一種Invar模具鋼的自動焊接工藝的制作方法

　　【技術領域】

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　　[0001 ]本發明涉及一種基于MIG弧焊機器人的厚板自動焊接工藝，尤其涉及一種Invar模具鋼的自動焊接工藝，其屬于鎳基合金焊接技術領域。

　　【背景技術】

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　　[0002]復合材料因其比強度高、疲勞性能好等特點，已成為制造大型飛機的基本材料之一，復材的制備技術也成為研制先進的大型飛機的關鍵技術之一。飛機復材零件主要是在特定的模具中進行熱壓成形，之后零件的外型面一般不再進行機加，因此對模具材料提出了較高的要求:與復材相近的熱膨脹系數、變溫及真空穩定性良好、制造成本低等。Invar鋼作為一種含Ni 35-36%的鎳基合金，具有與復材相近的極低的熱膨脹系數，且成本僅為其他符合要求模具的10-30%，特別適用于制造大尺寸飛機復材零件的成型模具。

　　[0003]焊接是Invar鋼大型模具的制造中的一項十分重要工藝流程。搭載于高精度多軸機器人的熔化極氣體保護焊(MIG焊)作為一種相對成熟而經濟的焊接方法，焊前進行坡口加工并采用多層多道填充策略，能夠較好地解決大厚度金屬板材的的連接問題。目前該方法已在厚板金屬的焊接中得到廣泛應用，但主要存在以下幾個問題:

　　[0004]?用于復材模具制造的Invar鋼厚度為19mm上下，采用多層多道焊接往往需要10道以上的焊縫填充，多次的焊接熱循環以及Invar鋼材料本身較低的熱導率導致嚴重的焊后變形；

　　[0005]?鎳基合金在熔融狀態下流動性差，加之常規MIG電弧熱源的作用深度有限，容易造成未焊透、未恪合等焊接缺陷；

　　[0006]?多次的焊前示教放大了人為因素造成的誤差，對焊接質量的穩定性有一定的影響，同時也增加了勞動強度。

　　[0007]改善厚板焊接變形的措施分為焊前預防、隨焊冷卻以及焊后矯正。焊前預防包括預設反變形角、使用可靠夾具、設計合理的焊接工藝參數。隨焊冷卻方法主要有噴水法、浸水法及水冷銅塊法。其中采用噴水及浸水法冷卻效果較好，但焊接環境較差，對冷卻系統的硬件控制要求較高;水冷銅塊法散熱效果次之，成本較高，但焊接環境好。焊后矯形方法主要有錘擊、噴丸、局部熱處理等。考慮到厚板焊后矯形困難、成本較高，一般情況下不優先考慮O

　　[0008]針對Invar鋼熔透性較差的問題，多采用適當增加焊接熱輸入來增大焊縫熔深，但效果有限且經驗性較強，不利于參數的移植與規范化。脈沖MIG電弧焊接與常規MIG焊相比，能夠在較低的熱輸入下獲得較大的焊縫深寬比，可有效改善Invar鋼焊接時熔透性。但在國內還未有直接針對Invar鋼脈沖焊接的研究及應用先例，相關的焊接工藝參數尚處空白。

　　[0009]在坡口尺寸較小的情況下，采用擺動焊接路徑能夠極大減輕多層多道焊接繁瑣的示教及焊接工序。擺動焊時焊槍在行進的同時左右擺動，熔池得到充分的鋪展，能夠一次性對較寬的坡口進行一定厚度的填充，獲得成形穩定的焊縫。目前，松下、KUKA、ABB等焊接機器人或機械臂已能夠支持各種擺動焊接軌跡，但該技術的生產應用在國內還未完全推廣。

　　[0010]綜上所述，實現大厚度Invar鋼高質量、高效焊接的關鍵是設計出一套科學、合理的焊接工藝。特別是在目前國產大飛機項目進展的如火如荼、復合材料的使用比重日益增加的大環境下，研究先進的Invar鋼焊接技術，制定成熟的工藝參數及流程，是實現Invar鋼模具國產化的重要環節，具有一定的戰略意義。

　　【發明內容】

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　　[0011]鑒于脈沖擺動MIG焊在Invar鋼厚板焊接中的優越性，本發明工藝設計了一套較為科學的Invar模具鋼的自動焊接工藝，可在提高生產效率的同時獲得成形質量高而穩定、焊后變形小的Invar鋼對接接頭。

　　[0012]本發明采用如下技術方案:一種Invar模具鋼的自動焊接工藝，其包括如下步驟:

