德国克鲁斯焊接关键技术.doc

德国克鲁斯(CLOOS)高效焊接技术

珠海市金宝热融焊接技术有限公司    魏占静  
核心词：MIG MAG 双丝焊 TANDEM 机器人 激光 等离子 脉冲 WELDING
0简介：
　　迫于国际竞争压力，生产公司不得不在焊接甚至其他制造办法上来减少成本，应用焊接机器人等先进焊接技术来提高生产效率变得越来越重要。克鲁斯公司作为数字化焊接电源、自动化焊接设备及焊接机器人最早生产厂家，提出应用当代焊接技术和设备与机器人系统是减少成本最佳办法。

1 用于 MAG 焊接焊丝和气体
　　 对于低碳钢多道焊接而言，如果对焊接材料质量或者焊接任务没有特殊规定，药芯焊丝同样适应用于机器人应用，但普通状况下，不使用这种类型焊丝。由于实芯焊丝造价最低，并且最高焊接速度与最高熔敷率相结合，几乎所有低碳钢使用是实心焊丝。 对于高合金钢而言，经常使用是实心焊丝，而药芯焊丝使用品有经济长处。决定用药芯焊丝还是实心焊丝 进行MAG 焊接是非常困难。平均来讲，对不同类型钢质材料机器人 MAG 焊接大概有 70%-80% 使用是实芯焊丝。
　　同样，对于应用 MAG 焊接方面气体也很难给出一种概论。对于低碳钢最普通使用保护气体是 Ar/ CO2 混合气体 ---8%-20%CO2 ，用于高合金钢 2%-3%CO2 和相匹配比例 Ar。某些顾客还额外使用氧气，所有气体都合用于药芯焊丝或实芯焊丝。 对于铝合金焊接，经常使用是 Ar气，对于很厚铝合金板或者规定很高焊接速度，He气使用会带来更好效果。

2  气体保护电弧焊接工艺与机器人组合。
　　 由于焊接材料送进与电弧传感器有机结合，因此 MAG 焊接工艺与机器人组合是最佳焊接工艺。
　　为适应很高熔敷率及很高焊接速度规定，最新开发高性能 MAG 焊叫做 Tandem （双丝高速焊接）焊接工艺。　　
　　等离子焊接机器人与 TIG 焊接机器人焊接工艺是相似，她们重要缺陷是材料不在中心送进。
　　激光及激光混合系统，可以使焊接构造产生极小变形，同步具备很高焊接速度。重要缺陷是规定焊缝准备精准，并且激光系统成本较高。

3 传感技术
　　 当在长焊缝焊接及规定在编程后机器人，在线校正状况下，普通使用传感技术。更常使用是电弧传感器和用于高速焊接激光传感器。
电弧传感器重要原理，请见图 1 。

图 1 ：电弧传感器原理
　　传感器沿着焊接方向按照对的角度摆动，给出一种焊接电流变化信号，通过这个电流信号，机器人能对的跟踪焊接（ V 坡口，角焊缝），电弧传感器重要用于钢填充材料，由于铝合金焊丝电阻很小，电弧传感器不合用于这种材料，对于 MAG 焊接，使用是电流信号，而对于 TIG 和等离子焊接工艺获得电压信号偏差更故意义。
　　 用于高速焊接激光传感器，是跟踪焊缝核心仪器，进一步而言激光跟踪器能测定 V 型坡口焊接填充量，如果焊接填充量有变化，则激光跟踪器控制器会适配相应焊接速度及相应送丝速度，从而强制保证恒定填充量。

4  高效焊接工艺及机器人应用

4.1老式 MIG 焊接
　　 与机器人相结合重要焊接技术是 MAG 焊接工艺，全自动和半自动 MAG 焊接重要采用是脉冲电弧焊接，这种焊接合用于所有材质，几乎没有任何限制。这些材质是低碳钢和高合金钢、铝合金和钢（镀锌钢板钎焊）。 图 2 简介是脉冲电弧原理。这种电弧长处是在金属传播中几乎无飞溅，与原则电弧类短弧和喷射弧型相对照，脉冲电弧是一种熔滴一种熔滴滴到熔池中没有任何短路。

