弧焊机器人焊接过程中常见问题分析

霍厚志，黄 程，张 号，张 元，齐俊滕

（1.山东省智能机器人应用技术研究院，山东 邹城273500；2.山东沃林重工机械有限公司，山东 济宁272000）

弧焊机器人焊接过程中常见问题分析

霍厚志1，黄 程2，张 号1，张 元1，齐俊滕1

（1.山东省智能机器人应用技术研究院，山东 邹城273500；2.山东沃林重工机械有限公司，山东 济宁272000）

为了使弧焊机器人能实现稳定、高效、优质的焊接，从焊接工艺和焊接设备两个方面对机器人使用过程中常见的问题进行了分析。分析认为，人为、设备、物料、方法以及环境等因素均对焊接质量有一定的影响。在使用弧焊机器人焊接时，做好各工序环节的控制，严格执行焊接工艺参数，保持焊接设备运行正常，可以有效预防焊接尺寸不符合要求（形状缺陷）、焊偏、焊穿、气孔、咬边、飞溅严重等焊接缺陷的产生。

焊接；弧焊机器人；焊接缺陷；焊接工艺

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，我国焊接机器人保有量83 081台，其中弧焊机器人占80%以上。预计未来十年，我国焊接机器人的装机量将保持两位数以上的增长[1-3]，这就意味着将来会有越来越多的焊接工人被焊接机器人取代。焊接机器人的大量应用不仅将焊接工人从劳动强度大、作业条件恶劣的工作中解脱出来，而且可以大大提高焊接效率，保证焊接质量。但是焊接机器人在使用过程中一旦出现问题，若不能及时正确地解决，其焊接效率和焊接质量就得不到保障。所以，要想使焊接机器人实现稳定、高效、优质的焊接就必须及时正确地处理焊接机器人使用过程中出现的任何问题。本研究就弧焊机器人焊接过程中经常出现的一些问题，进行了分析，并给出了相应的解决方法。

1 焊接缺陷及其原因分析

弧焊机器人使用过程中，由于人为、设备、物料、方法以及环境等因素的控制不当会出现所焊焊缝金属不连续、不致密或连接不良等现象，即产生焊接缺陷[4]。弧焊机器人焊接过程及所焊焊缝中经常出现焊接尺寸不符合要求（形状缺陷）、焊偏、焊穿、气孔、咬边、飞溅严重等缺陷。

1.1 焊缝尺寸不符合要求

弧焊机器人所焊焊缝尺寸不符合要求是指焊缝宽度和焊缝余高不符合要求，出现此类问题一般是由于物料不符合要求或设备故障而造成。对于同样结构形式、恒定尺寸的焊缝，弧焊机器人正常焊接过程中程序设定的焊接速度（机器手末端的运行速度）、送丝速度、焊接电流、焊接电压、干伸长、焊接摆幅及摆动频率均为恒定值。若焊接接头的表面质量、坡口角度及组对间隙均符合设计要求，且焊接设备的运行参数正常，弧焊机器人所焊焊缝的尺寸一般均会合格。但焊接过程中，待焊产品要经过下料、坡口加工（此工序仅在厚板焊接中有）、折弯、组对等工序，其中任何一个环节控制不当都会影响焊接接头的尺寸。送丝速度不稳定是导致弧焊机器人所焊焊缝不符合要求的主要原因，送丝管送丝簧堵塞、送丝机损坏、送丝轮磨损等均可能导致送丝速度的不稳定。

1.2 焊偏

焊偏是指机器人执行焊接工作时，实际焊接轨迹脱离待焊区中心位置，焊偏照片如图1所示。机器人焊接过程中一旦出现焊偏，所焊焊缝必须全部打磨掉。打磨工作效率低、劳动强度大、工作环境恶劣，严重影响了弧焊机器人的焊接效率。所以想要高效、优质地使用弧焊机器人，就必须尽量避免焊偏。

图1 焊偏照片

导致弧焊机器人焊偏的原因有以下几个方面：

（1）弧焊机器人焊枪TCP没有校准。

（2）工件或工装基准偏差过大。

（3）焊接寻位检测出现问题。目前弧焊机器人可用的寻位检测方式有焊丝接触传感寻位、激光寻位、视觉寻位[5]。焊丝接触传感寻位系统结构简单、工作稳定、成本低廉，是弧焊机器人系统中采用最多的一种寻位系统[6]。焊丝接触传感寻位系统的工作原理是焊丝碰到工件时，系统内部继电器线圈通电，该线圈对应的常开闭合，快速检测通道导通并记录机器人当时的空间坐标，通过多个点的组合最终确定焊缝位置。本研究中使用的焊丝接触传感寻位出现异常的原因：①焊丝未清剪，在寻位检测前应运行一次清枪程序，否则会出现焊丝长度不标准或焊丝末端导电不良最终导致寻位检测出现问题；②焊接工件上的寻位检测点导电不良，焊接工件上寻位检测点处存在氧化皮、油污、防飞溅液等异物都可能导致寻位检测出现问题；③焊接寻位检测回路接触不良或短路。