　　[0013]a)焊接材料的的選用:所述Invar模具鋼板材化學成分的重量含量為:Fe63.06%、Ni 35.67% ^Mn 0.49%、Cr 0.26%、Si 0.24%、Co 0.14%、Mo 0.13%，所用焊接材料為Invar M93焊絲，焊絲直徑1.2mm，焊絲化學成分的重量含量為:Fe 61.43%、Ni36.20%、Mn 0.55%、A1 0.54%、Si 0.53%、Mo 0.53%、Cr 0.23% ；

　　[0014]b)焊接設備的選用:所使用焊接設備為一體式MIG弧焊專用機器人，額定焊接電流350A，焊接速度為 0.01-180m/min;

　　[0015]c) Invar模具鋼厚板焊件坡口形狀設計及焊前準備:所述Invar模具鋼厚度為19.05mm，根據裝配的需要，選擇單面焊接成形工藝，待焊件開V型坡口，坡口角度為60°，鈍邊1mm，焊前在焊接終點位置進行點焊防止橫向變形，焊前采用反變形裝夾控制角變形，反變形角度1.5-2°，鈍邊間距1.5-1.8mm，不預熱，焊絲干伸長為15mm，焊接過程保護采用97.5%Ar+2.5%⑶2的富氬氣氛，流量控制在18-19L/min，焊后空冷，層間溫度控制在100°C以下；

　　[0016]d)Invar模具鋼厚板多層單道自動焊接路徑規劃:所述Invar模具鋼板材厚度為19.05mm，設計五層、每層采用單道焊縫填充，打底層焊縫較為狹窄，采用直線焊接路徑，焊縫起點與終點距離兩端分別為2_3mm及4-5mm，第二層至第四層焊縫寬度逐漸增大，設計采用擺動焊接路徑；

　　[0017]e) Invar模具鋼厚板多層脈沖+擺動MIG自動焊接工藝參數設計:打底焊采用脈沖MIG直線焊接路徑，焊接電流235-240A、焊接電壓26.3-27.3V、焊接速度0.35-0.4m/min，第二至第五層焊縫采用脈沖+簡單低速擺動焊接路徑，根據焊縫長度等距離增設3-5個插補點，第二層焊接電流237-240A、焊接電壓27.1-27.3V、焊接速度0.30-0.32m/min、擺動幅長

　　2.50-2.70mm、擺動頻率1.5-1.6Hz ；第三層焊縫焊接電流240-242A、電壓27.3V、焊接速度0.18-0.21m/min、擺幅4.40-4.60mm、頻率0.9-1.0Hz ;第四層焊接電流244-246A、電壓27.4V、焊接速度0.16-0.18m/min、擺幅5.90-6.35mm、頻率0.8-0.9Hz ；第五層焊接電流245-250A、電壓27.4-27.6V、焊接速度 0.13-0.15m/min、擺幅 7.50-8.40mm、頻率 0.7-0.8Hz。

　　[0018]與現有無脈沖MIG多層多道焊接技術相比，本發明工藝的有益效果如下:

　　[0019]本發明工藝通過合理采用脈沖MIG電弧擺動焊接技術，實現了飛機復材模具制造專用的大厚度Invar鋼的焊接。對于厚度為19.05mm的Invar鋼，在較低的焊接電流下采用5層、每層1道焊縫即可獲得良好成形;焊縫表面呈現交錯魚鱗紋、未見氣孔、飛濺與裂紋等表面缺陷、背面完全焊透;焊縫截面無氣孔、裂紋、夾雜，焊縫-母材以及相鄰層焊縫熔合良好，未見明顯的晶界，熔池內雜質得到有效凈化;焊后角變形明顯減小，均體現了脈沖擺動焊接技術對Invar鋼厚板良好的工藝適應性。本發明工藝克服了 Invar鋼采用傳統無脈沖MIG多層多道焊接存在的層間熔合不良、成型質量不穩定、焊接變形大等問題，對提高Invar鋼焊接接頭力學性能與氣密性能提供了工藝保障。同時，本發明工藝縮短了機器人焊前示教時間，降低了人為經驗因素帶來的不確定性，對于其他材料的厚板焊接具備很好的移植性與借鑒意義。

　　【附圖說明】

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　　[0020]圖1是低速簡單擺動軌跡及主要參數。

　　[0021]圖2是實施例1各層焊縫表面形貌與焊接軌跡。

　　[0022]圖3是實施例1焊接接頭截面形貌。

　　[0023]圖4是實施例2各層焊縫表面形貌。

　　【具體實施方式】

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　　[0024]本發明Invar模具鋼的自動焊接工藝，包括如下步驟:

