中厚板焊接機(jī)器人焊接質(zhì)量提升方法

蔣藝飛，馮國(guó)雄，張佳佳，梁修影

（柳工常州機(jī)械有限公司，江蘇 常州213168）

中厚板焊接機(jī)器人設(shè)備具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及可持續(xù)作業(yè)等特點(diǎn)，近幾年發(fā)展迅速，已廣泛運(yùn)用于橋梁、建筑鋼結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械、造船、航空航天、礦山機(jī)械、鐵路車(chē)輛、風(fēng)電設(shè)備等領(lǐng)域[1]。

柳工常州機(jī)械有限公司主要生產(chǎn)挖掘機(jī)、推土機(jī)，現(xiàn)有30多臺(tái)中厚板弧焊機(jī)器人，焊接自動(dòng)化程度達(dá)到92%以上。由于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件拼焊工藝比較復(fù)雜，受到結(jié)構(gòu)件拼搭質(zhì)量及焊接工藝參數(shù)的影響，在機(jī)器人焊接過(guò)程容易出現(xiàn)未焊透、焊偏、氣孔等焊接缺陷。焊接機(jī)器人出現(xiàn)的焊接缺陷，需要人工返工返修，首先用碳弧氣刨槍刨去缺陷處的焊縫，然后用角磨機(jī)修磨，用壓縮空氣將返修部位清理干凈，最后人工進(jìn)行補(bǔ)焊，返修流程復(fù)雜，稍不注意就會(huì)出現(xiàn)二次缺陷，不僅降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)也嚴(yán)重影響了零件的拼焊質(zhì)量，因此應(yīng)采取一切辦法盡量避免焊接機(jī)器人出現(xiàn)焊接缺陷。

圖1為焊接缺陷統(tǒng)計(jì)圖，由圖可以看出未融合、焊偏、氣孔占比較多，分別為18%、27%、34%，剩余缺陷為21%，下文將重點(diǎn)分析未熔合、焊偏、氣孔等焊接缺陷產(chǎn)生的原因，并提出克服焊接缺陷、提高焊接質(zhì)量的對(duì)策，規(guī)范中厚板焊接機(jī)器人在工程機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件拼焊中的應(yīng)用。

圖1 中厚板機(jī)器人焊接缺陷占比圖

1 中厚板焊接機(jī)器人系統(tǒng)

目前我公司采用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)為唐山開(kāi)元焊接機(jī)器人系統(tǒng)，屬于神戶(hù)集團(tuán)的電弧焊接機(jī)器人“ARCMA系列”，其主要應(yīng)用于建設(shè)機(jī)械、建筑鋼骨、橋梁、鐵路車(chē)輛等中厚板焊接領(lǐng)域。機(jī)器人由本體、變位機(jī)、移動(dòng)裝置、焊接裝置、控制系統(tǒng)組成。本體為6自由度關(guān)節(jié)型，選用三洋AC伺服電機(jī)，焊接裝置包括神鋼公司研發(fā)的焊接電源、焊槍、送絲機(jī)等硬件和焊接專(zhuān)家系統(tǒng)軟件[2]。

2 缺陷的原因分析及解決措施

2.1 未熔合缺陷

未熔合是指焊縫金屬與母材金屬，或焊縫金屬之間未熔化結(jié)合在一起的缺陷。熔池金屬在電弧力作用下被排向尾部而形成溝槽，當(dāng)電弧向前移動(dòng)時(shí)，溝槽中又填以熔池金屬，如果這時(shí)槽壁處的液態(tài)金屬層已凝固，填入的熔池金屬的熱量又不能使之再次熔化，就形成未熔合。

2.1.1 未熔合缺陷原因分析

對(duì)于中厚板，單層單道焊接通常不能滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)行多層多道焊，在這種焊接形式中，無(wú)論是角焊縫還是對(duì)接焊縫，都容易出現(xiàn)未熔合的焊接缺陷，具體原因分析如下：

（1）焊接機(jī)器人程序數(shù)據(jù)庫(kù)中工藝參數(shù)設(shè)置不合理，例如擺動(dòng)寬度、焊接速度、焊接電流電壓、兩端停頓時(shí)間等；

