鍍鋅板機(jī)器人焊接缺陷控制方法研究

于 前，尚保玉，吳香清

鍍鋅板機(jī)器人焊接缺陷控制方法研究

于 前，尚保玉，吳香清

（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410013）

為了減少焊接缺陷以及不合格品返修的次數(shù)，從而降低生產(chǎn)成本，文章研究了薄板鍍鋅板焊接工藝的優(yōu)化方法，分析了鍍鋅板機(jī)器人焊接中焊縫燒穿、咬邊、氣孔、弧坑等變形缺陷產(chǎn)生原因，提出了優(yōu)化焊接程序、零件組合間隙、熔滴過渡方式、焊接姿態(tài)、船型位置焊接、焊接速度及選用后傾焊接方法、反變形等預(yù)防措施，結(jié)果顯示焊接缺陷得到有效控制，焊縫一次合格率達(dá)到95%以上，大幅降低了返修成本，具有重大意義。

機(jī)器人焊接；焊接缺陷；鍍鋅板

前言

隨著21世紀(jì)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，能源日益匱乏，輕量化以減少汽車油耗成為趨勢(shì)。薄板在汽車零部件上應(yīng)用得越來越多，而普通薄板抗腐蝕性差，增加了汽車養(yǎng)護(hù)成本，還縮短了汽車使用壽命。鍍鋅鋼板以其良好的經(jīng)濟(jì)性和耐腐蝕性被普及推廣到汽車結(jié)構(gòu)件應(yīng)用中，尤其是須防腐的零件[1]，例如在汽車前橋、后橋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車輪罩、門板件、頂蓋、側(cè)圍等零部件中應(yīng)用越來越廣，鍍鋅板在整車金屬件中占比已達(dá)到70%以上。由于材料自身板薄及其鍍鋅的特性，生產(chǎn)中容易產(chǎn)生焊縫熔深不達(dá)標(biāo)（燒穿或熔深淺）、咬邊、氣孔、弧坑、變形等焊接缺陷，造成批量生產(chǎn)過程中大量的返修或報(bào)廢浪費(fèi)。而產(chǎn)線也需要經(jīng)常調(diào)試機(jī)器人焊接程序預(yù)防缺陷產(chǎn)生，工件焊縫燒穿至與工裝夾具連接時(shí)也將耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行工裝修復(fù)，導(dǎo)致停線，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，因此結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，研究鍍鋅板機(jī)器人焊接缺陷控制的方法，減少焊接缺陷產(chǎn)生，具有重大意義。

本文主要以0.5 mm～4 mm板厚的鍍鋅板為研究對(duì)象，研究汽車零部件中常用的角接和搭接形式焊接接頭（如圖1所示）的焊接缺陷產(chǎn)生原因及預(yù)防辦法。

圖１ 常見接頭形式

1 鍍鋅板機(jī)器人焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理

在薄板鍍鋅板自動(dòng)焊接過程中，常見焊接缺陷有熔深不達(dá)標(biāo)（燒穿或熔深淺）、咬邊、氣孔、弧坑、變形等。燒穿是指焊縫成型過程中未熔化的金屬，未能抵抗住所受到的熔池焊液重力、電弧吹力及液體表面張力的綜合應(yīng)力作用，熔化金屬從焊接背面流出，形成穿孔的缺陷。熔深淺是指實(shí)際熔深沒有達(dá)到公稱熔深（設(shè)計(jì)要求熔深）的現(xiàn)象。沿焊趾或焊根產(chǎn)生溝槽，凹陷深度超過0.5 mm的稱為焊接咬邊。熔池凝固時(shí)氣體來不及逸出，殘留在焊縫中形成氣孔。弧坑是指弧焊時(shí)，由于斷弧或收弧不當(dāng)，在焊道末端形成的低洼部分。

2 鍍鋅板機(jī)器人焊接質(zhì)量缺陷產(chǎn)生原因分析

2.1 燒穿或熔深過淺產(chǎn)生原因

焊接熔池成型受力較為復(fù)雜，主要受重力，電弧壓力和液體表面張力的綜合影響，每種力相對(duì)不同的焊接接頭結(jié)構(gòu)，所起作用不同。搭接接頭結(jié)構(gòu)，電弧作用力和熔池金屬重力是促使焊縫往下板熔透的力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致下板燒穿，而表面張力是阻止熔池下塌或燒穿的力，見圖2(a)所示。下板未熔化金屬承載焊液下榻的重力及焊接電弧壓力，因此下板金屬越薄，抵抗能力越弱，越容易產(chǎn)生燒穿。電弧作用力并非垂直于下板，平行穿透下板方向分力越大，越容易產(chǎn)生燒穿。重力垂直于下板，重力越大越容易造成燒穿。

