無鍍銅桶裝焊絲在機(jī)器人焊接中的應(yīng)用

王杭安，馬麗娟，丁會全

河北鑫宇焊業(yè)有限公司，河北滄州061600

0 前言

近年來，隨著自動化水平的逐步提高和人工成本的逐年增加，焊接機(jī)器人得到了快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、煤礦機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域，極大改善了操作者的工作環(huán)境，降低了勞動強(qiáng)度，提升了工作效率。為了減少更換焊絲的頻率，大多數(shù)的焊接機(jī)器人都采用桶裝焊絲，桶裝焊絲每桶質(zhì)量可達(dá)250～400 kg，一些工廠桶裝焊絲用量已占總用量的50%以上。但是桶裝焊絲的送絲軟管長度很長，送絲阻力大，對焊絲的挺度和翹度等質(zhì)量要求較高。當(dāng)采用鍍銅質(zhì)量稍差的焊絲時(shí)，焊絲表面的鍍銅因摩擦脫落會造成導(dǎo)管內(nèi)容積減小，高速送絲時(shí)阻力加大，焊絲不能平滑送出，產(chǎn)生抖動，導(dǎo)致電弧不穩(wěn)，影響焊縫質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，迫使機(jī)器人停機(jī)，故需及時(shí)清理焊絲導(dǎo)管。

目前，國內(nèi)多家焊絲生產(chǎn)企業(yè)紛紛研制出了具有自己特色的無鍍銅焊絲，努力向無重金屬、無酸、無堿生產(chǎn)靠近，從而實(shí)現(xiàn)接近“零”污染排放。無鍍銅工藝主要是用非鍍銅層取代鍍銅層，無鍍銅焊絲是應(yīng)用納米和現(xiàn)代金屬間化合物膠體涂層相結(jié)合的新型焊接材料。非鍍銅涂層在增強(qiáng)焊絲抗銹性的基礎(chǔ)上，具有高吸附性、耐高溫、急速干燥及低電阻等特點(diǎn)，增加了焊絲的潤滑性和導(dǎo)電性，降低了導(dǎo)電嘴的磨損，減少了更換頻率［1］。

文中針對河北鑫宇焊業(yè)有限公司生產(chǎn)的無鍍銅桶裝焊絲的優(yōu)勢和現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和討論。圖1為河北鑫宇焊業(yè)有限公司無鍍銅桶裝焊絲生產(chǎn)線。

圖1 無鍍銅桶裝焊絲生產(chǎn)線Fig.1 Copper free barrel welding wire production line

1 桶裝無鍍銅焊絲生產(chǎn)工藝概述

桶裝無鍍銅焊絲生產(chǎn)工藝如下：原材料檢驗(yàn)→機(jī)械清理氧化皮→粗拉→精拉→表面處理→桶裝分卷。要求原材料供應(yīng)商控制氧化皮的成分和比例，確保氧化皮容易清理干凈。生產(chǎn)桶裝焊絲的原線松弛直徑應(yīng)不小于1 m，桶裝分卷后起伏高度小于75 mm，振幅小于200 mm，扭轉(zhuǎn)角度小于3圈/10 m。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用焊絲為河北鑫宇焊業(yè)有限公司生產(chǎn)的Φ1.2 mm×250 kg的桶裝焊絲，型號分別為鍍銅焊絲GHS-70、無鍍銅焊絲GHS-70、無鍍銅焊絲XM-58。采用GB/T25776-2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》“3.2.7焊接發(fā)塵量”條款要求進(jìn)行發(fā)塵量檢測。采用自動焊小車，連接LR4200E波形記錄儀測定焊接電流、電弧電壓和送絲的波動情況，檢測電弧的穩(wěn)定性。采用OTC500焊機(jī)+10 m送絲管+5 m焊槍進(jìn)行送絲阻力測試，測試時(shí)將送絲機(jī)壓線輪松開，采用Lyman焊絲測力器從焊槍導(dǎo)電嘴處緩緩牽引焊絲，記錄送絲阻力值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊絲發(fā)塵量

