弧焊機器人焊接過程中常見問題分析

霍厚志，黃 程，張 號，張 元，齊俊滕

（1.山東省智能機器人應用技術研究院，山東 鄒城273500；2.山東沃林重工機械有限公司，山東 濟寧272000）

弧焊機器人焊接過程中常見問題分析

霍厚志1，黃 程2，張 號1，張 元1，齊俊滕1

（1.山東省智能機器人應用技術研究院，山東 鄒城273500；2.山東沃林重工機械有限公司，山東 濟寧272000）

為了使弧焊機器人能實現穩定、高效、優質的焊接，從焊接工藝和焊接設備兩個方面對機器人使用過程中常見的問題進行了分析。分析認為，人為、設備、物料、方法以及環境等因素均對焊接質量有一定的影響。在使用弧焊機器人焊接時，做好各工序環節的控制，嚴格執行焊接工藝參數，保持焊接設備運行正常，可以有效預防焊接尺寸不符合要求（形狀缺陷）、焊偏、焊穿、氣孔、咬邊、飛濺嚴重等焊接缺陷的產生。

焊接；弧焊機器人；焊接缺陷；焊接工藝

Abstract:In order to make the arc welding robot achieve stable,high efficient and high quality welding,the common problems in the process of using were analyzed from two aspects of the welding process and welding equipment.The results indicated that people,equipment,material,method and environment factors all have certain effects on welding quality.When using arc welding robot welding,controlling well each working procedure,strictly performing welding process parameters,keeping the welding equipment normal operation,can effectively prevent welding defects,such as welding size not conforming to the requirements(shape defects),deviation,weld penetration,stoma,undercut,serious splash and so on.

Key words:welding;arc welding robot;welding defects;welding process

截止到2015年底，我國焊接機器人保有量83 081臺，其中弧焊機器人占80%以上。預計未來十年，我國焊接機器人的裝機量將保持兩位數以上的增長[1-3]，這就意味著將來會有越來越多的焊接工人被焊接機器人取代。焊接機器人的大量應用不僅將焊接工人從勞動強度大、作業條件惡劣的工作中解脫出來，而且可以大大提高焊接效率，保證焊接質量。但是焊接機器人在使用過程中一旦出現問題，若不能及時正確地解決，其焊接效率和焊接質量就得不到保障。所以，要想使焊接機器人實現穩定、高效、優質的焊接就必須及時正確地處理焊接機器人使用過程中出現的任何問題。本研究就弧焊機器人焊接過程中經常出現的一些問題，進行了分析，并給出了相應的解決方法。

1 焊接缺陷及其原因分析

弧焊機器人使用過程中，由于人為、設備、物料、方法以及環境等因素的控制不當會出現所焊焊縫金屬不連續、不致密或連接不良等現象，即產生焊接缺陷[4]。弧焊機器人焊接過程及所焊焊縫中經常出現焊接尺寸不符合要求（形狀缺陷）、焊偏、焊穿、氣孔、咬邊、飛濺嚴重等缺陷。

1.1 焊縫尺寸不符合要求

弧焊機器人所焊焊縫尺寸不符合要求是指焊縫寬度和焊縫余高不符合要求，出現此類問題一般是由于物料不符合要求或設備故障而造成。對于同樣結構形式、恒定尺寸的焊縫，弧焊機器人正常焊接過程中程序設定的焊接速度（機器手末端的運行速度）、送絲速度、焊接電流、焊接電壓、干伸長、焊接擺幅及擺動頻率均為恒定值。若焊接接頭的表面質量、坡口角度及組對間隙均符合設計要求，且焊接設備的運行參數正常，弧焊機器人所焊焊縫的尺寸一般均會合格。但焊接過程中，待焊產品要經過下料、坡口加工（此工序僅在厚板焊接中有）、折彎、組對等工序，其中任何一個環節控制不當都會影響焊接接頭的尺寸。送絲速度不穩定是導致弧焊機器人所焊焊縫不符合要求的主要原因，送絲管送絲簧堵塞、送絲機損壞、送絲輪磨損等均可能導致送絲速度的不穩定。

1.2 焊偏

焊偏是指機器人執行焊接工作時，實際焊接軌跡脫離待焊區中心位置，焊偏照片如圖1所示。機器人焊接過程中一旦出現焊偏，所焊焊縫必須全部打磨掉。打磨工作效率低、勞動強度大、工作環境惡劣，嚴重影響了弧焊機器人的焊接效率。所以想要高效、優質地使用弧焊機器人，就必須盡量避免焊偏。