搭接接頭結(jié)構(gòu)，立板和下板因燒穿方向不同，各種外力對(duì)燒穿所起作用有所不同。對(duì)于立板方向燒穿，電弧作用力（垂直于立板的分力）是導(dǎo)致熔池?zé)┑牧?，表面張力是阻止熔池?zé)┑牧?，重力?duì)立板燒穿無影響，見圖2(b)所示。對(duì)于下板方向燒穿，電弧作用力（垂直向下的分力）和熔池金屬重力是導(dǎo)致熔池?zé)┑牧Γ砻鎻埩κ亲柚谷鄢叵滤驘┑牧Α?/p>

焊接接頭需熔透方向所承受的焊接綜合應(yīng)力過小，造成了熔池在未熔化金屬的熔合深度過小，無法滿足設(shè)計(jì)要求，因此各種外力對(duì)熔深過淺所起的作用與燒穿相反。

圖２ 各接頭形式熔池受力狀態(tài)

2.2 咬邊產(chǎn)生原因

薄板焊接咬邊主要出現(xiàn)在平角焊縫中，汽車零件焊縫具有焊縫尺寸小、長度短、數(shù)量多等特點(diǎn)，為不降低生產(chǎn)效率，平角焊縫常采用平焊位置焊接角焊縫，這樣焊縫由于焊液自身重力作用，上端焊趾位置由于焊液填充不夠或不及時(shí)，容易產(chǎn)生溝槽，形成咬邊。搭接接頭及角接接頭，在焊接電流、焊接速度、電壓匹配不當(dāng)以及焊接角度、運(yùn)條不當(dāng)、電弧過長的情況下，焊接咬邊產(chǎn)生可能性增大。

2.3 氣孔產(chǎn)生原因

未及時(shí)清理噴嘴及導(dǎo)電嘴座，造成堵塞，導(dǎo)致保護(hù)氣體流量降低，保護(hù)效果不好，常容易產(chǎn)生氣孔。導(dǎo)電嘴座出氣孔分布不均勻或保護(hù)氣流向紊亂也會(huì)產(chǎn)生氣孔。焊接母材及焊材潮濕，空氣濕度大，焊前未烘干處理容易產(chǎn)生氣孔。由于鋅的沸點(diǎn)（906 ℃）遠(yuǎn)低于鋼的熔點(diǎn)（約1 500 ℃），而通常電弧溫度遠(yuǎn)高于鋅的沸點(diǎn)[2]，因此鍍鋅板在焊接過程中，鋅粉蒸發(fā)而未及時(shí)排出是產(chǎn)生氣孔的重要原因。

2.4 弧坑產(chǎn)生原因

薄板焊接時(shí)速度快，在收弧位置停留時(shí)間短，熔化的焊道位置未填充滿，焊槍便停止送絲，導(dǎo)致焊道末端焊液冷卻收縮后，形成凹坑。

2.5 變形產(chǎn)生原因

在焊接過程中，焊接熱輸入造成工件不均勻、不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，同時(shí)由于板材受到夾具的約束作用，近焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。當(dāng)焊縫的縱向收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)到臨界失穩(wěn)應(yīng)力時(shí)，將發(fā)生失穩(wěn)變形[3-4]。閆俊霞等人[5]結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)對(duì)薄板焊接失穩(wěn)變形的原因進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，研究表明薄板焊接變形的主要影響因素有：焊接構(gòu)件的尺寸、熱輸入和夾具的約束等。

3 薄板鍍鋅板機(jī)器人焊接質(zhì)量缺陷控制措施

3.1 燒穿及熔深淺預(yù)防控制方法

3.1.1 優(yōu)化機(jī)器人焊接程序

在機(jī)器人軌跡調(diào)試時(shí)將焊絲指向略偏上板0.5 mm～1 mm（搭接接頭，如圖3所示）或?qū)⒑附z指向偏離立板0.5 mm～1 mm（T型角接接頭，如圖4所示），相當(dāng)于增厚未融合金屬板厚，增強(qiáng)焊道抵抗力，可減少燒穿。將焊槍與水平方向夾角A調(diào)整至35°～40°（如圖3所示），可減小電弧穿透方向的分力，從而減少燒穿。