　　[0025]a)焊接材料的的選用:所述的Invar鋼板材化學成分的重量含量經檢測為:Fe63.06%、Ni 35.67% ^Mn 0.49%、Cr 0.26%、Si 0.24% ^Co 0.14%、Mo 0.13%，屬于鎳基合金，母材室溫下微觀形貌為典型的奧氏體組織。本發明工藝所用焊材為加拿大進口Invar M93焊絲，焊絲直徑1.2mm，所測定的焊絲化學成分的重量含量為:Fe 61.43%、Ni36.20% ^Mn 0.55%、Α1 0.54%、Si 0.53% ^Mo 0.53%、Cr 0.23%。相比于母材，焊絲中添加了少量的A1且略微增加了 Si的含量，可改善Invar鋼液態下的流動性，另外高錳含量的焊絲能夠提高焊縫的脫氧能力及裂紋愈合能力。

　　[0026]b)焊接設備的選用:所使用焊接設備為唐山松下生產的TAWERS-1400—體式MIG弧焊專用機器人，額定焊接電流35(^，試教速度在0.01-15111/1]1；[11可調，可選焊接速度為0.01-180m/min。該焊接機器人內置適用于碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等不同材料的焊機模式；可選基本焊接軌跡有直線、弧線，并包含6種類型的擺動動作;可進行脈沖與非脈沖電流模式的切換。本發明工藝采用不銹鋼模式，對應符號為Weld 1，焊接軌跡為直線與直線+低速簡單擺動，電流為脈沖模式。采用焊接機器人對Invar鋼厚板進行焊接，能夠簡化工藝流程，提高效率，靈活調節焊接線能量，降低焊接殘余應力，減小焊接變形，改善接頭性能。

　　[0027 ] c) Invar鋼厚板焊件坡口形狀設計及焊前準備:所述Invar鋼厚度為19.05mm，根據裝配的需要，選擇單面焊接成形工藝。待焊件開V型坡口，坡口角度為60°，鈍邊1mm。該坡口形式可滿足打底焊時焊槍整流罩及焊絲的可達性，鈍邊的設置能夠有效放置焊漏、改善打底層焊縫的均勻性。焊前在焊接終點位置進行點焊防止橫向變形。焊前采用反變形裝夾控制角變形，反變形角度1.5-2°，鈍邊間距1.5-1.8mm。不預熱，焊絲干伸長為15mm，焊接過程保護采用97.5%Ar+2.5%⑶2的富氬氣氛，流量控制在18-19L/min。焊后空冷，層間溫度控制在100°C以下。

　　[0028] d) Invar鋼厚板多層單道自動焊接路徑規劃:所述Invar鋼板材厚度為19.05mm，設計五層、每層采用單道焊縫填充。打底層焊縫較為狹窄，采用直線焊接路徑，焊縫起點與終點距離兩端分別為2_3mm及4-5mm;第二層至第四層焊縫寬度逐漸增大，采用單道直線焊縫無法滿足填充需要，故設計采用擺動

　　焊接路徑。所涉及的主要參數有焊接速度V、焊槍擺動幅度D、擺動頻率f、以及擺幅時間t。如圖1所示，在主跟蹤方向上，起始點S為打底焊縫的平面幾何中心，為試教時的焊接起始點；插補點I，2位于起始點的兩側，用于在機器人試教時確定擺動的幅度，距離焊縫坡口壁面距離為d=l-2mm;鈍邊停留時間一般取0.1s即可獲得較好的熔合效果。另外在長直焊縫焊接路徑中，需根據焊縫長度增設插補點，以減少由焊前位姿微小變化所帶來的焊絲傾角誤差。

　　[0029]e) Invar鋼厚板多層脈沖+擺動MIG自動焊接工藝參數設計:打底焊采用脈沖MIG直線焊接路徑，焊接電流235-240A、焊接電壓26.3-27.3V、焊接速度0.35-0.4m/min。第二至第五層焊縫采用脈沖+簡單低速擺動焊接路徑，根據焊縫長度等距離增設3-5個插補點。第二層焊接電流237-240A、焊接電壓27.1-27.3V、焊接速度0.30-0.32m/min、擺動幅長2.50-

　　2.70mm、擺動頻率1.5-1.6Hz ；第三層焊縫焊接電流240-242A、電壓27.3V、焊接速度0.18-

　　0.21m/min、擺幅4.40-4.60mm、頻率0.9-1.0Hz ;第四層焊接電流244-246A、電壓27.4V、焊接速度0.16-0.18m/min、擺幅5.90-6.35mm、頻率0.8-0.9Hz ；第五層(蓋面層)焊接電流245-250A、電壓27.4-27.6V、焊接速度 0.13-0.15m/min、擺幅 7.50-8.40mm、頻率 0.7-0.8Hz。

