弧焊機(jī)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(jī)器人應(yīng)用技術(shù)研究院，山東 鄒城273500；2.山東沃林重工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)寧272000）

弧焊機(jī)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(jī)器人應(yīng)用技術(shù)研究院，山東 鄒城273500；2.山東沃林重工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)寧272000）

為了使弧焊機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)的焊接，從焊接工藝和焊接設(shè)備兩個方面對機(jī)器人使用過程中常見的問題進(jìn)行了分析。分析認(rèn)為，人為、設(shè)備、物料、方法以及環(huán)境等因素均對焊接質(zhì)量有一定的影響。在使用弧焊機(jī)器人焊接時，做好各工序環(huán)節(jié)的控制，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝參數(shù)，保持焊接設(shè)備運(yùn)行正常，可以有效預(yù)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(yán)重等焊接缺陷的產(chǎn)生。

焊接；弧焊機(jī)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(jī)器人保有量83 081臺，其中弧焊機(jī)器人占80%以上。預(yù)計(jì)未來十年，我國焊接機(jī)器人的裝機(jī)量將保持兩位數(shù)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(jī)器人取代。焊接機(jī)器人的大量應(yīng)用不僅將焊接工人從勞動強(qiáng)度大、作業(yè)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(zhì)量。但是焊接機(jī)器人在使用過程中一旦出現(xiàn)問題，若不能及時正確地解決，其焊接效率和焊接質(zhì)量就得不到保障。所以，要想使焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)的焊接就必須及時正確地處理焊接機(jī)器人使用過程中出現(xiàn)的任何問題。本研究就弧焊機(jī)器人焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一些問題，進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的解決方法。

1 焊接缺陷及其原因分析

弧焊機(jī)器人使用過程中，由于人為、設(shè)備、物料、方法以及環(huán)境等因素的控制不當(dāng)會出現(xiàn)所焊焊縫金屬不連續(xù)、不致密或連接不良等現(xiàn)象，即產(chǎn)生焊接缺陷[4]。弧焊機(jī)器人焊接過程及所焊焊縫中經(jīng)常出現(xiàn)焊接尺寸不符合要求（形狀缺陷）、焊偏、焊穿、氣孔、咬邊、飛濺嚴(yán)重等缺陷。

1.1 焊縫尺寸不符合要求

弧焊機(jī)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(xiàn)此類問題一般是由于物料不符合要求或設(shè)備故障而造成。對于同樣結(jié)構(gòu)形式、恒定尺寸的焊縫，弧焊機(jī)器人正常焊接過程中程序設(shè)定的焊接速度（機(jī)器手末端的運(yùn)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(zhì)量、坡口角度及組對間隙均符合設(shè)計(jì)要求，且焊接設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)正常，弧焊機(jī)器人所焊焊縫的尺寸一般均會合格。但焊接過程中，待焊產(chǎn)品要經(jīng)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(huán)節(jié)控制不當(dāng)都會影響焊接接頭的尺寸。送絲速度不穩(wěn)定是導(dǎo)致弧焊機(jī)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(jī)損壞、送絲輪磨損等均可能導(dǎo)致送絲速度的不穩(wěn)定。

1.2 焊偏

焊偏是指機(jī)器人執(zhí)行焊接工作時，實(shí)際焊接軌跡脫離待焊區(qū)中心位置，焊偏照片如圖1所示。機(jī)器人焊接過程中一旦出現(xiàn)焊偏，所焊焊縫必須全部打磨掉。打磨工作效率低、勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響了弧焊機(jī)器人的焊接效率。所以想要高效、優(yōu)質(zhì)地使用弧焊機(jī)器人，就必須盡量避免焊偏。

圖1 焊偏照片

導(dǎo)致弧焊機(jī)器人焊偏的原因有以下幾個方面：

（1）弧焊機(jī)器人焊槍TCP沒有校準(zhǔn)。

（2）工件或工裝基準(zhǔn)偏差過大。

（3）焊接尋位檢測出現(xiàn)問題。目前弧焊機(jī)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、成本低廉，是弧焊機(jī)器人系統(tǒng)中采用最多的一種尋位系統(tǒng)[6]。焊絲接觸傳感尋位系統(tǒng)的工作原理是焊絲碰到工件時，系統(tǒng)內(nèi)部繼電器線圈通電，該線圈對應(yīng)的常開閉合，快速檢測通道導(dǎo)通并記錄機(jī)器人當(dāng)時的空間坐標(biāo)，通過多個點(diǎn)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(xiàn)異常的原因：①焊絲未清剪，在尋位檢測前應(yīng)運(yùn)行一次清槍程序，否則會出現(xiàn)焊絲長度不標(biāo)準(zhǔn)或焊絲末端導(dǎo)電不良最終導(dǎo)致尋位檢測出現(xiàn)問題；②焊接工件上的尋位檢測點(diǎn)導(dǎo)電不良，焊接工件上尋位檢測點(diǎn)處存在氧化皮、油污、防飛濺液等異物都可能導(dǎo)致尋位檢測出現(xiàn)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(xiàn)斷電重啟狀況，焊接實(shí)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(xiàn)焊偏，但蓋面焊接時設(shè)備斷電重啟，進(jìn)而出現(xiàn)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(yuǎn)大于坡口的實(shí)際寬度l，會導(dǎo)致坡口兩側(cè)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(jī)器人焊接編程時焊接姿態(tài)中存在奇異點(diǎn)（死點(diǎn)）。

