机器人CMT焊接工艺研究 机械制造专业

1、PAGE II中文摘要机器人CMT焊接工艺研究本文利用焊接机器人和福尼斯CMT焊机对镀锌板进行堆焊，搭接和对接，分析CMT机器人焊接焊接得到板材的外观，成型，硬度，气孔产生的原因，焊接变形产生的原因。得到由于冷金属过渡焊接的特殊的抽送丝方式，其焊接热输入量更小，在同样焊接参数下，冷金属过渡焊接比MAG焊的飞溅更少，熔深更小，且硬度值要明显低于MAG焊。但是在搭接镀锌板材时，由于无间隙，电弧力过大，弧长修正系数过大，焊接速度过快等原因，仍会出现气孔，对接时由于板材膨胀收缩不均匀仍会出现焊接变形。关键词：机器人；冷金属过渡；镀锌板毕业设计说明书（论文）英文摘要The Research On Wel

2、ding Process Of Robot By Cold Metal TransferIn this paper, the galvanized sheet was surfaced,lapped,butt connected by welding robot and fronious TPS 5000 CMT welding machine. Analysis the appearance,molding,hardness of the sheet of, and the reasons for the formation of pores, the reasons for the wel

3、ding deformation.Due to the special wire feeding mode of cold metal transfer welding,there is less welding heat input. Under the same welding parameters,cold metal transfer welding has smaller HYPERLINK / l auto/auto/penetration t _blank penetration and less spatter than the MAG welding,whats more,

4、the hardness value of CMT welding is significantly lower than the MAG welding. But when lapping the galvanized sheet, due to no gap,too large arc force and arc length correction factor and other reasons, pore always exists, butt welding deformation occurs due to uneven expansion and HYPERLINK / l au

5、to/auto/shrink t _blank shrink of the plate.Keywords: Cold Metal Transfer; welding robot; galvanized sheet;PAGE 33目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc451885489 前 言 PAGEREF _Toc451885489 h 1 HYPERLINK l _Toc451885490 第一章 绪论 PAGEREF _Toc451885490 h 2 HYPERLINK l _Toc451885491 1.1焊接机器人 PAGEREF _Toc4518

6、85491 h 2 HYPERLINK l _Toc451885492 1.2 镀锌板 PAGEREF _Toc451885492 h 2 HYPERLINK l _Toc451885493 1.3冷金属过渡焊接技术 PAGEREF _Toc451885493 h 3 HYPERLINK l _Toc451885494 1.3.1冷金属过渡技术介绍 PAGEREF _Toc451885494 h 3 HYPERLINK l _Toc451885495 1.3.2冷金属过渡技术的应用 PAGEREF _Toc451885495 h 4 HYPERLINK l _Toc451885496 1.4本

7、文研究目的与内容 PAGEREF _Toc451885496 h 5 HYPERLINK l _Toc451885497 1.4.1研究目的 PAGEREF _Toc451885497 h 5 HYPERLINK l _Toc451885498 1.4.2研究内容 PAGEREF _Toc451885498 h 5 HYPERLINK l _Toc451885499 第二章 试验材料和方法 PAGEREF _Toc451885499 h 6 HYPERLINK l _Toc451885500 2.1 试验仪器与药品 PAGEREF _Toc451885500 h 6 HYPERLINK l _

8、Toc451885501 2.1.1 试验仪器 PAGEREF _Toc451885501 h 6 HYPERLINK l _Toc451885502 2.1.2 焊接材料 PAGEREF _Toc451885502 h 7 HYPERLINK l _Toc451885503 2.2 试验准备 PAGEREF _Toc451885503 h 8 HYPERLINK l _Toc451885504 2.3试验方法 PAGEREF _Toc451885504 h 8 HYPERLINK l _Toc451885505 2.3.1机器人CMT堆焊试验 PAGEREF _Toc451885505 h

9、8 HYPERLINK l _Toc451885506 2.3.2机器人CMT搭接试验 PAGEREF _Toc451885506 h 12 HYPERLINK l _Toc451885507 2.3.3机器人CMT对接实验 PAGEREF _Toc451885507 h 12 HYPERLINK l _Toc451885508 第三章 实验分析 PAGEREF _Toc451885508 h 13 HYPERLINK l _Toc451885509 3.1 机器人CMT堆焊实验 PAGEREF _Toc451885509 h 13 HYPERLINK l _Toc451885510 3.1.

10、1 焊缝外观与成型 PAGEREF _Toc451885510 h 13 HYPERLINK l _Toc451885511 3.1.2焊缝硬度分析 PAGEREF _Toc451885511 h 18 HYPERLINK l _Toc451885512 3.2 机器人CMT搭接实验 PAGEREF _Toc451885512 h 20 HYPERLINK l _Toc451885513 3.2.1工艺参数与焊接外观 PAGEREF _Toc451885513 h 20 HYPERLINK l _Toc451885514 3.2.2焊接气孔的危害 PAGEREF _Toc451885514 h