图 2 电弧脉冲原理
　　与原则电弧类型相对照，要拟定脉冲电弧焊接参数非常困难。脉冲电弧焊接参数拟定，至少要调节 6 个焊接参数。因而，开发被称作单键式一元化焊接电源使得焊接工艺容易控制。
　　 由克鲁斯开发特别是用于 MIG 铝合金焊接 AluPlus (铝+)工艺,图 3 。显示是双脉冲焊接参数，熔深变得更深，接合焊缝表面看起来象 TIG 焊过，与老式脉冲电弧焊接相比较，这种焊接动态负载变得更高。

图 3 双脉冲原理
图 4 显示是机器人铝合金脉冲焊接工艺，用于宝马 5 系列及奔驰（ S 级和 E 级）铝合金轴焊接。
图 4 材质为铝合金后轴构造，老式 MIG 焊接工艺采用 AL 脉冲焊及 Tandem 焊接工艺。 MIG 焊接速度为 60 -80cm /min ； Tandem ： 180 -210cm /min

图 5 给出是焊接机器人低碳钢 MAG 焊接在船舶工业应用实例。这条生产线是用于油罐及舱体某些焊接。 4 个龙门式机器人在一起工作， X 轴在地面移动 72 米 ，每个机器人在（ 2.5X16X4 ）米 (X,Y,Z 轴 ) 范畴内操作，机器人焊接重要是地板与舱板，及舱板与舱板垂直向上焊接，重要采用是脉冲弧和短弧焊接，每个龙门上安装有 2 个摄像头电视监视系统。

图 5 MAG 机器人焊接在钢船厂应用
　　 下一种例子请见图 6 ，展示是卡车工业铝合金燃油箱焊接，两个机器人主从配备，每个机器人带有激光传感器，油箱焊接采用中速 0.8m /min ，焊缝通过氦泄漏实验与否防漏。

图 6a ：用于铝合金油箱带有激光传感器老式 MIG 焊接，焊接速度为 80cm /min 。

图 6b 同样焊接任务，如图 6a ，这里采用是 Tandem 焊接，焊接速度为 280cm /min 。

4.2  Tandem （高性能 -- 双丝）焊接
　　 减少生产成本下一步是采用了一种叫 Tandem MIG 高速焊接工艺。
克鲁斯公司在 70 年代初采用双丝 MIG 焊接工艺，见图 7 ，可以看出两种焊接工艺基本不同。在 90 年代，克鲁斯公司是第一种在焊接机器人上使用 Tandem 焊接工艺，并且已经在过去 里提供应顾客超过1000套Tandem 焊接设备。
　　 速 Tandem 焊接工艺可以应用在所有类型钢，铝合金和铜。即在汽车船舶，起重机和运送制造工业。由于具备很高焊接速度，因此这种焊接只能在机器人和自动焊接上可以实现。

图 7 ： Tandem 焊接工艺原理， Tandem 焊接采用两个独立喷嘴和两个独立电源，每个电弧有自己独立焊接参数。而普通双丝焊接工艺是两个焊丝都是采用同样或相近焊接参数 .

　　 由于焊接电源技术新发展及良好焊接效果，在 90 年代， Tandem 焊接工艺取代了双丝系统。对于 Tandem 焊接而言，重要是两根焊丝都可使用脉冲电弧，这就给顾客提供了足够条件来使用不同脉冲频率焊接，见图 8 。

图 8 Tandem 焊接脉冲波形几种不同类型：
A ）同频率同相位
B ）同频率相位差 180 度
C ）不同频率相位任意

图 9 ：成本计算（老式 MIG ， Tandem ）图中计算了总费用、焊丝费用、焊缝长、保护气体费用、产品费用、能源费用
Tandem 这种焊接技术给顾客留下最深印象是在焊接效率上提高。与老式 MIG 单丝焊接对照，同样焊接任务，见图 6 ，最后成本计算见图 9 。使用这种 Tandem 焊接工艺可以减少 35% 成本。
　　 最新开发 MIG Tandem 钎焊。普通镀锌钢板钎焊采用是老式 MIG 单丝焊接。图 10 ：显示是 Tandem 钎焊实例。