（2）焊接機(jī)器人在焊接過(guò)程焊絲偏向某一邊而另一邊尚未熔化就被已熔化的金屬掩蓋過(guò)去形成虛焊現(xiàn)象，從而出現(xiàn)單側(cè)未熔合；

（3）焊接面未清理干凈，有油污和鐵銹，最終導(dǎo)致焊縫金屬與母材熔合不理想從而出現(xiàn)未熔合。

2.1.2 未熔合缺陷改進(jìn)對(duì)策

經(jīng)過(guò)以上分析可以看出未熔合缺陷主要與機(jī)器人程序、數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)設(shè)置及工件表面質(zhì)量有關(guān)系，因此制定如下改進(jìn)對(duì)策：

（1）正確設(shè)定焊接參數(shù)。在機(jī)器人程序的數(shù)據(jù)庫(kù)中，如表1的幾個(gè)參數(shù)一定要設(shè)置正確，否則易產(chǎn)生未熔合缺陷。

表1 參數(shù)設(shè)置表

（2）提高結(jié)構(gòu)件拼搭質(zhì)量。要嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)件拼搭尺寸進(jìn)行拼搭，對(duì)于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件，對(duì)接焊縫拼搭間隙一般要求（4~7）mm，角焊縫拼搭間隙一般要求≤1 mm，拼搭間隙過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)造成未熔合的缺陷。

（3）在機(jī)器人程序中添加傳感命令。當(dāng)拼搭尺寸偏差不大的情況下，可以使用電弧傳感器檢測(cè)出坡口的寬度，如圖2增加“間隙傳感4.0 mm寬”并自動(dòng)補(bǔ)償擺動(dòng)條件、焊接速度的功能，從而使焊縫焊接均勻，熔合良好。

（4）清理焊道處及兩邊的油污和鐵銹。按照焊接工藝要求，焊道兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的鐵銹和油污必須清理干凈。

2.2 焊偏缺陷

焊偏是機(jī)器人在焊接過(guò)程中焊到焊道以外的焊接缺陷，焊縫焊偏最容易出現(xiàn)在多層多道角焊縫中，圖3為某工件的機(jī)器人焊偏缺陷。

圖3 某工件機(jī)器人焊偏缺陷

2.2.1 焊偏缺陷原因分析

在多層多道水平角焊縫中，由于角接頭中立板的拼搭位置偏差，而焊接機(jī)器人又無(wú)法確認(rèn)出焊道位置，就容易出現(xiàn)焊偏缺陷。

（1）焊縫起始位置，焊接機(jī)器人無(wú)法判斷焊道的中心位置，從而出現(xiàn)焊偏缺陷。

（2）焊接過(guò)程中，焊接機(jī)器人未能及時(shí)補(bǔ)償拼搭偏差，從而造成焊偏缺陷。

2.2.2 焊偏缺陷的改進(jìn)對(duì)策

焊偏主要出現(xiàn)在焊接起始位置及焊接過(guò)程中，針對(duì)這兩個(gè)位置，要逐一進(jìn)行解決。

（1）在程序中增加“開(kāi)始點(diǎn)傳感機(jī)能”，如圖4中“30數(shù)據(jù)庫(kù)呼出 210 W=有 A=有”中將A（焊絲接觸傳感）設(shè)置為“有”，這種功能可以使機(jī)器人在焊接中預(yù)先檢測(cè)坡口的中央位置，其與示教時(shí)工件的偏移量作為糾正量，糾正以后的焊接線的位置，從而避免出現(xiàn)焊偏缺陷。

（2）在程序中增加“電弧傳感命令”，如圖4中“30數(shù)據(jù)庫(kù)呼出210 W=有 A=有”，中將W（電弧傳感）設(shè)置為“有”，這種功能是在焊接中自動(dòng)檢測(cè)焊接線位置，追蹤位置偏移的功能，主要分為左右方向跟蹤和上下方向跟蹤。

（3）在程序中增加“壁方向指定功能”，如圖4中“28壁方向指定左壁”，特別是水平角焊通過(guò)焊接線和焊接姿勢(shì)不容易判定焊接方向時(shí)，壁方向指定命令就顯得很重要。通過(guò)指定“焊接壁方向”，焊接機(jī)器人就會(huì)沿著指定的“壁”就行焊接(水平角焊中通常以立板為“壁”)，從而避免焊偏問(wèn)題。