11、 24 HYPERLINK l _Toc451885515 3.2.3焊接气孔的预防 PAGEREF _Toc451885515 h 24 HYPERLINK l _Toc451885516 3.3 机器人CMT对接实验 PAGEREF _Toc451885516 h 24 HYPERLINK l _Toc451885517 3.3.1 焊接工艺参数与焊缝外观 PAGEREF _Toc451885517 h 24 HYPERLINK l _Toc451885518 3.3.2 焊接变形危害 PAGEREF _Toc451885518 h 29 HYPERLINK l _Toc451885519

12、 3.3.3焊接变形的预防 PAGEREF _Toc451885519 h 29 HYPERLINK l _Toc451885520 3.3.4针对焊接变形的措施 PAGEREF _Toc451885520 h 30 HYPERLINK l _Toc451885521 本章小结 PAGEREF _Toc451885521 h 30 HYPERLINK l _Toc451885522 第四章 结论 PAGEREF _Toc451885522 h 31 HYPERLINK l _Toc451885523 参考文献 PAGEREF _Toc451885523 h 32 HYPERLINK l _To

13、c451885524 致 谢 PAGEREF _Toc451885524 h 33前 言近年来镀锌板在工业中应用逐渐增多，在所有应用镀锌板的行业中，汽车工业的自动化程度最高，汽车轻量化需求越来越重要，镀锌薄板的应用也越来越多，但镀锌薄板如何有效的焊接一直困扰着工程技术人员，CMT焊接技术的发展成功解决了镀锌薄板的焊接问题。本文围绕机器人CMT焊接镀锌板过程中容易出现的几个问题展开研究：焊缝外观是否美观，焊缝区域的硬度问题，焊接区域的气孔缺陷问题，焊接过程中的变形问题本次研究对汽车车身的镀锌薄板的焊接具有一定的现实意义，可实现机器人CMT焊接镀锌薄板少气孔无气孔，少变形甚至无变形，焊接接头美观。

14、冷金属过渡焊接技术可代替传统 MIG/MAG焊进行薄板焊接。第一章 绪论1.1焊接机器人我国在20世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年科技的发展，工业机器人的性能更完善、价格更低，应用越来越普遍。我国在产业转型的过程中，工业机器人的需求在快速增加。利用焊接机器人不仅能稳定和提高焊接质量，保证其均一性，而且可以改善劳动条件，提高劳动生产率，缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资1。现在焊接机器人更是遇到难得的发展机遇。一方面，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升，性价比大幅度提高。另一方面，劳动力成本也在不断上升。现在的制造型企业也都在提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞

15、争力。这都预示着机器人应用和发展前景空间巨大，所以焊接机器人的应用会越来越广泛2,3。目前，焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车、航天航空等行业4。1.2 镀锌板汽车制造行业现在开始广泛应用镀锌薄板材，镀锌成为重要的钢铁防腐方法之一5，因为锌可在钢铁表面形成一层致密的具有阴极保护效果的保护层。当镀锌层破损，它仍能通过阴极保护作用来防止铁质母材腐蚀，这种保护效果可延伸到12mm无保护层的区域，因此镀锌可以有效地保护到板材的切口以及近焊缝的锌烧损区，防止生锈。锌的熔点约为420，挥发温度为908，而低碳钢的熔点为1400-1500，这不利于焊接，因为熔池还未形成，新就开始挥发

16、。镀锌板焊接的主要问题有：焊接裂纹及气孔的敏感性增大、锌的蒸发及烟尘、氧化物夹渣及镀锌层熔化及破坏。其中是最主要的问题是焊接裂纹、气孔和夹渣6。 镀锌板焊接裂纹 在焊接过程中，熔化的锌浮在熔池的表面或位于焊缝根部。由于铁的熔点远远高于锌，所以铁首先在熔池里面的结晶，液态锌会渗入钢的晶界，导致晶间之间的结合弱化。而且锌和铁形成的脆性化合物可进一步降低焊缝金属的塑性。因此在焊接残余应力的作用下，焊缝金属易沿晶界裂开，萌生裂纹。 影响裂纹敏感性的因素 锌层的厚度。锌层越厚，裂纹的敏感性越大。热镀锌钢的锌层较厚，裂纹敏感性较大。工件厚度。焊接拘束应力和工件厚度成正比，工件越厚，裂纹敏感性越大。坡口间隙

17、。裂纹敏感性随着坡口间隙的增而增大。 焊接方法。CO2气体保护焊比于手工电弧焊焊接的裂纹敏感性要大。 防止裂纹的方法 焊接开始前，在镀锌板焊接处开坡口，去除坡口附近的镀锌层，同时控制间隙在1.5mm 左右。 选用含 Si 量低的焊接材料。镀锌板焊接气孔 焊缝附近的锌层在电弧能量的作用下发生氧化（形成 ZnO）及蒸发，并挥发出白色烟尘和蒸气，因此在焊缝中产生气孔的可能性很大。焊接电流越大，锌的蒸发越多，气孔敏感性越大，焊接速度越快，电弧力越大，气孔逃出越困难。镀锌板焊接锌的蒸发及烟尘用电弧焊焊接镀锌钢板时，焊缝周围的锌层在电弧能量的作用下氧化成 ZnO 并蒸发，形成很大的烟尘。这种烟尘中主要成分

