù)載持續(xù)率時焊接電流為700A。
2)高精度高速送絲系統(tǒng)，最大送絲速度35m/min。
3)大熔覆率，最大熔覆率18kg/h。
4)焊槍指向性靈活，沒有焊接位置限制。
5)適合專機(jī)、機(jī)器人自動焊接，焊接位置以船形焊為主。
⑶單絲大電流焊接應(yīng)用
工程機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)中厚板的焊接，大部分角焊縫對焊角尺寸有嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)焊接方式要想實現(xiàn)大焊角尺寸的焊接，需要采用多層多道焊的方式進(jìn)行焊接，效率較低。采用松下單絲大電流焊機(jī)，使用直徑1.4/1.6mm焊絲，最大輸出電流可以達(dá)到700A，如圖15所示，可以實現(xiàn)船形焊位置，焊角16mm焊縫一次成形，同時角焊縫單側(cè)熔深可達(dá)5mm以上，提升接頭質(zhì)量以及焊接效率。
圖15 單絲大電流船形焊焊縫成形及熔深
結(jié)束語
⑴目前松下的高速高效焊接工藝在中厚板的打底、填充以及蓋面焊接方面已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
⑵針對中厚板不同的材料、接頭形式、裝備精度以及不同的焊接要求，選擇適應(yīng)性強(qiáng)的焊接技術(shù)可以減少焊前準(zhǔn)備及焊后清理工作，降低焊后返修工作量，這樣可以大幅度提升生產(chǎn)效率。
⑶不同的高效焊接工藝均有其優(yōu)勢和不足，因此，針對實際生產(chǎn)中的需求選擇最適合的工藝，會為用戶帶來最佳的經(jīng)濟(jì)價值。
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