鍍銅焊絲和無鍍銅焊絲的發(fā)塵量測試結(jié)果如表1所示。

焊接時(shí)，鍍銅焊絲的煙霧為黃褐色，無鍍銅焊絲的煙霧為淺藍(lán)色。從表1可以看出，無鍍銅焊絲的發(fā)塵量較鍍銅焊絲均有所下降，其中XM-58的發(fā)塵量比鍍銅焊絲減少達(dá)17%。這是因?yàn)殄冦~焊絲表面的銅膜在電弧的高溫作用下，產(chǎn)生黑色的氧化銅煙霧，而無鍍銅焊絲表面沒有銅膜，所以無氧化銅煙霧。同時(shí)焊絲表面的防銹油揮發(fā)也會產(chǎn)生部分煙塵。由于無鍍銅焊絲的抗銹性能好［2］，焊絲表面的防銹油含量僅為鍍銅焊絲的50%左右，所以因防銹油揮發(fā)而產(chǎn)生的煙塵大幅度減少。綜合可知，使用無鍍銅焊絲時(shí)產(chǎn)生的煙塵少，有利于改善施工現(xiàn)場的空氣質(zhì)量，有益于焊工的身體健康［3］。

表1 無鍍銅焊絲和鍍銅焊絲發(fā)塵量比較Table 1 Comparison of dust emission between non copper plated wire and copper plated wire

3.2 電弧穩(wěn)定性

從現(xiàn)場取無鍍銅桶裝焊絲和鍍銅桶裝焊絲，采用自動焊小車在平板上進(jìn)行焊接，用LR4200E波形測定儀記錄焊接電流、電弧電壓和送絲機(jī)電流的波動情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 無鍍銅桶裝焊絲和鍍銅桶裝焊絲電弧波形比較Fig.2 Comparison of arc waveform between non copper plated barrel welding wire and copper plated barrel welding wire

由圖2可知，無鍍銅桶裝焊絲在焊接電流、電弧電壓、送絲機(jī)電流方面，均比鍍銅桶裝焊絲穩(wěn)定，而且送絲機(jī)電流也小于鍍銅桶裝焊絲。這是因?yàn)闊o鍍銅焊絲表面涂有活性涂層［4-5］，使無鍍銅焊絲的轉(zhuǎn)變電流減小，降低實(shí)現(xiàn)噴射過渡的門檻；而且非鍍銅涂層成分可以是多樣性的，有穩(wěn)弧方面的活性元素，也有導(dǎo)電方面的其他元素等，在焊接過程中降低了熔滴的表面張力，熔滴直徑變小，從而使得熔滴過渡過程中單位時(shí)間內(nèi)的熔滴數(shù)量增加，電弧更加穩(wěn)定，飛濺明顯減少［6-7］。

3.3 送絲阻力

送絲阻力測試結(jié)果如表2所示。無鍍銅焊絲生產(chǎn)過程中，采用特殊的表面處理技術(shù)，減小了焊絲的摩擦系數(shù)，使焊絲在送絲軟管中的阻力減小，保證送絲過程穩(wěn)定。從表2可以看出，無鍍銅焊絲的送絲阻力平均值比鍍銅焊絲減小22%。

表2 無鍍銅焊絲和鍍銅焊絲送絲阻力比較Table 2 Comparison of wire feeding resistance between non copper plated welding wire and copper plated welding wire

3.4 無鍍銅桶裝焊絲在現(xiàn)場容易出現(xiàn)的問題

3.4.1 焊絲容易斷弧

無鍍銅焊絲和鍍銅焊絲最大的差異是焊絲外觀。鍍銅焊絲鍍銅之后進(jìn)行了拋光處理，焊絲外觀光滑，銅膜較為均勻地覆蓋在焊絲表面，所以焊絲在送絲過程中，壓線輪的壓線手柄需要壓緊焊絲，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的送絲過程。由于銅膜硬度較低，壓線輪即使壓得很緊，銅膜也只是出現(xiàn)輕微變形，并不影響在導(dǎo)電嘴內(nèi)的導(dǎo)電。而無鍍銅焊絲在壓線輪壓得太緊的情況下，由于焊絲表面沒有銅膜，表面硬度較高，會與送絲輪和壓線輪發(fā)生摩擦，在送絲輪和壓線輪磨損嚴(yán)重的情況下，無鍍銅焊絲更容易被劃傷，導(dǎo)致焊絲的導(dǎo)電性能下降。在導(dǎo)電嘴傳導(dǎo)電流到焊絲時(shí)，由于導(dǎo)電不良，在導(dǎo)電嘴內(nèi)部產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致焊絲與導(dǎo)電嘴粘連，在宏觀上表現(xiàn)為斷弧。