18、为ZnO和Zn颗粒，对人的呼吸系统的刺激性很大，所以，焊接时的通风措施必须良好。镀锌板焊接氧化物夹渣焊接电流较小时，加热过程中形成的ZnO不易逃出，易形成ZnO夹渣。ZnO比较稳定，其熔点为1800。1.3冷金属过渡焊接技术1.3.1冷金属过渡技术介绍CMT焊接技术是一种无焊渣飞溅的新型焊接工艺技术，这种技术主要采用外加回抽力促进熔滴发生短路过渡，同时在电压电流的波形控制方面进行了改进7。同传统的MIG/MAG焊相比，CMT焊有几点明显的不同，即将送丝的运动同熔滴过渡过程相结合，且熔滴过渡时电压和电流几乎为零，可大幅降低热输入量，另外焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，从而避免了普通短路过渡方式引起的

19、飞溅。CMT焊接过程是当电弧引燃后，在熔滴与熔池接触并形成短路的瞬间，焊机即检测到短路信号，焊机给与控制信号给送丝机，送丝机回抽焊丝，利用送丝机外加的机械回抽力，熔滴过渡到熔池，图 1-1为CMT技术焊接的抽拉丝过程：图1-1 冷金属过渡抽拉丝过程因为冷金属过渡技术可以使短路过渡时的电流特别小甚至到零，所以这减少了焊接热在被焊接件中的传导。 1.3.2冷金属过渡技术的应用CMT作为一种新型的熔化极气体保护焊接技术，凭借其工艺特点，在汽车制造，轨道客车制造，压力容器制造，电气元件制造，航空航天飞机制造都有着广泛的应用前景，CMT 焊接技术在工艺应用类型上主要有以下三个方面： （1）CMT焊接技术

20、可以应用于钢/铝，镁/铝等异种材料焊接；（2）CMT焊接技术可用于各种材料表面熔敷以及模具修复；（3）CMT焊接技术可用于焊接薄板甚至超薄金属板材。由于CMT焊接技术大大减少了热输入，焊接变形相对于传统MIG/MAG 也会减少很多。而且CMT还具有熔滴过渡稳定，无飞溅，高焊速和较强的搭桥能力的特点。Jair Carlos Dutra等人利用机器人CMT技术焊接镁合金表明机器人冷金属焊接可提供良好的焊接速度，良好的抗拉强度和塑性8。 哈尔滨工业大学采用高速CCD摄像机建立CMT焊接时的电弧形态和熔滴过渡视觉传感系统，同时通过电流传感器和电压传感器建立电流电压波形采集系统，以此来分析CMT焊接时的

21、能量输入特点和熔滴过渡行为9。1.4本文研究目的与内容1.4.1研究目的弧焊机器人配合CMT焊接方法，在汽车焊装生产中具有很好的应用前景。本课题研究CMT焊接工艺特点及弧焊机器人CMT焊在车身生产中应用工艺。实现将焊缝余高降低，并消除焊接气孔缺陷，降低打磨和抛光焊缝带来的粉尘污染，改善操作人员的工作环境，降低焊接变形，减少车身返工时间。1.4.2研究内容1）利用同样的焊接参数对镀锌板进行堆焊，控制焊接电流，焊接参数，对比冷金属过渡焊接技术和传统MIG焊接技术的飞溅以及外观成型的不同，得出较优参数。2）利用冷金属过渡技术搭接镀锌板，研究气孔的产生原因。3）研究CMT技术对接后的试板，分析焊接变形

22、产生原因。4）对实验数据进行分析、总结，得出结论。第二章 试验材料和方法2.1 试验仪器与药品2.1.1 试验仪器ABB1520型焊接机器人；图2.1 ABB1520型焊接机器人ABB1520机器人系统包括机器人本体，机器人控制柜、控制编程器三部分。ABB1520机器人系统具有先进的制造工艺和运动曲线的动态模型,具有下列优点：具有合理的机械结构和紧凑化设计；包含6个自由度,AC伺服马达，可以使机器人本体在6个方向上进行自由移动，具有绝对位置编码器，可准确测量移动距离；具有的特定的负载和运动惯量的设计，可使得速度和运动特性达到最优化，ABB机器人的摆臂速度最高可达2m/s；机器人本体控制器之间使

23、用电缆连接，灵活性很好。机器人控制柜具有下列优点：基于Windows操作系统系统的开放好，短时间内可完成多种功能卡直接插接，扩展方便，通用性好，方便焊接进行Fronious 5000 CMT焊机；图2.2福尼斯 TPS 5000 CMT焊机VR7000送丝机；数控液压摆式剪板机；图2.3数控液压摆式剪板机维氏硬度试验机；金相切割机，金相镶嵌机，金相显微镜；金相磨抛机，电吹风机；烧杯，滴管；2.1.2 焊接材料ER70S-6焊丝若干；ER70S-6焊丝是国外常用气体保护焊焊丝品种，在国外得到普遍应用。焊丝成分如表2.1所示：表2.1 ER70S-6焊丝成分化学成分C（%）Si（%）Mn（%）S（

