中厚板机器人横焊焊接应力检测与分析

随着科技的发展,越来越多的焊接工作由机器人完成,特别是长焊缝和厚板结构件焊接。虽然其效率高、焊接状态稳定,但仍然存在着焊接残余应力的问题。由于焊接过程中加热不均匀造成焊接残余应力,焊接残余应力及变形是影响焊接工作安全性和使用寿命的重要因素。特别是钢结构件,残余应力对结构的疲劳性能,稳定承载能力等有很大影响,因此焊接应力检测是很有必要的。目前,盲孔法因测量结果准确,是常用的测量方法之一。本文就是应用盲孔法对中厚板机器人横焊接头的焊接应力进行检测。

测试情况介绍

该系统包括机器人本体、中厚板件卡具平台、控制箱、示教器、导轨、焊接电源、送丝装置、焊枪、气瓶等。该套系统实现了中厚板多层多道自动化横焊,其中机器人系统会通过坡口自动检测根据试件板厚、坡口角度及试件对接预留间隙等参数规划出相应的焊接参数。

试验所用材料为Q235钢,供货状态为热轧状态,其组织为铁素体和珠光体,铁素体呈规则的条状分布,珠光体较均匀的分布其内。试验中试板连接方式为单V坡口对接。样板尺寸400mm*100mm*28mm,坡口角度45°。本次实验采用的填充材料为H08Mn2SiA焊丝,焊丝直径为1.2mm。中厚板机器人横焊过程中,为了保证整个焊接接头的焊接质量,需要进行多层多道焊接,同时为了抑制横焊位置熔池下淌的行为,机器人多采用小电流快速焊接。

焊接应力检测步骤

实验中对垂直于焊缝方向进行测量,其中盲孔直径1.5mm,钻孔深度为2mm。仪器采用JHMK残余应力检测仪,应变片用0°、45°、90°方向三个测量通道,大多数应力检测都是检测三个通道的应变变化量。由于焊接残余应力的主方向沿焊缝和垂直于焊缝方向,为简化测量和计算过程,只测量0°和90°方向,即沿焊缝和垂直焊缝方向的应变变化量,然后计算得出残余应力。

盲孔法应力检测步骤如下：

1.由于多层多道焊接设置有一定的余高,并且盖面焊层由多条焊道铺展组成,使其表面凹凸不平。首先打磨盖面层,使其Ra值为3.2-6,然后用*酮擦拭表面,除去表面污迹。根据弹性力学分析的结果,如果孔中心距大于10倍钻孔半径,各孔之间测量结果的相互影响就很小。在本次试验中,盲孔钻孔半径为1.5mm,取任意两孔间隔距离为16mm,两孔之间的测量不会相互干扰。

2.在标点处粘贴应变片。在粘贴之前,首先用万用表测量应变栅的电阻,确保电阻值在119.6Ω-120.2Ω之间,以保证粘贴应变片的质量;在标定点处滴一滴胶水,轻轻将应变片贴上,然后在上面盖上一张聚四氟乙烯薄膜,用手指按压1-2分钟,即可完成粘贴。

3.对应变片的六根引线进行连接,首先用事先加热好的电烙铁在接线端子上熔化一滴焊锡,然后依次将每一根引线用镊子引到其对应端子上的位置处,用电烙铁将端子上的焊锡熔化,此时立刻将引线放入,待焊锡再一次凝固时就完成了一根引线连接。引线连接好后将应力测量仪调零,观察应力检测仪的各个通道是否导通,应变数值是否稳定在-10-10之间,如果未导通或者不稳定,则需要重新检查对应的引线是否焊好。

4.将JHZK残余应力专用钻孔装置放好位置,保证钻头与工件表面垂直,对准应变片上的钻孔位置。然后启动打孔装置,轻轻的下压开始钻孔,当钻孔深度达到2mm时慢慢抬起钻头。依次重复以上应力测量步骤完成所有点的测量。

数据分析

根据测得的残余应力结果可知

1.纵向应力在焊缝区域出现残余应力峰值达385MPa;焊趾处应力值骤减,距焊缝较远的母材区域表现为残余压应力值。

2.对于横向应力,表面横向残余应力均表现为残余拉应力,焊缝区域附近应力值较大;在焊趾处出现峰值,测量值为235MPa,接近母材的屈服强度值;远离距焊缝区时,应力值逐渐变小。

3.中厚板机器人焊接速度快,焊接线能量大,加之工装夹具的束缚,焊接内部产生较大的拉应力。