（4）角焊、船位焊或带坡口的对接焊中没有打开电弧跟踪功能。

（5）不带坡口的对接焊中打开电弧跟踪功能。

（6）使用基于摆动扫描电弧传感器的焊缝跟踪功能时没有使用焊接摆动功能。

（7）基于打底焊电弧跟踪的多层多道焊接中，填充或盖面焊过程中出现断电重启状况，焊接实物照片如图2所示。本研究中，在多重多道焊接中的打底及填充焊过程中均没有出现焊偏，但盖面焊接时设备断电重启，进而出现了焊偏。

图2 因断电重启而造成的焊偏照片

（8）焊接坡口形状及尺寸如图3所示。焊接带坡口的焊缝使用电弧跟踪时，若坡口角度α和根部间隙b过小，而焊枪摆幅d远大于坡口的实际宽度l，会导致坡口两侧母材的过量熔化，造成焊偏。

图3 焊接坡口形状及尺寸示意图

（9）弧焊机器人焊接编程时焊接姿态中存在奇异点（死点）。

（10）焊枪角度设置不当。

1.3 焊穿

弧焊机器人焊接过程中，若参数设置不当或被焊工件不符合焊接要求，就会出现部分熔化金属从焊缝背面漏出，甚至将焊件熔穿成洞的现象，这种现象称焊穿或烧穿。造成焊穿或烧穿的原因：①组对时接头根部间隙过大；②坡口角度过大或钝边尺寸过小；③焊接线能量过大，如焊接速度过慢或焊接电流过大；④在母材薄弱部位设置焊接摆动停留；⑤机器人或焊枪姿态设置不当。

1.4 气孔

弧焊机器人焊接过程中，在熔池凝固之前熔池中的气体未完全溢出，便会在焊缝表面形成孔洞，焊接气孔照片如图4所示。产生表面气孔的原因：①保护气体不纯或气流量过低；②焊件或焊材上有油、水、锈或其他有机异物；③焊接环境过于潮湿或周围风速过大；④机器人焊枪漏水；⑤焊枪清理不及时，喷嘴被焊渣堵塞；⑥电弧过长或熔池过大造成保护气体保护不良；⑦焊接速度过快或焊接摆动幅度过大，同时摆动频率过高等因焊枪末端快速移动造成的保护气体对熔池的保护不良；⑧焊接母材中C、Si、Mn、Cu、Ni含量超标[7]。

图4 焊接气孔照片

1.5 咬边

咬边是电弧冲刷熔化焊缝区基本金属后未能填充在沿焊趾的母材部分形成的沟槽[10]。咬边的形成与熔池的扰动、熔融金属形成紊流及被电弧冲刷掉的母材部分在焊缝金属凝固前没有被及时填充等有关。造成咬边的原因：①焊接线能量过大，焊丝填充速度过低；②电弧过长；③焊枪角度不当；④保护气体因素；⑤焊接速度过快；⑥焊接摆幅过大，摆动左右停留时间过短。

1.6 飞溅严重

焊接飞溅是焊接过程中由熔池喷射出的金属颗粒粘附在母材或焊缝上的一种现象[8]，弧焊机器人采用CO2气体保护焊方法进行焊接时伴有少量飞溅是正常现象。但飞溅严重时不仅浪费焊材，影响焊缝美观，还会引起气孔和夹渣等缺陷，另外清理飞溅还会浪费大量人力。飞溅严重的原因：①焊材中C、Mn、Si、S、P等成分含量偏高[9]，或焊材表面不洁净；②焊接电流电压不匹配；③电源极性选择不当；④焊枪倾斜角度过大；⑤焊丝干伸长过长；⑥保护气体不符合要求；⑦母材不符合要求；⑧导电嘴导线导电效果不佳；⑨地线接触不好；⑩磁偏吹。

2 设备故障及原因分析

2.1 喷嘴接触工件

正常状态下，弧焊机器人使用过程中焊枪喷嘴与电极（导电嘴）是绝缘的，但有时会出现喷嘴接触工件而报警的情况。造成报警的原因：①导电嘴底座上焊渣堆积过多使导电嘴底座与固定喷嘴的焊枪铜套连接；②焊枪电缆与焊枪连接处连接喷嘴的铜线裸露，接触到铜制螺母；③焊枪漏水。