24、%）P（%）Cu（%）含量0.06-0.150.8-1.151.4-1.850.0350.0250.5焊接焊缝力学性能如表2.2所示：表2.2 焊丝焊接力学性能表力学性能b(MPa)s(MPa)5(MPa)5004202002）CR4GI(1250mm*1500mm*1.4mm)镀锌钢板两块；焊接母材使用1.4mm厚的CR4GI型碳钢热镀锌冷轧板，CR为美国通用汽车的牌号，对应国内钢板牌号SPCC、宝钢牌号BLC、欧标牌号DC01。镀锌量为100g/m2，镀锌层厚度14.2m，无锌花。化学成分如表2.3，机械性能如表2.4表2.3 CR4GI化学成分表材料牌号标准号通用名C（）Si（）Mn（）

25、%P（）%S（）%Al（）Ni（）CR4GMW2M0.080%0.4000.0250.0200.015NA表2.4 CR4GI机械性能抗拉强度MPa屈服强度MPa延伸率50mm延伸率80mm维式应度HV 270-330140-18040%40%85-103.32.2 试验准备1）将2000mm*1500mm*1.4mm镀锌板剪切成180mm*60mm*1.4mm 15块用作堆焊实验。2) 将2000mm*1500mm*1.4mm镀锌板剪切成200mm*70mm*1.4mm 10块用作搭接实验。3）将2000mm*1500mm*1.4mm镀锌板剪切成180mm*50mm*1.4mm 36块用作对

26、接实验。2.3试验方法2.3.1机器人CMT堆焊试验 将焊机调到Job 99，调节参数如表2.5 表2.5 焊机参数表Job99GPO0.3PFdc10.0AL.18Fdi7.0dynbbc0Tri2tI-SJSL1.0SL0.1Opt0.2I-EAL.21T-S0.3PCH0T-E0.3PCL0SPt1.0AL.C0FOFFGPR0.3dFd0.0进入Job99，设置焊接参数，长按参数修改按键，值到屏幕上 no program变成program。P为送丝速度，根据焊接电流的需要调节送丝速度，送丝速度越大，焊接电流越大；AL.1是弧长修正，是在一元化基础上对电弧电压的调节，正值表示增加弧长焊缝

27、变宽，余高变低，设置负值时电弧变短，电弧电压降低，电流稍微会增加，余高增高；如果没有双脉冲，则表示正常的电弧电压；dyn 电弧吹力，dyn的设置在脉冲焊接时，负值会增加电流的衰减时间，所以熔滴分离能力变差，熔深变浅，正值时，电流衰减时间会减小，这是熔滴分离能力加强，此时熔深会略有增加；在直流焊接时，设置为负值表示电流衰减时间减小，熔滴分离能力变强，此时电弧稳定，设置为正值时 电流衰减时间增加，熔滴分离能力变小，熔深变浅，电弧会不稳定；提前送气时间；Tri为扳机顺序转换焊枪的操作模式；AL.2 为峰值电流弧长修正，即是指双脉冲是叠加的峰值脉冲电压，一般设置略高于AL.1，但是不宜过高；GPr预送

28、气时间；GPo为护气延时停止时间；Fdc为缓送丝，用于SFi起弧附选功能；Fdi为点动送丝速度;bbc焊丝回烧修正；一般气保焊焊接完成后焊丝端部会有小球，为了方便下次起弧，所以设置参数将此小球去掉，一般设置为0。如果有需要根据情况设定。I-S为起弧电流，尽管起弧阶段热量散失较快，若选用稍大的起弧电流母材仍然可以快速加热，铝合金需要设置大约为 135-170%之间，钢的一般是正常值 100%； SL为衰减时间：从起弧电流到焊接电流及从焊接电流到收弧电流的渐变时间； I-E为收弧电流：末端收弧电流值较小可防止局部热量积聚过多引起烧穿；T-S为起弧时间，即起弧电流持续时间；T-E为收弧时间，即收弧电

29、流持续时间；SPt为点焊时间；F 是使用双脉冲时设定的叠加脉冲频率，一半设定为2左右，因为此次试验没用到脉冲，所以调至OFF；dfd 是指叠加脉冲频率的脉动送丝速度，一般设置为1-1.5之间，因为此次试验没用到脉冲，为零10； 机器人控制面板如图：调节Welddata中的Weldspeed，调节Seamdata的参数如表2.6： 表2.6 机器人seamdata调节表Purge_time0.3Preflow_time0.3Ign_arcIgn_move_delayCool_timeFill_time0.3Fill_arc0.3Postflow_time1保护气体充满气管时间调节为0.8s, 调

30、节保护气体充满气管时间长可以使保护气氛更加稳定，焊缝成型更加美观，飞溅更少，缺陷更少。预送气时间调节为0.3s,在焊接开始前送气，使得在焊接在开始时就在一个稳定的保护气氛围中进行。填弧坑时间调节为0.3s,焊接结束时，焊接机器人停止运动，送丝机继续送丝，使得焊缝结尾处不出现弧坑。焊道保护气送气时间1s，送丝机停止送丝，焊枪继续送气，是的焊缝可以在保护气氛中冷却，防止焊缝在高温下和空气反应而出现氧化、脆化。图2.4为ABB1250焊接机器人控制盒。图2.4 ABB1520机器人控制盒焊接程序如下PROC cx2( )Move J * ,v 1000,z 50,tool 0;ArcLStart *