圖1 焊偏照片

導致弧焊機器人焊偏的原因有以下幾個方面：

（1）弧焊機器人焊槍TCP沒有校準。

（2）工件或工裝基準偏差過大。

（3）焊接尋位檢測出現問題。目前弧焊機器人可用的尋位檢測方式有焊絲接觸傳感尋位、激光尋位、視覺尋位[5]。焊絲接觸傳感尋位系統結構簡單、工作穩定、成本低廉，是弧焊機器人系統中采用最多的一種尋位系統[6]。焊絲接觸傳感尋位系統的工作原理是焊絲碰到工件時，系統內部繼電器線圈通電，該線圈對應的常開閉合，快速檢測通道導通并記錄機器人當時的空間坐標，通過多個點的組合最終確定焊縫位置。本研究中使用的焊絲接觸傳感尋位出現異常的原因：①焊絲未清剪，在尋位檢測前應運行一次清槍程序，否則會出現焊絲長度不標準或焊絲末端導電不良最終導致尋位檢測出現問題；②焊接工件上的尋位檢測點導電不良，焊接工件上尋位檢測點處存在氧化皮、油污、防飛濺液等異物都可能導致尋位檢測出現問題；③焊接尋位檢測回路接觸不良或短路。

（4）角焊、船位焊或帶坡口的對接焊中沒有打開電弧跟蹤功能。

（5）不帶坡口的對接焊中打開電弧跟蹤功能。

（6）使用基于擺動掃描電弧傳感器的焊縫跟蹤功能時沒有使用焊接擺動功能。

（7）基于打底焊電弧跟蹤的多層多道焊接中，填充或蓋面焊過程中出現斷電重啟狀況，焊接實物照片如圖2所示。本研究中，在多重多道焊接中的打底及填充焊過程中均沒有出現焊偏，但蓋面焊接時設備斷電重啟，進而出現了焊偏。

圖2 因斷電重啟而造成的焊偏照片

（8）焊接坡口形狀及尺寸如圖3所示。焊接帶坡口的焊縫使用電弧跟蹤時，若坡口角度α和根部間隙b過小，而焊槍擺幅d遠大于坡口的實際寬度l，會導致坡口兩側母材的過量熔化，造成焊偏。

圖3 焊接坡口形狀及尺寸示意圖

（9）弧焊機器人焊接編程時焊接姿態中存在奇異點（死點）。

（10）焊槍角度設置不當。

1.3 焊穿

弧焊機器人焊接過程中，若參數設置不當或被焊工件不符合焊接要求，就會出現部分熔化金屬從焊縫背面漏出，甚至將焊件熔穿成洞的現象，這種現象稱焊穿或燒穿。造成焊穿或燒穿的原因：①組對時接頭根部間隙過大；②坡口角度過大或鈍邊尺寸過小；③焊接線能量過大，如焊接速度過慢或焊接電流過大；④在母材薄弱部位設置焊接擺動停留；⑤機器人或焊槍姿態設置不當。

1.4 氣孔

弧焊機器人焊接過程中，在熔池凝固之前熔池中的氣體未完全溢出，便會在焊縫表面形成孔洞，焊接氣孔照片如圖4所示。產生表面氣孔的原因：①保護氣體不純或氣流量過低；②焊件或焊材上有油、水、銹或其他有機異物；③焊接環境過于潮濕或周圍風速過大；④機器人焊槍漏水；⑤焊槍清理不及時，噴嘴被焊渣堵塞；⑥電弧過長或熔池過大造成保護氣體保護不良；⑦焊接速度過快或焊接擺動幅度過大，同時擺動頻率過高等因焊槍末端快速移動造成的保護氣體對熔池的保護不良；⑧焊接母材中C、Si、Mn、Cu、Ni含量超標[7]。

圖4 焊接氣孔照片

1.5 咬邊

咬邊是電弧沖刷熔化焊縫區基本金屬后未能填充在沿焊趾的母材部分形成的溝槽[10]。咬邊的形成與熔池的擾動、熔融金屬形成紊流及被電弧沖刷掉的母材部分在焊縫金屬凝固前沒有被及時填充等有關。造成咬邊的原因：①焊接線能量過大，焊絲填充速度過低；②電弧過長；③焊槍角度不當；④保護氣體因素；⑤焊接速度過快；⑥焊接擺幅過大，擺動左右停留時間過短。

1.6 飛濺嚴重

焊接飛濺是焊接過程中由熔池噴射出的金屬顆粒粘附在母材或焊縫上的一種現象[8]，弧焊機器人采用CO2氣體保護焊方法進行焊接時伴有少量飛濺是正常現象。但飛濺嚴重時不僅浪費焊材，影響焊縫美觀，還會引起氣孔和夾渣等缺陷，另外清理飛濺還會浪費大量人力。飛濺嚴重的原因：①焊材中C、Mn、Si、S、P等成分含量偏高[9]，或焊材表面不潔凈；②焊接電流電壓不匹配；③電源極性選擇不當；④焊槍傾斜角度過大；⑤焊絲干伸長過長；⑥保護氣體不符合要求；⑦母材不符合要求；⑧導電嘴導線導電效果不佳；⑨地線接觸不好；⑩磁偏吹。

2 設備故障及原因分析

2.1 噴嘴接觸工件

正常狀態下，弧焊機器人使用過程中焊槍噴嘴與電極（導電嘴）是絕緣的，但有時會出現噴嘴接觸工件而報警的情況。造成報警的原因：①導電嘴底座上焊渣堆積過多使導電嘴底座與固定噴嘴的焊槍銅套連接；②焊槍電纜與焊槍連接處連接噴嘴的銅線裸露，接觸到銅制螺母；③焊槍漏水。