　　[0030]下面通過兩個實施例來具體說明本發明Invar模具鋼的自動焊接工藝。

　　[0031]實施例1

　　[0032]焊接母材選用Ni含量為35.67 %的Invar鋼，尺寸為100mm X 50mm X 19.05mm，開60°坡口，鈍邊厚度1mm，間距1.8mm;焊絲為Invar M93，Ni含量36.20%，直徑I.2mm。采用柔性裝夾，預留反變形角度為2°，富氬氣氛流量為18L/min;焊接設備為唐山松下生產的TAWERS-1400—體式焊接專用機器人，焊槍與待焊件垂直，采用直流正接;焊前對工件坡口進行打磨與丙酮擦拭去除表面氧化膜與雜質；之后進行焊接軌跡的示教與參數的設置，具體參數如下:

　　[0033]籲第一層:直線軌跡，焊接電流235A、焊接電壓26.3V、速度0.35m/min;

　　[0034]?第二層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流237A、焊接電壓27.1￥、速度0.3111/1^11、擺幅2.5mm、頻率1.6Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0035]?第三層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流240A、焊接電壓27.3V、速度0.23m/min、擺幅4.5mm、頻率1.0Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0036]?第四層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流245A、焊接電壓27.4V、速度0.18m/min、擺幅6mm、頻率0.9Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0037]?第五層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流245A、焊接電壓27.4V、速度0.14m/min、擺幅7.5mm、頻率0.8Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0038]?收弧參數統一設置為焊接電流140A、電壓22.0V、電流衰減時間1.5s。

　　[0039]Invar鋼焊后宏觀形貌如圖2所示，可以看出焊縫為略微下凹的弧形，打底焊焊縫表面平整，無明顯飛濺，焊縫兩側與母材熔合良好，過渡平滑;第二至第五層焊縫出現擺動焊特有的交錯魚鱗狀紋理，熔合線較為飽滿、連續性好，未見咬邊、熔合不良、表面飛濺等問題。

　　[0040]Invar鋼焊縫截面形貌如圖3所示，幾乎無任何缺陷，打底層焊透情況良好，相鄰層熔合線不可見，體現了很高的焊接接頭質量。

　　[0041 ] 實施例2

　　[0042]焊接母材選用Ni含量為35.67 %的Invar鋼，尺寸為250mm X 250mm X 19.05mm，開60°坡口，鈍邊厚度1_，間距1.6mm;焊絲為Invar M93，Ni含量36.20%，直徑1.2mm。采用柔性裝夾，預留反變形角度為1.8°，富氬氣氛流量為18L/min;焊接設備為唐山松下生產的TAWERS-1400—體式焊接專用機器人，焊絲前傾10°，采用直流正接;焊接左右方向相互交替;焊前對工件坡口進行打磨與丙酮擦拭去除表面氧化膜與雜質；之后進行焊接軌跡的示教與參數的設置，具體參數為:

　　[0043]籲第一層:直線軌跡，焊接電流240A、焊接電壓27.3V、速度0.38m/min;

　　[0044]?第二層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流240A、焊接電壓27.3V、速度0.3m/min、擺幅2.78mm、頻率1.6Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0045]?第三層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流240A、焊接電壓27.3V、速度0.21m/min、擺幅5.00mm、頻率1.0Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0046]籲第四層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流242A、焊接電壓27.3V、速度0.18m/min、擺幅6.24mm、頻率0.9Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0047]?第五層:簡單低速擺動軌跡，焊接電流245A、焊接電壓27.4V、速度0.14m/min、擺幅8.34mm、頻率0.8Hz、鈍邊停留時間0.1 s;

　　[0048]?收弧參數統一設置為焊接電流140A、電壓22.0V、電流衰減時間1.5s。

　　[0049]Invar鋼焊后宏觀形貌如圖4所示，總體上看，焊縫成形基本均勻，出現明顯的魚鱗紋，表面質量較高。第一層焊縫左端(末端)2/5處出現了輕微的焊縫傾斜，推測可能原因為焊接終止點試教位置過高，或者焊絲的輕微扭曲導致的電弧偏移。但在第二層中，焊縫傾斜得到了有效改善，體現了脈沖MIG擺動焊接較大的工藝寬容度。

　　[0050]對實施例2中的焊接接頭進行了一系列檢測:抗拉強度為433_435Mpa，均略微高于母材強度(432Mpa);焊件的常溫氣密性檢測采用表面貼膜抽真空法，真空度穩定在_0.88MPa后關閉真空源；焊件的高溫氣密性檢測采用類似方法，測試溫度為180°C，壓力