31、 ,v1000,seam 1,weldtest_100,z 50,tool 0;ArcLEnd * ,speed 1,seam 1,weldtest_100, z 50,tool 0;Move J * ,v 1000,z 50,tool 0;ENDPROC如图2.5所示，将镀锌板两端用夹具固定，调节焊接机器人至板上方2mm左右，记录点一，继续调节焊接机器人至板上方1mm左右，记录点二，此点为焊接开始点，调节焊接机器人至镀锌板末端板上方1mm，记录点三，此点为焊接结束点。继续调节焊接机器人至镀锌板外20cm左右，记录点四，将点四设置为安全点，使得焊接机器人在焊接完毕后回到安全点四。图2.5 焊装

32、夹具2.3.2机器人CMT搭接试验如图2.6，调节夹具使两板材紧密压实，调节焊接机器人使得焊丝贴近镀锌板下底板1mm,上板左截面约1mm处焊接程序如下PROC cx2( )Move J * ,v 1000,z 50,tool 0;ArcLStart * ,v1000,seam 1,weldtest_100,z 50,tool 0;ArcLEnd * ,speed 1,seam 1,weldtest_100, z 50,tool 0;Move J * ,v 1000,z 50,tool 0;ENDPROC图2.6 镀锌板搭接示意图分析镀锌板搭接接头的外观成型，分析镀锌板产生的原因及其对应措施。2

33、.3.3机器人CMT对接实验将两镀锌板180mm端无间隙对接在一起，在两板上方放至板子，用夹具夹紧，调节焊接机器人至板材上方约1mm处，焊接程序如上，接头方式如下图：图2.7 镀锌板对接示意图分析对接产生的横向弯曲变形以及沿焊缝方向的张开变形。第三章 实验分析3.1 机器人CMT堆焊实验3.1.1 焊缝外观与成型实验焊接参数和对应参数下的外观如表焊缝一对应的焊接参数如表3.1所示表3.1 堆焊焊缝一工艺参数Material TypeCR4GI热镀锌冷轧板Weld Position水平堆焊Weld passes1Wire dia. (mm)1.2Measure Angle (）60Wire Sp

34、eed (mm/s)2.9Travel Speed (mm/s)8.1Dynamic(-5,+5)-5Voltage correction (-30,+30)-30I-S85T-S0.3I-E(A)120T-E(s)0.3I-M(A)120Gas Flow (L/min)20Stick-out (mm)15-20Weld MachineFroniusMachine TypeFronious TPS 5000 CMTROBOTABB 1520焊缝一外观和成型如图3.1的a和b （a）焊缝外观 （b）焊缝成型图3.1 焊缝成形焊缝二改变焊接电流为116A，得到的焊缝外观和成型如图3.2的a和b：

35、（a）焊缝外观 （b）焊缝成型 图3.2 焊缝成形焊缝三改变焊接电流为127A，得到的焊缝外观和成型如图3.3的a和b： （a）焊缝外观 （b）焊缝成型图3.3 焊缝成形焊缝四改变焊接电流为110A,得到的焊缝外观和成型如图3.4的a和b： （a）焊缝外观 （b）焊缝成型 图3.4 焊缝成形焊缝五改变焊接电流为141A,得到的焊缝外观和成型如图3.5的a和b： （a）焊缝外观 （b）焊缝成型 图3.5 焊缝成形改变焊接焊接方式为CMT焊接，电流为141A,得到的焊缝六外观和成型如图3.6的a和b： （a）焊缝外观 （b）焊缝成型 图3.6 焊缝成形焊缝七焊接电流为120A，焊接方式为CMT，得

36、到焊缝外观和成型如图3.7的a和b： （a）焊缝外观 （a）焊缝成型 图3.7 焊缝成形焊缝八焊接电流为116A，焊接方式为CMT，得到焊缝外观和成型如图3.8的a和b： （a）焊缝外观 （b）焊缝成型 图3.8 焊缝成形焊缝九焊接电流为110A，焊接方式为CMT，得焊缝外观和成型如图3.9的a和b: （a）焊缝外观 （b）焊缝成型 图3.9 焊缝成形焊缝十焊接电流为141A，焊接方式为CMT，得焊缝外观和成型如图3.10的a和b: （a）焊缝外观 （b）焊缝成型 图3.10 焊缝成形外观分析从外观可以看出在焊缝起始端出现黄色电弧喷射留下的痕迹，应该为焊接参数T-S设置过小0.3s的保护气预送

37、气时间不足以使得保护气崇安整个焊接区域，使得在焊接刚开始时不完全是在保护气氛中进行，导致电弧喷射，弄脏试板，这种现象在现实生产中会增加不必要的后续对时间的处理工序，降低生产效率，引起不必要的浪费，在实际生产中应加大S-T，使得在焊接开始时保护气氛能完全充满整个焊接区域。另外还可以看出MAG焊接的飞溅较多，CMT焊接除在电弧引燃处出现部分飞溅外，几乎无飞溅，试板干净。因为CMT焊接将送丝的运动同熔滴过渡过程相结合,外加回抽力促进熔滴发生短路过渡,熔滴过渡时电压和电流几乎为零，可大幅降低热输入量，另外焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，从而避免了普通短路过渡方式引起的飞溅。可以看出因为CMT焊接的热输入量