圖4 插入“壁方向指定功能”命令

2.3 氣孔缺陷

氣孔是指在焊接時(shí)，熔池中的氣體未在金屬凝固前逸出，殘存于焊縫之中所形成的空穴。其氣體可能是熔池從外界吸收的，也可能是焊接冶金過(guò)程中反應(yīng)生成的。

2.3.1 氣孔缺陷原因分析

弧焊機(jī)器人多采用氣體保護(hù)焊的方法（MAG、MIG、TIG），我公司目前采用的是純CO2氣體保護(hù)焊，氣體濃度≥99.8%，即使這樣，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備保養(yǎng)不當(dāng)、氣體流量不合適及焊接環(huán)境有風(fēng)、程序異常、工件表面不清理時(shí)都可能出現(xiàn)機(jī)器人焊接氣孔，具體分析如下：

（1）設(shè)備保養(yǎng)不當(dāng)：焊槍處冷卻水系統(tǒng)漏水、焊機(jī)內(nèi)部保護(hù)氣控制閥異常、保護(hù)氣氣管堵塞或者漏氣、氣塞或者噴嘴堵塞、清槍剪絲系統(tǒng)異常等都可能會(huì)造成焊接氣孔，具體保養(yǎng)原則及內(nèi)容如表2所列。

表2 保養(yǎng)內(nèi)容及原則[3]

（2）程序異常。主要就是焊接過(guò)程中干伸長(zhǎng)度不合適造成氣體保護(hù)效果差，干伸

長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)造成氣體對(duì)熔池保護(hù)效果不好，干伸長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)造成焊接飛濺容易堵塞噴嘴，都容易出現(xiàn)焊接氣孔。

（3）氣體流量不合適、焊接環(huán)境有風(fēng)。焊接機(jī)器人焊接時(shí)如果氣體流量過(guò)大或者過(guò)小均可能會(huì)出現(xiàn)氣孔。氣體流量太大時(shí)，對(duì)熔池吹力大，冷卻作用加強(qiáng)，且容易產(chǎn)生氣流紊亂而氣體流量過(guò)小時(shí)，挺度不夠，保護(hù)不良，都會(huì)產(chǎn)生氣孔；如果焊接環(huán)境中有風(fēng)，則容易將保護(hù)氣體吹散，使熔池保護(hù)不良，從而出現(xiàn)氣孔。

（4）工件表面不清理。工件表面的鐵銹、油污及水分都可能產(chǎn)生氫氣孔，這是由于工件表面的鐵銹、油污及水分在高溫下分解產(chǎn)生氫，氫可以溶解于液態(tài)金屬，高溫下焊接熔池中存在大量被溶解的氫，在金屬結(jié)晶的過(guò)程中，氫氣溶解度隨溫度降低而急劇減小，這些氣體來(lái)不及從熔池中逸出，就會(huì)在焊縫中形成氣孔[4]。

2.3.2 氣孔缺陷的改進(jìn)對(duì)策

（1）定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，保養(yǎng)內(nèi)容及保養(yǎng)原則如表2所列。

（2）觀察機(jī)器人焊接過(guò)程，保證干伸長(zhǎng)度為（22~25）mm.焊接機(jī)器人都有電弧上下方向跟蹤，如果開(kāi)啟電弧跟蹤功能仍不能滿(mǎn)足干伸長(zhǎng)度要求時(shí)，就需要重新對(duì)其做電流調(diào)整或者更改焊接機(jī)器人干伸長(zhǎng)度調(diào)整參數(shù)，如圖5中“No5039-20A”.

圖5 干伸長(zhǎng)度調(diào)整參數(shù)

（3）檢查氣流表保護(hù)氣體流量，對(duì)于CO2氣體保護(hù)焊，一般要求流量為（22~25）L/min，同時(shí)要定期檢查流量表是否正常有效；機(jī)器人焊接一般在室內(nèi)進(jìn)行焊接，要保證周?chē)坏糜酗L(fēng)，檢查周?chē)L(fēng)扇、窗戶(hù)是否關(guān)閉。