3.4.2 焊絲容易跳絲

桶裝焊絲用的焊絲桶有圓桶、馬拉松桶和方桶。圓桶又分為帶內(nèi)桶和不帶內(nèi)桶，整流壓片也有多種形式，常見的是帶內(nèi)桶的圓桶式桶裝焊絲。桶裝焊絲在繞線過程中，要將焊絲放進(jìn)桶內(nèi)，是一種梅花形纏繞的方式，每繞一圈焊絲就要扭轉(zhuǎn)360°。焊絲纏入桶內(nèi)，由于焊絲自重和拘束的雙重因素影響，焊絲會出現(xiàn)應(yīng)力殘留，導(dǎo)致焊絲在送絲時(shí)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的情況。殘留應(yīng)力大，扭轉(zhuǎn)角度就大；殘留應(yīng)力小，扭轉(zhuǎn)角度就小。如果扭轉(zhuǎn)角度大，焊絲在從桶內(nèi)放線時(shí)，焊絲會從內(nèi)桶壁或外桶壁彈出，造成亂絲，如圖3、圖4所示。

圖3 焊絲內(nèi)跳絲Fig.3 Erratic wire feed in welding wire

圖4 焊絲外跳絲Fig.4 Erratic wire feed outside welding wire

3.4.3 焊絲送絲不順

桶裝焊絲的線性和盤裝焊絲的線性不同，主要區(qū)別是盤裝焊絲在出絲過程中不旋轉(zhuǎn)，而桶裝焊絲在送絲過程中是旋轉(zhuǎn)的。因此，在旋轉(zhuǎn)角度較大的情況下，焊絲在送絲軟管中的阻力增大，容易出現(xiàn)送絲困難。尤其是在送絲管或焊槍存在曲率較大的情況下，送絲系統(tǒng)又較長，送絲阻力會顯著增大，造成送絲不順。

3.5 改善措施

3.5.1 改善焊絲斷弧的措施

焊絲斷弧是由于焊絲外觀被劃傷，導(dǎo)致導(dǎo)電不良引起的，為避免此情況應(yīng)保證良好的焊絲外觀。壓線輪的調(diào)節(jié)手柄可調(diào)節(jié)得松一些［3］，以確保焊絲不被劃傷。壓線手柄調(diào)節(jié)如圖5所示。發(fā)生斷弧時(shí)焊絲的外觀形貌如圖6所示。由圖6可知，焊絲發(fā)生斷弧，是焊絲外觀原因造成焊絲在導(dǎo)電嘴內(nèi)部導(dǎo)電不良，產(chǎn)生電弧而導(dǎo)致焊絲和導(dǎo)電嘴粘連。

圖5 送絲機(jī)壓線手柄位置Fig.5 Position of wire pressing handle of wire feeder

圖6 斷弧時(shí)導(dǎo)電嘴內(nèi)焊絲的外觀Fig.6 Appearance of welding wire in conducting nozzle during arc breaking

3.5.2 改善焊絲跳絲的措施

焊絲跳絲是因?yàn)楹附z扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重，在送絲時(shí)從整流壓片邊緣跳出，導(dǎo)致焊絲打結(jié)。焊絲扭轉(zhuǎn)除了焊絲自身線性不好的情況外，與送絲系統(tǒng)也有一定的關(guān)系。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，在桶帽上方增加一組矯直輪，減小焊絲的振幅和翹距，減小送絲阻力的同時(shí)有效避免了焊絲扭轉(zhuǎn)角度的疊加，從而避免焊絲因扭轉(zhuǎn)角度大而出現(xiàn)跳絲的情況發(fā)生。焊絲矯直輪如圖7所示。

圖7 焊絲矯直輪Fig.7 Wire straightening wheel

3.5.3 改善焊絲送絲不順的措施

由于桶裝焊絲送絲時(shí)有一定的扭轉(zhuǎn)，不僅容易出現(xiàn)跳絲的情況，而且還會增大送絲阻力，導(dǎo)致送絲不順。為減小阻力，有必要在送絲系統(tǒng)增加一些輔助裝置。

（1）增加氣動送絲機(jī)或輔助送絲裝置。

氣動送絲機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以一直保持與焊機(jī)送絲機(jī)同步送絲。經(jīng)測試，送絲距離30 m仍然保持穩(wěn)定送絲，如圖8所示。

圖8 氣動送絲機(jī)與輔助送絲裝置Fig.8 Pneumatic wire feeder and auxiliary wire feeding device

（2）增加導(dǎo)絲滑塊或?qū)Ыz支架。

導(dǎo)絲滑塊是將焊絲在送絲管中的滑動送絲變?yōu)闈L動送絲，減小送絲阻力；導(dǎo)絲支架可以減小送絲導(dǎo)管的曲率，減小送絲阻力，如圖9、圖10所示。