38、很小，所以同样参数下的CMT焊接的熔深，熔宽和MAG焊接比较都较小。但是在1-10的参数下余高仍然比较高，所以把AL.1变为0或1，dyn更改为0.2或0.3，电弧较软，使熔池铺展开来。成型分析将MAG焊与冷金属过渡焊的电流与熔深的关系制表，得到的关系如图3.11，可以看出熔深随着焊接电流的增加而增加，MAG焊在焊接电流在120A时就可以熔透板材，而由于冷金属过渡焊接的热输入量较少，在120A的焊接电流下，熔深只有0.5mm左右。 图3.11 焊接电流与熔深曲线3.1.2焊缝硬度分析选取同样焊接参数，不同焊接方式的焊缝5和焊缝10，在焊缝熔深深度约三分之一处做一条直线，每200um在直线上打一

39、个点，硬度试验数据如表3.2所示：表3.2 焊缝硬度实验数据表序号深度/um硬度值/HV1200.0152.32400.0160.93600.0203.24800.0205.451000.0228.561200.0244.771400.0266.681600.0275.891800.0340.7102000.0381.5112200.0360.7122400.0310.8132600.0292.4142800.0280.3153000.0240.9173400.0219.7183600.0196.8193800.0200.5204000.0174.2硬度曲线如下图3.12：图3.12 焊缝五硬

40、度曲线焊缝10硬度如表3.3：表3.3焊缝硬度实验数据表序号深度/um硬度值/HV1200.0 113.42400.0 126.43600.0 124.44800.0 131.351000.0 137.961200.0 142.271400.0 151.2 81600.0 164.8 91800.0 238.7 102000.0 261.0 112200.0 289.8 122400.0 287.5 133400.0 146.9 143600.0 138.6 153800.0 131.7 163400.0 146.9 173600.0 138.6 183800.0 131.7 硬度曲线如下图3

41、.13：图3.13 焊缝十硬度曲线从上面两个硬度表可以看出:焊缝中心区硬度最高，从焊缝中心区到焊缝热影响区的硬度逐渐降低，其中焊缝区域到热影响区硬度上骤降。在焊接时，焊缝中心区温度最高，所以焊缝中心区域的硬度最高，焊缝中心区到焊缝边缘的温度逐渐降低，硬度也逐渐降低。其中CMT焊接的焊缝中心区的最高硬度约为289Hv，MAG焊的的焊缝中心区域的最高硬度约为381Hv，CMT焊接得到的板材焊缝中心区域的硬度要明显低于MAG焊接得到的母材的硬度，且CMT得到的硬度曲线比MAG焊接得到的曲线缓，这就是因为CMT焊接技术所采用的特殊的抽送丝方式，让熔滴将要发生使得短路过渡时，焊丝回抽，大大减小短路过渡时

42、的电流，从而减少了CMT焊接过程 中的焊接热输入。3.2 机器人CMT搭接实验3.2.1工艺参数与焊接外观将焊接参数调节如下表3.4： 表3.4 搭接工艺参数表PQR.NO.PQR-ROBOT-2-1Welding ProcessCMTMaterial TypeCR4GI热镀锌冷轧板Weld Position水平搭接Weld passes1Wire dia. (mm)1.2Measure Angle (）60Weld Gap0Wire Speed (mm/s)3.9Travel Speed (mm/s)8.1Dynamic(-5,+5)0.2Voltage correction (-30,+3

43、0)0I-S85 T-S0.3 I-E(%)120 T-E(s)0.3 I-M(A)140Gas Flow (L/min)20Stick-out (mm)15-20Weld MachineFroniusMachine TypeTPS 5000 CMTROBOTABB 1520Tset Date4.18焊缝外观如图3.14：图3.14 搭接焊缝一外观除焊缝开始处有一个气孔外，整条焊缝现紧密纹路，焊缝美观。造成焊缝起始处气孔的可能原因有：焊接参数T-S的值过小，0.3s的预送气时间不足以使得保护气氛完全充满整个焊接区域，开始时的焊接在不完全保护气氛中进行，空气中的水分或氮气进入熔池，在水分高温下分

44、解生成氢气，又因为机器人自动化焊接的焊接速度较高，熔池在高的焊接速度下迅速凝固，熔池融化状态存在时间较短，进入的氢气或氮气不易溢出，造成氢气孔和氮气孔。在焊缝起始端由于刚刚起弧，板材的温度较低，保护气氛未充分形成，氮气和水蒸气易进入熔池，熔池刚生成，熔池的热量就向板材扩散，在焊缝起始端熔池容易迅速凝固，进入熔池的气体难以溢出，易生成气孔。3）焊接参数AL.1过大，电弧过长，保护气体难以完整覆盖于焊缝区域，空气易进入熔池，焊接参数dyn过大，电弧力过大，电弧吹力大于气体外溢的力，气体难以溢出，锌蒸汽来不及溢出焊缝就凝固，造成气孔。将焊接电流调节为130A，焊接速度调节为10mm/s。焊缝外观如图

