中厚板焊接機(jī)器人焊接質(zhì)量提升方法

蔣藝飛，馮國雄，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、降低工人勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(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多臺中厚板弧焊機(jī)器人，焊接自動化程度達(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)為唐山開元焊接機(jī)器人系統(tǒng)，屬于神戶集團(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、鐵路車輛等中厚板焊接領(lǐng)域。機(jī)器人由本體、變位機(jī)、移動裝置、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)電弧向前移動時，溝槽中又填以熔池金屬，如果這時槽壁處的液態(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

對于中厚板，單層單道焊接通常不能滿足要求，需要進(jìn)行多層多道焊，在這種焊接形式中，無論是角焊縫還是對接焊縫，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)庫中工藝參數(shù)設(shè)置不合理，例如擺動寬度、焊接速度、焊接電流電壓、兩端停頓時間等；

（2）焊接機(jī)器人在焊接過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)對策

經(jīng)過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)庫中，如表1的幾個參數(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，對于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件，對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，拼搭間隙過大或者過小都會造成未熔合的缺陷。

（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出坡口的寬度，如圖2增加“間隙傳感4.0 mm寬”并自動補(bǔ)償擺動條件、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)器人無法判斷焊道的中心位置，從而出現(xiàn)焊偏缺陷。

（2）焊接過程中，焊接機(jī)器人未能及時補(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)對策

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

（1）在程序中增加“開始點(diǎn)傳感機(jī)能”，如圖4中“30數(shù)據(jù)庫呼出 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)先檢測坡口的中央位置，其與示教時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檢測焊接線位置，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焊接線和焊接姿勢不容易判定焊接方向時，壁方向指定命令就顯得很重要。通過指定“焊接壁方向”，焊接機(jī)器人就會沿著指定的“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，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。主要就是焊接過程中干伸長度不合適造成氣體保護(hù)效果差，干伸

長度過長造成氣體對熔池保護(hù)效果不好，干伸長度過小時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)器人焊接時如果氣體流量過大或者過小均可能會出現(xiàn)氣孔。氣體流量太大時，對熔池吹力大，冷卻作用加強(qiáng)，且容易產(chǎn)生氣流紊亂而氣體流量過小時，挺度不夠，保護(hù)不良，都會產(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)晶的過程中，氫氣溶解度隨溫度降低而急劇減小，這些氣體來不及從熔池中逸出，就會在焊縫中形成氣孔[4]。

2.3.2 氣孔缺陷的改進(jìn)對策

（1）定期對設(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)器人焊接過程，保證干伸長度為（22~25）mm.焊接機(jī)器人都有電弧上下方向跟蹤，如果開啟電弧跟蹤功能仍不能滿足干伸長度要求時，就需要重新對其做電流調(diào)整或者更改焊接機(jī)器人干伸長度調(diào)整參數(shù)，如圖5中“No5039-20A”.

圖5 干伸長度調(diào)整參數(shù)

（3）檢查氣流表保護(hù)氣體流量，對于CO2氣體保護(hù)焊，一般要求流量為（22~25）L/min，同時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，要保證周圍不得有風(fēng)，檢查周圍風(fēng)扇、窗戶是否關(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，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）對于多層多道焊縫，當(dāng)焊縫道數(shù)≥4時，需要在焊接程序中增加“條件跳躍”功能，每2道焊縫過后清槍一次，避免多層焊過程中因?yàn)閲娮旌冈逊e過多導(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，自動跳躍至992清槍程序。

圖6 插入“清槍跳躍”命令

2.4 其他缺陷

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

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位置。

飛濺過多：飛濺過多可能為焊接參數(shù)選擇不當(dāng)、氣體組分原因或焊絲干伸長度太長，可適當(dāng)調(diào)整電流電壓的配比來改變焊接參數(shù)，調(diào)節(jié)氣體流量計調(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，編程時可以增加回焊來避免焊縫弧坑，如圖7為回焊后焊縫成型良好，無弧坑，一般回焊長度≥20 mm，回焊時要調(diào)整數(shù)據(jù)庫參數(shù)，電流要比正常焊接時小（100~200）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已確定的焊接程序，同時制定有效的機(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

通過以上改進(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)械的市場競爭力。

在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接過程中，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.