　　0.6MPa，保溫保壓時間為15-30min，5min中內真空傳感器度數下降小于0.017Mpa，因此焊件的常溫及高溫氣密性均達到了相關的驗收標準。

　　[0051]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。

　　【主權項】

　　1.一種Invar模具鋼的自動焊接工藝，其特征在于:包括如下步驟 a)焊接材料的的選用:所述Invar模具鋼板材化學成分的重量含量為:Fe63.06%、Ni.35.67% ^Mn 0.49%、Cr 0.26%、Si 0.24% ^Co 0.14%、Mo 0.13%，所用焊接材料為InvarM93焊絲，焊絲直徑1.2mm，焊絲化學成分的重量含量為:Fe 61.43% ,Ni 36.20% ,Μη.0.55%、Α1 0.54%、Si 0.53%、Μο 0.53%、Cr 0.23% ； b)焊接設備的選用:所使用焊接設備為一體式MIG弧焊專用機器人，額定焊接電流.350A，焊接速度為 0.01-180m/min; c)Invar模具鋼厚板焊件坡口形狀設計及焊前準備:所述Invar模具鋼厚度為19.05mm，根據裝配的需要，選擇單面焊接成形工藝，待焊件開V型坡口，坡口角度為60°，鈍邊1mm，焊前在焊接終點位置進行點焊防止橫向變形，焊前采用反變形裝夾控制角變形，反變形角度.1.5-2°，鈍邊間距1.5-1.8mm，不預熱，焊絲干伸長為15mm，焊接過程保護采用97.5%Ar+.2.5%C02的富氬氣氛，流量控制在18-19L/min，焊后空冷，層間溫度控制在100°C以下； d)Invar模具鋼厚板多層單道自動焊接路徑規劃:所述Invar模具鋼板材厚度為.19.05mm，設計五層、每層采用單道焊縫填充，打底層焊縫較為狹窄，采用直線焊接路徑，焊縫起點與終點距離兩端分別為2_3mm及4-5mm，第二層至第四層焊縫寬度逐漸增大，設計采用擺動焊接路徑； e)Invar模具鋼厚板多層脈沖+擺動MIG自動焊接工藝參數設計:打底焊采用脈沖MIG直線焊接路徑，焊接電流235-240A、焊接電壓26.3-27.3V、焊接速度0.35-0.4m/min，第二至第五層焊縫采用脈沖+簡單低速擺動焊接路徑，根據焊縫長度等距離增設3-5個插補點，第二層焊接電流237-240A、焊接電壓27.1-27.3V、焊接速度0.30-0.32m/min、擺動幅長2.50-.2.70mm、擺動頻率1.5-1.6Hz ；第三層焊縫焊接電流240-242A、電壓27.3V、焊接速度0.18-.0.21m/min、擺幅4.40-4.60mm、頻率0.9-1.0Hz ;第四層焊接電流244-246A、電壓27.4V、焊接速度0.16-0.18m/min、擺幅5.90-6.35mm、頻率0.8-0.9Hz ；第五層焊接電流245-250A、電壓.27.4-27.6V、焊接速度 0.13-0.15m/min、擺幅 7.50-8.40mm、頻率 0.7-0.8Hz。

　　【專利摘要】本發明涉及一種Invar模具鋼的自動焊接工藝，步驟如下：焊接材料的選用；焊接設備的選用；Invar鋼厚板焊件坡口形狀設計及焊前準備；Invar鋼厚板多層單道自動焊接路徑規劃；Invar鋼厚板多層脈沖+擺動MIG自動焊接工藝參數設計。本發明通過合理采用脈沖MIG電弧擺動焊接技術，實現飛機復材模具制造專用的大厚度Invar鋼的焊接。對于厚度為19.05mm的Invar鋼，在較低的焊接電流下采用5層、每層1道焊縫獲得良好成形；焊縫表面呈現交錯魚鱗紋、未見氣孔、飛濺與裂紋等表面缺陷、背面完全焊透；焊縫截面無氣孔、裂紋、夾雜，焊縫-母材以及相鄰層焊縫熔合良好，未見明顯的晶界，熔池內雜質得到有效凈化；焊后角變形明顯減小，體現了脈沖擺動焊接技術對Invar鋼厚板良好的工藝適應性。

　　【IPC分類】B23K9/235, B23K9/173, B23K35/30

　　【公開號】CN105436673

　　【申請號】CN201510957947

　　【發明人】占小紅, 陳紀城, 王宇博, 孟瑤, 魏艷紅, 李玉博

　　【申請人】南京航空航天大學

　　【公開日】2016年3月30日

　　【申請日】2015年12月18日