45、3.15的a，切割焊缝，制备金相，如图3.15中的b，气孔放大如图3.15中的c：（c）搭接焊缝二外观 （b）气孔图 （c）气孔放大图图3.15 焊缝二外观及其气孔可看到焊缝表面出现不规则贯穿气孔，且焊缝内部出现气孔，内部气孔出现于焊缝根部两板连接间隙上方，形状类似西瓜子，上方部分大，底部较小，气孔底部深入两镀锌板间隙中，气孔大小约为2mm*1mm，高度大于熔深深度。造成气孔的可能原因：（1）由于镀锌板搭接时，两板材之间无间隙，熔池形成时，熔池边上的板材上方的镀锌层受热蒸发形成锌蒸汽，锌蒸汽无法通过紧密的两镀锌板间只能向从熔池区域溢出，从而进入熔池，焊接速度过快熔池在融化状态停留过短，锌蒸汽来

46、不及溢出，（2）冷金属过渡焊接过程中热输入量较低，焊缝的形成时间短，不足以使全部的锌蒸汽从焊缝中逸出而形成了气孔10。（3）焊接参数dyn过大，导致焊接电弧力大于锌蒸汽的浮力，锌蒸汽从而难以溢出，形成锌蒸汽气孔。将焊接电流调节为121，焊接速度调节为8.0mm/s,dyn调节为1，AL.1调节为1，焊缝外观如图3.16：图3.16 搭接焊缝三外观可以看到焊缝余高最高处出现不规则气孔，造成气孔的可能原因：焊接参数dyn过大，电弧力过大，电弧吹力大于气体外溢的力，气体难以溢出，或者焊接速度过快，锌蒸汽来不及溢出焊缝九凝固，造成气孔。在两镀锌板间填加0.5mm塞尺，用同样焊接工艺参数施焊，得到焊缝如

47、图3.17。图3.17 搭接焊缝四外观可以看到整条焊缝除焊缝焊缝起始部分和结束部分出现少量电弧喷射外，整条焊缝现紧密纹路，焊缝美观。原因：在两镀锌板之间填加0.5mm塞尺，熔池附近蒸发的锌蒸汽可以通过两板材之间的间隙溢出熔池而不进入熔池。3.2.2焊接气孔的危害1）焊接接头有效横截面积变小，焊缝力学性能下降。2）如果焊缝存在于焊缝根部，或者是垂直气孔，将可能产生应力集中，成为裂纹萌发的根本。3）气孔出现在焊缝内部，且在后续检测中未被发现，如果焊接件被用于重要的结构件，将会产生难以想象的后果11。3.2.3焊接气孔的预防1）正确设置焊接参数T-S，T-E，使得在焊接开始前就使保护气氛充满整个焊接

48、区域，不让空气进入融化的焊缝，另外焊接结束段始终处于保护气体中冷却，不让空气进入熔池。有条件的话可以另加焊接起弧板和焊接收弧板，使得起弧段和收弧段不成为真正的工作段。2）焊接开始前将工件预热，使得焊接开始时焊接时板材的温度不至于过低以至于导致熔池开始段因为能量的传递而冷却凝固过快。3）正确设置参数dyn和AL.1，dyn和AL.1不宜过大，AL.1过大将导致保护气不能充满整个区域，空气混入保护气进入熔池，dyn过大将导致电弧力大于气体的溢出力，导致气体难以溢出。4）镀锌板搭接时，在两板材之间预留间隙，方便锌蒸汽透过间隙溢出。5）尽量使用中规范焊接，大电流会导致锌蒸发严重，易引发气孔。焊接速度过

49、快易导致熔池凝固过快，熔池内部气体来不及溢出。3.3 机器人CMT对接实验3.3.1 焊接工艺参数与焊缝外观工艺参数如下表3.5：表3.5 对接工艺参数表PQR.NO.PQR-ROBOT-3-11-2Welding ProcessCMTMaterial TypeCR4GI热镀锌冷轧板Weld Position水平对接Weld passes1Wire dia. (mm)1.2Measure Angle (）60Weld Gap0Wire Speed (mm/s)3.9Travel Speed (mm/s)8.5Dynamic(-5,+5)-5Voltage correction (-30,+30

50、)-30I-S85T-S0.3I-E(A)120T-E(s)0.3I-M(A)140Gas Flow (L/min)20Stick-out (mm)15-20Weld MachineFroniusMachine TypeTPS 5000 CMTROBOTABB 1520Tset Date4.21得到焊缝外观正面张开变形，弯曲变形，背面成型如图3.18的a，b，c。 （a）对接板沿焊缝方向张开变形 （b）对接板横向向上弯曲变形（c） 焊缝背面成型 图3.18 对接板弯曲变形从上图可以看出镀锌板出现了横向向上的弯曲变形，还出现了沿焊缝方向的张开变形。将板材按照剪板方向向下放置，同样焊接参数施焊得到

51、正面张开变形，弯曲变形和背面成型如图3.19的a，b，c： （a）对接板沿焊缝方向张开变形 （b）横向向下弯曲变形（c）焊缝背面成型 图3.19 对接板弯曲变形图中可以看出镀锌板出现了横向向下的弯曲变形，还出现了沿焊缝方向的张开变形，且由于板材的张开，在焊缝的末端出现下塌，焊穿等严重缺陷。在整个施焊过程中可以看到：沿着焊缝方向的张开变形出现在焊接过程中，焊接停止就可见到沿着焊缝方向的张开变形，而板材横向弯曲变形则出现在试板冷却过程中，焊后冷却过程中可明显见到板材动态弯曲变形过程，焊缝横向和开始剪板时出现的微变形的方向一致。则焊接过程中沿焊缝方向张开变形出现原因分析如下：因为焊接板材为1.4mm