（4）用鋼絲刷清理工件表面的鐵銹，直到工件露出金屬光澤，油污水分要用壓縮空氣吹干凈或者火焰烘烤等方法清理干凈；機(jī)器人在焊接前涂刷防飛濺劑時(shí)，要保證涂刷均勻，不得涂刷在焊道內(nèi)部，否則也要進(jìn)行清理后方可進(jìn)行焊接。

（5）對(duì)于多層多道焊縫，當(dāng)焊縫道數(shù)≥4時(shí)，需要在焊接程序中增加“條件跳躍”功能，每2道焊縫過(guò)后清槍一次，避免多層焊過(guò)程中因?yàn)閲娮旌冈逊e過(guò)多導(dǎo)致熔池保護(hù)不良而出現(xiàn)焊接氣孔缺陷，如圖6所示，焊縫道數(shù)為2時(shí)，自動(dòng)跳躍至992清槍程序。

圖6 插入“清槍跳躍”命令

2.4 其他缺陷

除了以上常見(jiàn)的機(jī)器人焊接缺陷以外，在焊接過(guò)程還容易出現(xiàn)咬邊、飛濺過(guò)多、焊縫端頭弧坑等焊接缺陷，在此簡(jiǎn)要分析如下：

咬邊：咬邊缺陷一般與焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，或者焊槍角度、焊接位置不對(duì)有關(guān)系，通常的解決辦法為適當(dāng)調(diào)整電流電壓的配比，調(diào)整焊槍角度及焊槍與工件的相對(duì)位置。

飛濺過(guò)多：飛濺過(guò)多可能為焊接參數(shù)選擇不當(dāng)、氣體組分原因或焊絲干伸長(zhǎng)度太長(zhǎng)，可適當(dāng)調(diào)整電流電壓的配比來(lái)改變焊接參數(shù)，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)調(diào)整保護(hù)氣體流量，調(diào)整焊槍與工件之間的距離。

焊接端頭弧坑：焊縫結(jié)尾處冷卻后形成一弧坑，編程時(shí)可以增加回焊來(lái)避免焊縫弧坑，如圖7為回焊后焊縫成型良好，無(wú)弧坑，一般回焊長(zhǎng)度≥20 mm，回焊時(shí)要調(diào)整數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，電流要比正常焊接時(shí)?。?00~200）A.

圖7 收尾焊縫成型良好

3 改進(jìn)措施實(shí)施效果

焊接機(jī)器人編程調(diào)試人員在日常工作中按以上改進(jìn)措施加以運(yùn)用，操作者在日常操作中不得隨意改動(dòng)已確定的焊接程序，同時(shí)制定有效的機(jī)器人焊接工藝卡及日常保養(yǎng)基準(zhǔn)表指導(dǎo)操作者日常操作及維護(hù)保養(yǎng)焊接機(jī)器人，加強(qiáng)編程人員及操作者焊接機(jī)器人技能水平，實(shí)施效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上改進(jìn)方法，目前我公司焊接機(jī)器人焊縫一次交檢合格率達(dá)到99%，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也提高了工件的焊接質(zhì)量，提升了我公司生產(chǎn)工程機(jī)械的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接過(guò)程中，高質(zhì)量、高效率的將焊接機(jī)器人應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線已經(jīng)迫在眉睫，而這首先取決于焊接機(jī)器人高素質(zhì)的管理人員、技術(shù)人員和操作人員，一個(gè)企業(yè)焊接機(jī)器人使用的好壞，很大程度在于人，因此首先要保證有一支穩(wěn)定的工作隊(duì)伍，其次就是加強(qiáng)這些人員的技能培訓(xùn)，只有這樣我們才能讓焊接機(jī)器人的作用發(fā)揮的更好，才能提升結(jié)構(gòu)件焊接的質(zhì)量[5]。

[1]張正兵，李曉娜.機(jī)器人在焊接中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2008，38（6）:44-47.

[2]劉文武.焊接機(jī)器人在工程機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?010，（23）:276-277.

[3]侯建偉，吳亞鵬.焊接機(jī)器人出現(xiàn)氣孔的排查方法及解決措施[J].現(xiàn)代焊接，2012，（5）：26-28.

[4]裴 旭.如何提高焊縫質(zhì)量的方法[J].信息技術(shù)教學(xué)與研究，2007，（49）:118-119.

[5]宋金虎.我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2009，39（4）:18-20.