2.2 尋位檢測前焊絲接觸工件

此類故障一般發生在焊接尋位過程中，造成此故障的原因是尋位檢測前焊絲與工件已經形成閉合回路，導致后續檢測無法進行。造成此類故障的原因：①噴嘴接觸工件；②送絲機與機器人本體絕緣不好；③焊絲桶或焊絲盤中與焊絲接觸的金屬材料與機器人本體接觸；④焊機故障。

2.3 焊絲接觸工件后繼續前行

焊絲接觸工件后繼續前行是因為檢測傳感回路中斷，造成此類問題的原因：①焊槍電纜在尋位檢測時傳感線斷開；②焊機保險被燒壞；③焊機底部線纜接觸不良；④焊槍電纜的接頭與送絲機附近的接頭接觸不良。

2.4 焊絲干伸長縮短造成導電嘴被燒壞

造成此類故障的原因：①送絲阻力過大（送絲簧被堵、送絲管被堵、送絲輪磨損、焊絲桶焊絲打結、焊絲質量有問題等）；②送絲機線纜接觸不良或送絲機出現故障；③焊機內部保險被燒。

2.5 起弧異常

起弧異常是弧焊機器人焊接過程中經常遇到的問題，造成起弧異常的原因：①導電嘴碳化；②送絲阻力過大；③工件引弧處導電不良（存在氧化皮、有油污）；④焊機故障。

3 預防措施

在弧焊機器人的使用過程中，為了實現高效、穩定、優質的焊接，可從弧焊機器人的編程及機器人焊接操作兩個方面入手，嚴格控制各個環節，最大限度的減少或避免各類焊接缺陷和設備故障的發生。

3.1 焊接機器人的編程技巧

（1）選擇合理的焊接順序，以減小焊接變形。

（2）采用合理的焊接姿態。要確保焊接過程中焊槍和工件的相對位置正確得當（焊槍相對接頭的位置、角度與焊絲伸出長度符合要求），同時通過調整變位機的姿態確保在焊接過程中焊縫與地面的相對位置符合焊接要求。

（3）優化焊接參數。為了得到較好的焊接質量，要制作工作試件進行焊接試驗和工藝評定，以獲得最佳的焊接參數。

（4）清槍程序等焊接輔助程序及命令的插入要恰當及時，以防止焊接飛濺堵塞焊接噴嘴和導電嘴，保證焊槍的清潔，提高噴嘴的壽命，確保可靠的引弧、減少焊接飛濺。但焊接清槍程序啟動過于頻繁反而會降低焊接效率，因此清搶也不宜過于頻繁。

（5）編制程序一般不能一步到位，要結合焊接質量不斷調整和完善焊接參數。

3.2 機器人焊接操作

（1）操作人員進入工作區域后，首先檢查設備，確認設備是否完好；其次查看電壓、氣壓是否正常；最后確保遮光擋風裝置完好到位。這樣可以有效避免因電源電壓不穩造成的飛濺嚴重，CO2氣壓過低及焊接環境氣流過快造成的焊接氣孔等缺陷。

（2）打開弧焊機器人總開關后，首先檢查機器人是否在原點位置，如果不在，采用手動跟蹤使機器人返到原點，然后進行TCP校正。這樣可以有效避免焊偏的問題。

（3）裝夾工件前，應檢查工件是否合格，并確認工件表面沒有水、油、銹、氧化皮等影響焊接質量的雜質。這一環節一定要嚴格控制，若控制不當將會導致焊接尺寸不符合要求（形狀缺陷）、焊偏、焊穿、氣孔、飛濺嚴重等缺陷的產生。

（4）機器人運行過程中，操作者應隨時觀察焊接情況，嚴禁操作者離開現場。如果焊接出現異常要及時處理。因故離開工作區域前應按下急停開關，并將示教器放置在安全位置。

4 結束語

在焊接生產領域采用焊接機器人不僅可以降低與日俱增的人力成本、提高焊接質量及效率，還可以改善焊接人員的工作條件、減輕勞動強度，保障焊接人員的安全。但焊接機器人在應用過程中會出現諸多問題，若問題解決及時得當，焊接機器人的優點就會充分體現，否則就會嚴重影響焊接效率及質量，甚至會產生焊接效果達不到人工焊接水平的情況。本研究對弧焊機器人焊接過程中常見的問題進行了分析，并給出了相應的解決措施，期望能對同行有一定的借鑒作用，進而促進我國企業焊接機器人的應用和普及。

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Analysis of Common Problems in the Application Process of Arc Welding Robot

HUO Houzhi1,HUANG Cheng2,ZHANG Hao1,ZHANG Yuan1,QI Junteng1
（1.Shandong Institute of Intelligent Robot&Applied Technology,Zoucheng 273500,Shandong,China;2.Shandong Wolin Heavy Machinery Co.,Ltd.,Jining 272000,Shandong,China）

TG409

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.010

2016-10-01

編輯：汪翰云

霍厚志（1986—），男，山東臨沂人，工程師，碩士，主要研究方向為機器人焊接，焊接過程數值模擬與仿真。