52、镀锌板，所以简化板材在厚度上为0，焊接速度为8mm/s-10mm/s，快速焊接，热源移动很快。忽略焊接加热过程的起始阶段和收尾阶段（即不考虑起弧和收弧阶段的热扩散），相当于将焊接过程简化为准稳态温度场，热源匀速直线运动。且假设焊接过程中不出现相变，母材的组织分布均匀。可以得到完整的等温线呈现封闭的椭圆形焊接温度场，等温线在热源前方密集，在热源后方稀疏，热源移动的越快，等温线的长度就越大，等温面相对于热源移动周线对称。截取焊缝前半段分析:热源移动方向如箭头所示，在热源后方当熔池温度低于焊缝金属的熔点时，焊缝凝固收缩，在纵向产生拉应力，而热源前方金属在热源的作用下膨胀，在纵向上产生压应力，膨胀收缩

53、情况如图3.20： B A C 图3.20 焊缝热膨胀收缩图A点为焊接热原位置，B点为的位置，C点为开始弹性膨胀位置，热源B点后方焊缝开始恢复弹性，凝固收缩，在纵向产生拉应力，而热源C点前方在热源的作用下膨胀，在纵向上产生压应力，AB间焊缝金属的屈服强度很小，可视为零，此处的金属不会阻碍挠曲变形，由于受到应力且夹具的夹紧力不够使得板材后半段张开，产生张开变形。AB间的距离越大，板材的转动就越大，间隙的张开就越大，。窄而长的板材张开的变形量更大。预防措施：（1）正确合理地设计焊装家具，使得焊接夹具的夹紧力足够固定焊接件。（2）在焊接开始前将板材两端点焊点固。（3）选用刚度较大的焊接材料。焊接冷却

54、过程中出现的横向弯曲变形原因分析如下：（1）纵向收缩变形引起横向弯曲变形。焊缝位置在构件中的位置不平衡，即焊缝处于纵向偏心时，所引起的收缩力也是偏心的，偏心的收缩力使得构件弯曲七弯矩为：式中e为偏心矩构件挠度为：挠曲变形和收缩力Ff偏心矩成正比，与构件的刚度EI成反比。当焊缝对称或接近于中性轴时，挠曲变形很小。由于试验所用板材为薄板，所以焊缝应对称或接近于中性轴，且焊接时试板并不是全部出现向上弯曲，所以此原因造成焊接横向弯曲变形的原因排除。（2）横向应力引起弯曲变形。在焊接前剪板的过程中，由于板材体积较小，剪板机的剪切力使得板材出现了些许的弯曲变形。整条焊缝的各个部分不是同时融化，凝固的，焊缝

55、头部先冷却并恢复弹性，焊缝尾部最后冷却，因而其横向收缩受到已经冷却的先焊接部分的阻碍，故表现为拉应力，焊缝中段则为压应力，而焊缝初始段由于要保持截面内的应力平衡，也表现为拉应力。 图3.21 板材中心受力图将微变形的镀锌板夸张，板材应为两端受拉，中间受压，则板材中间在压力作用下发生失稳，朝着微变形方向发生弯曲变形3.3.2 焊接变形危害（1）影响焊接构件的使用性能和工作精度。（2）影响焊件的美观度（3）生产线增加工序，影响工作效率，浪费资源。（4）降低焊接结构件的承载能力（5）降低装配质量，甚至使焊接件直接报废。3.3.3焊接变形的预防预防措施：（1）正确合理地设计焊装夹具，使得焊接夹具的夹紧

56、力足够固定焊接件。（2）在焊接开始前将板材两端点焊点固。（3）减小焊缝的热输入。CMT焊接在这方面有着得天独厚的优势。（3）反变形法。根据理论计算和实际经验预先估计焊接结构的变形的方向和大小，在焊接装配式给予一个方向相反大小相等的预变形，抵消焊后产生的变形12。（4）刚性固定法。焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊接件冷却到室温再去掉刚性固定，可有效防止弯曲变形，不过会增加焊接应力。（5）合理的选择焊缝形状和尺寸。尽可能使焊缝长度最短，优先采用断续焊缝。（6）尽量避免焊缝的密集与交叉。焊缝密集时，相同方向上的残余应力和塑性变形会有一定程度的叠加，交叉焊缝时，两个焊接方向上的残余应力都会比较高。（7）采用压型板来提高平板的刚性和稳定性，也可以减少焊接量和焊接变形（8）随焊激冷，随焊碾压，随焊锤击。3.3.4针对焊接变形的措施（1）机械法。基本思路就是利用外力使构件产生和焊接变形方向相反的塑性变形，使两者抵消。利用滚轮滚压焊缝及其两侧，使之伸长。对焊间实施机械拉伸机械振动时效（2）加热方法。通过加热来消除残余应力和变形与材料的蠕变和应力松弛现象有着密切联系。火焰矫形法温差拉伸法本章小结本章对1.4mm厚镀锌板堆焊，搭接，对接