（10）焊槍角度設(shè)置不當(dāng)。

1.3 焊穿

弧焊機(jī)器人焊接過程中，若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或被焊工件不符合焊接要求，就會出現(xiàn)部分熔化金屬從焊縫背面漏出，甚至將焊件熔穿成洞的現(xiàn)象，這種現(xiàn)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(shè)置焊接擺動停留；⑤機(jī)器人或焊槍姿態(tài)設(shè)置不當(dāng)。

1.4 氣孔

弧焊機(jī)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(chǎn)生表面氣孔的原因：①保護(hù)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(jī)異物；③焊接環(huán)境過于潮濕或周圍風(fēng)速過大；④機(jī)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(hù)氣體保護(hù)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(hù)氣體對熔池的保護(hù)不良；⑧焊接母材中C、Si、Mn、Cu、Ni含量超標(biāo)[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(qū)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(guān)。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(dāng)；④保護(hù)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(yán)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(xiàn)象[8]，弧焊機(jī)器人采用CO2氣體保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接時伴有少量飛濺是正常現(xiàn)象。但飛濺嚴(yán)重時不僅浪費(fèi)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(fèi)大量人力。飛濺嚴(yán)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(dāng)；④焊槍傾斜角度過大；⑤焊絲干伸長過長；⑥保護(hù)氣體不符合要求；⑦母材不符合要求；⑧導(dǎo)電嘴導(dǎo)線導(dǎo)電效果不佳；⑨地線接觸不好；⑩磁偏吹。

2 設(shè)備故障及原因分析

2.1 噴嘴接觸工件

正常狀態(tài)下，弧焊機(jī)器人使用過程中焊槍噴嘴與電極（導(dǎo)電嘴）是絕緣的，但有時會出現(xiàn)噴嘴接觸工件而報警的情況。造成報警的原因：①導(dǎo)電嘴底座上焊渣堆積過多使導(dǎo)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(fā)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(jīng)形成閉合回路，導(dǎo)致后續(xù)檢測無法進(jìn)行。造成此類故障的原因：①噴嘴接觸工件；②送絲機(jī)與機(jī)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(jī)器人本體接觸；④焊機(jī)故障。

2.3 焊絲接觸工件后繼續(xù)前行

焊絲接觸工件后繼續(xù)前行是因?yàn)闄z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(jī)保險被燒壞；③焊機(jī)底部線纜接觸不良；④焊槍電纜的接頭與送絲機(jī)附近的接頭接觸不良。

2.4 焊絲干伸長縮短造成導(dǎo)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(jié)、焊絲質(zhì)量有問題等）；②送絲機(jī)線纜接觸不良或送絲機(jī)出現(xiàn)故障；③焊機(jī)內(nèi)部保險被燒。

2.5 起弧異常

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

3 預(yù)防措施

在弧焊機(jī)器人的使用過程中，為了實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的焊接，可從弧焊機(jī)器人的編程及機(jī)器人焊接操作兩個方面入手，嚴(yán)格控制各個環(huán)節(jié)，最大限度的減少或避免各類焊接缺陷和設(shè)備故障的發(fā)生。

3.1 焊接機(jī)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(tài)。要確保焊接過程中焊槍和工件的相對位置正確得當(dāng)（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(diào)整變位機(jī)的姿態(tài)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(yōu)化焊接參數(shù)。為了得到較好的焊接質(zhì)量，要制作工作試件進(jìn)行焊接試驗(yàn)和工藝評定，以獲得最佳的焊接參數(shù)。

（4）清槍程序等焊接輔助程序及命令的插入要恰當(dāng)及時，以防止焊接飛濺堵塞焊接噴嘴和導(dǎo)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(jié)合焊接質(zhì)量不斷調(diào)整和完善焊接參數(shù)。

3.2 機(jī)器人焊接操作

（1）操作人員進(jìn)入工作區(qū)域后，首先檢查設(shè)備，確認(rèn)設(shè)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(fēng)裝置完好到位。這樣可以有效避免因電源電壓不穩(wěn)造成的飛濺嚴(yán)重，CO2氣壓過低及焊接環(huán)境氣流過快造成的焊接氣孔等缺陷。

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

（3）裝夾工件前，應(yīng)檢查工件是否合格，并確認(rèn)工件表面沒有水、油、銹、氧化皮等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。這一環(huán)節(jié)一定要嚴(yán)格控制，若控制不當(dāng)將會導(dǎo)致焊接尺寸不符合要求（形狀缺陷）、焊偏、焊穿、氣孔、飛濺嚴(yán)重等缺陷的產(chǎn)生。

（4）機(jī)器人運(yùn)行過程中，操作者應(yīng)隨時觀察焊接情況，嚴(yán)禁操作者離開現(xiàn)場。如果焊接出現(xiàn)異常要及時處理。因故離開工作區(qū)域前應(yīng)按下急停開關(guān)，并將示教器放置在安全位置。

4 結(jié)束語

在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域采用焊接機(jī)器人不僅可以降低與日俱增的人力成本、提高焊接質(zhì)量及效率，還可以改善焊接人員的工作條件、減輕勞動強(qiáng)度，保障焊接人員的安全。但焊接機(jī)器人在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)諸多問題，若問題解決及時得當(dāng)，焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)就會充分體現(xiàn)，否則就會嚴(yán)重影響焊接效率及質(zhì)量，甚至?xí)a(chǎn)生焊接效果達(dá)不到人工焊接水平的情況。本研究對弧焊機(jī)器人焊接過程中常見的問題進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的解決措施，期望能對同行有一定的借鑒作用，進(jìn)而促進(jìn)我國企業(yè)焊接機(jī)器人的應(yīng)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?yàn)闄C(jī)器人焊接，焊接過程數(shù)值模擬與仿真。