圖3 搭接接頭

圖4 角接接頭

3.1.2 優(yōu)化零件組合間隙

由企業(yè)所做出來的造價(jià)調(diào)控，只有在經(jīng)過了高層管理人員的仔細(xì)檢查之后才能進(jìn)行執(zhí)行。在一開始的決定的過程中，就應(yīng)該強(qiáng)調(diào)調(diào)控和日常的管理，在選定決策時(shí)，企業(yè)應(yīng)該對(duì)該工程有一個(gè)非常全面的認(rèn)識(shí)，讓所選擇出來的決策與項(xiàng)目相適合，因?yàn)檫@樣才可以確保決策能夠得以落實(shí)。當(dāng)決策選擇出來后，應(yīng)該保證這個(gè)決策是非常準(zhǔn)確的，要反復(fù)的去審查估算結(jié)果，并且檢查和驗(yàn)證估算，要確保所設(shè)定出來的預(yù)算是有效的，這樣才能選出最佳的方案來進(jìn)行后期的投資。不管是在設(shè)計(jì)還是在施工的過程中，工程造價(jià)管理都應(yīng)該有一個(gè)非?？煽康囊罁?jù)，只有這樣才能協(xié)助施工的企業(yè)，讓施工可以順利的進(jìn)行下去。

控制零件精度和裝夾后零件間隙＜1 mm，預(yù)防焊接過程中熱收縮引起橫向位移而引起的熔池前方接縫間隙過大，可減少焊接燒穿。

3.1.3 預(yù)處理

生產(chǎn)中由于各種原因，零件組對(duì)間隙無法消除，存在1 mm～3 mm的大間隙，這類角焊縫可在焊接整條焊縫之前用小參數(shù)焊接一段短的焊縫。預(yù)先連接兩個(gè)零件以及填充一部分間隙，避免在正式焊接時(shí)直接熔穿間隙，減少燒穿可能性。若間隙在焊縫起始位置且間隙長度＜30 mm，也可采用小參數(shù)在間隙前方30 mm處起弧，回拉至焊縫起始位置，再持續(xù)往焊縫尾部焊接，實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接，減少燒穿。

3.1.4 選用合適的熔滴過渡方式

優(yōu)化熔滴過渡方式，減少焊穿。以短路過渡為熔滴過渡方式的CO2焊，F(xiàn)ronius 公司在推拉送絲焊接技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)的Cold metal transfer（冷金屬過渡）技術(shù)和林肯公司的Surface tension transfer（表面張力過渡）技術(shù)[6]具有低熱輸入、低熔深和高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因此針對(duì)容易燒穿的焊縫結(jié)構(gòu)，可選用上述熔滴過渡方式焊接，具有良好的焊接效果。

3.1.5 熔深保證方法

3.2 咬邊預(yù)防控制方法

盡可能利用變位機(jī)確保焊縫在船型位置焊接。若不能在船型位置焊接，則機(jī)器人調(diào)試時(shí)焊絲指向可偏向易咬邊方向0.5 mm～1 mm，將焊槍與水平方向夾角A調(diào)至25°～40°。

3.3 氣孔預(yù)防控制方法

3.3.1 焊槍清理

焊前確保保護(hù)氣流量，焊槍噴嘴，導(dǎo)電嘴座導(dǎo)氣孔狀態(tài)正常，焊接程序中設(shè)置定期清槍程序。

3.3.2 穩(wěn)定焊接姿態(tài)

調(diào)試時(shí)選擇合適的干伸長（15 mm～20 mm），確定起弧焊絲干伸長度后，確保整條焊縫焊接過程中干伸長變化量＜1 mm。同樣確定合適的焊接角度后，焊接過程中保持焊接角度不變。

3.3.3 選用后傾焊接方法

另外，采用后傾（5°～10°）焊接，利用電弧指向熔池前方預(yù)熱鍍鋅層，有利于鋅粉的揮發(fā)，可有效減少鋅蒸氣進(jìn)入熔池。

3.3.4 提高CO2含量

適當(dāng)提升20%CO2+ 80%Ar保護(hù)氣中CO2的比例，提高電弧穩(wěn)定性[7]，增強(qiáng)保護(hù)效果，穩(wěn)定焊縫熔池；利用CO2在電弧的高溫作用下分解反應(yīng)生成的氧化性氣體將鋅蒸氣氧化，形成浮渣，減少鋅氣孔來源，對(duì)氣孔有抑制作用。