圖9 導(dǎo)絲滑塊Fig.9 Guide wire slider

圖10 導(dǎo)絲支架Fig.10 Guide wire support

（3）在焊槍位置增加吊鉤。

由于焊槍是活動的，在焊槍位置增加彈性吊鉤可以避免焊槍出現(xiàn)死彎，減小送絲阻力，如圖11所示。

圖11 焊槍吊鉤Fig.11 Welding gun hook

（4）安裝焊接轉(zhuǎn)盤。

根據(jù)桶裝焊絲的特點(diǎn)，鑫宇焊業(yè)研發(fā)了一種桶裝焊絲用焊接轉(zhuǎn)盤并已申請專利。焊接轉(zhuǎn)盤的原理：通過焊絲桶的旋轉(zhuǎn)將焊絲自身旋轉(zhuǎn)相抵消，使焊絲在送絲過程中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或很少旋轉(zhuǎn)。圖12為某煤機(jī)廠使用該焊接轉(zhuǎn)盤進(jìn)行焊接。經(jīng)過用戶使用反饋，焊絲送絲平穩(wěn)，電弧穩(wěn)定性好，焊道成形良好，同時(shí)也解決了焊絲在桶內(nèi)跳絲和亂線的問題。

圖12 焊接轉(zhuǎn)盤Fig.12 Welding turntable

（5）定期更換送絲軟管。

桶帽到送絲機(jī)的送絲軟管在長時(shí)間使用后，軟管內(nèi)部會出現(xiàn)劃傷，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生溝槽（見圖13），應(yīng)及時(shí)更換。

圖13 磨損后的送絲軟管內(nèi)壁Fig.13 Inner wall of worn wire feeding hose

3 應(yīng)用案例

使用無鍍銅桶裝焊絲由于煙塵量小，焊接操作人員的工作環(huán)境得到改善，據(jù)某煤機(jī)廠反饋，以前使用鍍銅焊絲時(shí)，每年都有幾例焊工塵肺病病例，而在使用無鍍銅桶裝焊絲6年來，全車間沒有一例塵肺病發(fā)生。液壓支架所用板材強(qiáng)度級別高，有Q460、Q550D、Q690E、Q690，高強(qiáng)鋼在焊接時(shí)需要預(yù)熱和層溫控制，采用機(jī)器人焊接比較容易保證焊接工藝要求，且普遍采用桶裝焊絲。同時(shí)焊接的工件焊道成形美觀，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性得到極大提高。圖14為使用無鍍銅桶裝焊絲GHS-80焊接的液壓支架配件。

圖14 液壓支架配件的焊道Fig.14 Weld bead of hydraulic support accessories

在新能源汽車和工程機(jī)械行業(yè)，無鍍銅桶裝焊絲以優(yōu)異的工藝性能得到了廣泛的應(yīng)用，市場占有率逐年提高。圖15為無鍍銅桶裝焊絲在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用。

圖15 裝載機(jī)臂架的焊接Fig.15 Welding of loader boom

4 結(jié)論

（1）無鍍銅桶裝焊絲是新開發(fā)的環(huán)保型焊絲，其顯著優(yōu)點(diǎn)是焊接發(fā)塵量少、飛濺小、焊道成形好，有利于現(xiàn)場操作人員的身體健康，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

（2）無鍍銅桶裝焊絲的導(dǎo)電狀態(tài)至關(guān)重要，需要確保焊絲外觀沒有劃傷，注意送絲系統(tǒng)中送絲輪、壓線輪和送絲軟管的定期維護(hù)和保養(yǎng)工作。

（3）無鍍銅桶裝焊絲在使用時(shí)應(yīng)采用矯直輪，氣動送絲機(jī)和輔助送絲裝置是必要的，可以保證在長距離送絲條件下的穩(wěn)定送絲。

（4）采用焊接轉(zhuǎn)盤能夠有效提高無鍍銅桶裝焊絲的送絲性能，避免焊絲跳絲、打結(jié)，減小送絲阻力，從而提高電弧穩(wěn)定性，改善焊道成形。

（5）無鍍銅桶裝焊絲在有些用戶使用過程中，由于設(shè)備送絲系統(tǒng)的長度太長，焊槍曲率大，送絲驅(qū)動存在的設(shè)計(jì)問題，使電弧穩(wěn)定性差，導(dǎo)致導(dǎo)電嘴損耗大，這個問題需要設(shè)備生產(chǎn)廠家和導(dǎo)電嘴配件生產(chǎn)廠家配合，改善送絲性能，降低導(dǎo)電嘴的損耗。