图 10 排气系统， Tandem 钎焊 AlBz8 ，焊接速度 6m /min

4.3 带状焊丝MIG 焊接
　　 新焊接工艺叫做带状熔化极焊接，或扁平丝焊接。图 11 ，带状熔化电极焊接与原则单丝（圆丝）焊接工艺是相似，相似材料及相似焊接电源，重要不同于老式 MIG 焊接工艺是，具备很高焊接速度及能较好弥补缺陷。到当前为止，这种形式焊接在工业上还没有应用，将来特别是在铝合金材料机器人焊接上，带状熔化电极焊接会引起顾客极大兴趣。
　　老式 MIG Tandem 高速焊接，与带状熔化电极焊接之间比较请看图 11 简介。

图 11 老式 MIG 焊接、高速焊接、条状熔化电极焊接比较

4.4 TIG 焊接
TIG 结合机器人焊接与 MIG 结合机器人对照比率为（大概 95%MIG ， 5%TIG 和等离子）用于 TIG 焊机器人重要长处是无飞溅。焊接表面质量非常好。 TIG 焊接机器人重要应用在家具工业，热互换器，锅炉等等。
TIG 焊接机器人用于热互换器焊接采用是冷丝送给：见图 12 ，工件直径是 210 -1400mm ，机器人对管子直径有一定规定。每个圆形焊缝焊接时间是 40-50 秒。
　　 有些时候，没有高频系统是容许，这样 TIG 焊接重新起弧变得很困难。
由 CLOOS 设计开发，用于这种 TIG 焊枪辅助引弧装置，见图 13 。

图 12 热互换器 TIG 焊接

图 13 带有辅助引弧装置 TIG 焊枪用于没有高频（ HF ）引弧
4.5   等离子焊
　　 像 TIG 焊接工艺同样， PAW 焊接机器人应用是很少。这种生产是用于汽车燃油箱焊接，使用是不同焊接工艺像 TIG- 电阻点焊和等离子焊等，见图 14 ，等离子焊接工艺应用在油箱两个半圆边沿焊接。许多行业对等离子焊接工艺进一步发展非常感兴趣，详细开发将会集中在开发很高等离子密度和用于等离子焊枪重新设计上。

图 14 ：用于汽车工业燃油箱等离子焊接

4.6  粉末等离子电弧焊（ PPAW ）
  PPAW 焊接工艺基本原理见图 15 。 PPAW 焊接工艺具备很低熔敷率（最多到 100g /min ），适合很少高质量焊接。在工业实际应用实例见 16-17 图

图 15 ： PPAW 焊接工艺原理

图 16 ：用于家具工业 PPAW 焊接，左侧油漆，熔敷率为 25g /min

图 17 ：用于自行车架 PPAW 焊接

4.7  激光复合焊接
　　 激光系统与老式气体保护弧焊接工艺有机结合，被称为激光复合焊接工艺。重要汽车工业，船舶工业和运送系统制造业，激光 MIG 焊接工艺非常有创意，见图 18 。焊接材料是钢和铝构造，使用这种焊接工艺长处是具备很高焊接速度及很小构造变形。缺陷是激光系统成本及相应维修费用比较高，以及对焊缝准备规定精准。新发展集中在等离子焊接与激光有机结合，在最初实验中，已经成功实现了钢焊和钎焊。

图 18 ：用于摩托车工业铝合金轴激光混合焊接
总结：
　　 气体保护焊接工艺开始于1940 年 TIG 焊接工艺，这两种焊接工艺配套在机器人和自动焊接上，特别是 Tandem 焊接工艺为 MIG 焊接开辟了一种新空间。新焊接工艺发展，正处在开发阶段，如带状熔化极焊接。
　　老式 MIG 焊接工艺与激光结合给焊接技术提供了新机会。激光设备成本在将来会大幅度减少，因此激光及焊接设备结合应用将会普及。 越来越多焊接工艺改进，使得不同焊接工艺出当前市场上，用于解决顾客需要和特殊焊接问题，使用当代焊接技术与机器人有机结合是大势所趋。
作者简介：魏占静 MBA   工学研究生  高档工程师
1988 哈尔滨工业大学焊接专业毕业
1991 中华人民共和国机械科学研究院研究生毕业
现从事德国 CLOOS 焊接设备在中华人民共和国推广应用
有关技术详见