3.3.5 優(yōu)化焊接速度

選用合適的焊接速度，既能保證熔池凝固時(shí)氣泡能充分上浮排出，又能預(yù)防熔池凝固時(shí)間過長導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生。

3.4 弧坑預(yù)防控制方法

薄板弧坑缺陷對(duì)焊接參數(shù)非常敏感，必須嚴(yán)格控制。焊接程序調(diào)試時(shí)，可將焊接軌跡距離在收弧點(diǎn)（3）前50 mm和20 mm的位置各插入一個(gè)軌跡點(diǎn)1和2（如圖5所示），將1到2軌跡速度調(diào)整為正常焊接軌跡速度的70%，再將2到3的速度調(diào)整為正常焊接軌跡速度的50%，同時(shí)將收弧電流降至焊接電流的60%，收弧停留時(shí)間設(shè)置為0.3 s～0.5 s，這樣既可避免燒穿，又可將弧坑凹陷深度降至最小。

圖５ 各接頭形式熔池受力狀態(tài)

3.5 變形預(yù)防控制方法

對(duì)零件來料進(jìn)行控制，禁止變形＞1 mm零件流入焊接崗位。焊前將工裝調(diào)整到位，不宜過緊，也不宜過松，應(yīng)確保工件放入焊接工裝后在未壓緊狀態(tài)下，零件與工裝定位銷，定位塊，壓緊塊之間的間隙＜0.5 mm，避免工裝自身與零件過定位的擠壓變形。選用合適的氣缸等壓緊裝置，并在焊接前確認(rèn)工裝壓緊效果良好，確保焊接過程中變形得到有效約束。選用合理的焊接順序，先焊工件短焊縫，再焊接長焊縫，并且由工件中間向工件兩側(cè)焊接，減少焊接變形。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇焊接熱輸入較低的參數(shù)控制焊縫尺寸有利于減少焊接變形。

4 結(jié)論

采用預(yù)防措施后，通過弧焊生產(chǎn)線驗(yàn)證結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）鍍鋅薄板機(jī)器焊接過程中，焊接缺陷不可避免，通過一系列優(yōu)化后可將弧焊產(chǎn)線焊縫一次合格率提升到95%以上；

（2）通過調(diào)整焊接程序中焊絲指向位置、焊槍角度、回拉法、優(yōu)化熔滴過渡方式、確保工件裝夾重復(fù)精度和控制零件裝配間隙可減少燒穿、咬邊發(fā)生和控制熔深；

（3）通過提前檢查焊接設(shè)備狀況、選用合適的干伸長度、設(shè)置合理的清槍程序及采用后傾焊接方法可減少氣孔產(chǎn)生；

（4）通過優(yōu)化收弧軌跡速度及收弧參數(shù)，可預(yù)防弧坑缺陷；

（5）控制來料精度、調(diào)整工裝夾具至合理狀態(tài)、選用合理的焊接順序以及控制熱輸入有利于減少焊接變形。

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Research on Control Method of Welding Defects of Galvanized Sheet Robot

YU Qian, SHANG Baoyu, WU Xiangqing

( Zillion Heavy Industry Co., Ltd., Hunan Changsha 410013 )

In order to reduce the number of welding defects and repair of unqualified products and reduce the production cost, this paper studies the optimization method of welding process of thin galvanized sheet, and analyzes the causes of welding seam burn through, edge bite, porosity, arc pit and other deformation defects in robot welding of galvanized sheet. Puts forward the optimized welding procedure, parts assembled clearance, drop transfer mode, position welding, welding speed and welding posture, ship type choose backward of welding methods, prevention measures, such as reverse deformation effectively control results show that the welding defects, weld a qualified rate of 95% or more, greatly reduces the cost of repair, is of great significance.

Robot welding;Welding defects;Galvanized sheet

U466

A

1671-7988(2022)02-128-04

U466

A

1671-7988(2022)02-128-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.029

于前（1984—），男，工程師，現(xiàn)就職于中聯(lián)重科股份有限公司，研究方向?yàn)楹癜甯邚?qiáng)鋼焊接工藝、機(jī)器人自動(dòng)化焊接工藝、薄板焊接工藝研究。