2.2 寻位检测前焊丝接触工件

此类故障一般发生在焊接寻位过程中，造成此故障的原因是寻位检测前焊丝与工件已经形成闭合回路，导致后续检测无法进行。造成此类故障的原因：①喷嘴接触工件；②送丝机与机器人本体绝缘不好；③焊丝桶或焊丝盘中与焊丝接触的金属材料与机器人本体接触；④焊机故障。

2.3 焊丝接触工件后继续前行

焊丝接触工件后继续前行是因为检测传感回路中断，造成此类问题的原因：①焊枪电缆在寻位检测时传感线断开；②焊机保险被烧坏；③焊机底部线缆接触不良；④焊枪电缆的接头与送丝机附近的接头接触不良。

2.4 焊丝干伸长缩短造成导电嘴被烧坏

造成此类故障的原因：①送丝阻力过大（送丝簧被堵、送丝管被堵、送丝轮磨损、焊丝桶焊丝打结、焊丝质量有问题等）；②送丝机线缆接触不良或送丝机出现故障；③焊机内部保险被烧。

2.5 起弧异常

起弧异常是弧焊机器人焊接过程中经常遇到的问题，造成起弧异常的原因：①导电嘴碳化；②送丝阻力过大；③工件引弧处导电不良（存在氧化皮、有油污）；④焊机故障。

3 预防措施

在弧焊机器人的使用过程中，为了实现高效、稳定、优质的焊接，可从弧焊机器人的编程及机器人焊接操作两个方面入手，严格控制各个环节，最大限度的减少或避免各类焊接缺陷和设备故障的发生。

3.1 焊接机器人的编程技巧

（1）选择合理的焊接顺序，以减小焊接变形。

（2）采用合理的焊接姿态。要确保焊接过程中焊枪和工件的相对位置正确得当（焊枪相对接头的位置、角度与焊丝伸出长度符合要求），同时通过调整变位机的姿态确保在焊接过程中焊缝与地面的相对位置符合焊接要求。

（3）优化焊接参数。为了得到较好的焊接质量，要制作工作试件进行焊接试验和工艺评定，以获得最佳的焊接参数。

（4）清枪程序等焊接辅助程序及命令的插入要恰当及时，以防止焊接飞溅堵塞焊接喷嘴和导电嘴，保证焊枪的清洁，提高喷嘴的寿命，确保可靠的引弧、减少焊接飞溅。但焊接清枪程序启动过于频繁反而会降低焊接效率，因此清抢也不宜过于频繁。

（5）编制程序一般不能一步到位，要结合焊接质量不断调整和完善焊接参数。

3.2 机器人焊接操作

（1）操作人员进入工作区域后，首先检查设备，确认设备是否完好；其次查看电压、气压是否正常；最后确保遮光挡风装置完好到位。这样可以有效避免因电源电压不稳造成的飞溅严重，CO2气压过低及焊接环境气流过快造成的焊接气孔等缺陷。

（2）打开弧焊机器人总开关后，首先检查机器人是否在原点位置，如果不在，采用手动跟踪使机器人返到原点，然后进行TCP校正。这样可以有效避免焊偏的问题。

（3）装夹工件前，应检查工件是否合格，并确认工件表面没有水、油、锈、氧化皮等影响焊接质量的杂质。这一环节一定要严格控制，若控制不当将会导致焊接尺寸不符合要求（形状缺陷）、焊偏、焊穿、气孔、飞溅严重等缺陷的产生。

（4）机器人运行过程中，操作者应随时观察焊接情况，严禁操作者离开现场。如果焊接出现异常要及时处理。因故离开工作区域前应按下急停开关，并将示教器放置在安全位置。

4 结束语

在焊接生产领域采用焊接机器人不仅可以降低与日俱增的人力成本、提高焊接质量及效率，还可以改善焊接人员的工作条件、减轻劳动强度，保障焊接人员的安全。但焊接机器人在应用过程中会出现诸多问题，若问题解决及时得当，焊接机器人的优点就会充分体现，否则就会严重影响焊接效率及质量，甚至会产生焊接效果达不到人工焊接水平的情况。本研究对弧焊机器人焊接过程中常见的问题进行了分析，并给出了相应的解决措施，期望能对同行有一定的借鉴作用，进而促进我国企业焊接机器人的应用和普及。

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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

编辑：汪翰云

霍厚志（1986—），男，山东临沂人，工程师，硕士，主要研究方向为机器人焊接，焊接过程数值模拟与仿真。