1、德國克魯斯(CLOOS)的高效焊接技術珠海市金寶熱融焊接技術有限公司 魏占靜 關鍵詞：MIG MAG 雙絲焊 TANDEM 機器人 激光 等離子 脈沖 WELDING0介紹： 迫于國際競爭的壓力，生產企業不得不在焊接甚至其它制造方法上來降低成本，應用焊接機器人等先進焊接技術來提高生產效率變得越來越重要。克魯斯公司作為數字化焊接電源、自動化焊接設備及焊接機器人最早的生產廠家，提出應用現代的焊接技術和設備與機器人系統是降低成本的最佳方法。1 用于 MAG 焊接的焊絲和氣體 對于低碳鋼的多道焊接而言，如果對焊接的材料質量或者焊接的任務沒有特殊的要求，藥芯焊絲同樣適應用于機器人的應用，但通常情況下，不

2、使用這種類型的焊絲。由于實芯焊絲造價最低，并且最高的焊接速度與最高的熔敷率相結合，幾乎所有的低碳鋼使用的是實心焊絲。 對于高合金鋼而言，經常使用的是實心焊絲，而藥芯焊絲的使用具有經濟的優點。決定用藥芯焊絲還是實心焊絲 進行MAG 焊接是非常困難的。平均來講，對不同類型的鋼質材料的機器人 MAG 焊接大約有 70%-80% 使用的是實芯焊絲。 同樣的，對于應用 MAG 焊接方面的氣體也很難給出一個概論。對于低碳鋼的最普通使用的保護氣體是 Ar/ CO2 混合氣體 -8%-20%CO2 ，用于高合金鋼 2%-3%CO2 和相匹配比例的 Ar。一些用戶還額外使用氧氣，所有的氣體都適用于藥芯焊絲或實芯

3、焊絲。 對于鋁合金的焊接，經常使用的是 Ar氣，對于很厚的鋁合金板或者要求很高的焊接速度，He氣的使用會帶來更好的效果。2 氣體保護電弧焊接工藝與機器人的組合。 由于焊接材料的送進與電弧傳感器的有機結合，所以 MAG 焊接工藝與機器人的組合是最佳的焊接工藝。 為適應很高的熔敷率及很高的焊接速度的要求，最新開發的高性能 MAG 焊叫做 Tandem （雙絲的高速焊接）焊接工藝。 等離子焊接機器人與 TIG 焊接機器人的焊接工藝是相似的，他們主要的缺點是材料不在中心送進。 激光及激光混合系統，能夠使焊接結構產生極小的變形，同時具有很高的焊接速度。主要缺點是要求焊縫準備精確，并且激光系統的成本較高。

4、 3 傳感技術 當在長焊縫的焊接及要求在編程后的機器人，在線校正的情況下，通常使用傳感技術。更常使用的是電弧傳感器和用于高速焊接的激光傳感器。 電弧傳感器的主要原理，請見圖 1 。 圖 1 ：電弧傳感器的原理 傳感器沿著焊接方向按照正確的角度擺動，給出一個焊接電流的變化的信號，通過這個電流信號，機器人能正確的跟蹤焊接（ V 坡口，角焊縫），電弧傳感器主要用于鋼的填充材料，由于鋁合金焊絲的電阻很小，電弧傳感器不適用于這種材料，對于 MAG 焊接，使用的是電流信號，而對于 TIG 和等離子焊接工藝獲得電壓信號的偏差更有意義。 用于高速焊接的激光傳感器，是跟蹤焊縫的關鍵儀器，進一步而言激光跟蹤器能測

5、定 V 型坡口焊接的填充量，如果焊接的填充量有變化，則激光跟蹤器的控制器會適配相應的焊接速度及相應的送絲速度，從而強制保證恒定的填充量。 4 高效焊接工藝及機器人的應用 4.1傳統的 MIG 焊接 與機器人相結合的主要焊接技術是 MAG 焊接工藝，全自動和半自動 MAG 焊接主要采用的是脈沖電弧焊接，這種焊接適用于所有材質，幾乎沒有任何限制。這些材質是低碳鋼和高合金鋼、鋁合金和鋼（鍍鋅鋼板的釬焊）。 圖 2 介紹的是脈沖電弧的原理。這種電弧的優點是在金屬傳輸中幾乎無飛濺，與標準的電弧類短弧和噴射弧型相對照，脈沖電弧是一個熔滴一個熔滴的滴到熔池中沒有任何的短路。 圖 2 電弧脈沖的原理 與標準的

6、電弧類型相對照，要確定脈沖電弧的焊接參數非常困難。脈沖電弧的焊接參數的確定，至少要調整 6 個焊接參數。因此，開發被稱作單鍵式一元化的焊接電源使得焊接工藝容易控制。 由克魯斯開發的特別是用于 MIG 鋁合金焊接的 AluPlus (鋁+)工藝,圖 3 。顯示的是雙脈沖焊接參數，熔深變得更深，接合的焊縫表面看起來象 TIG 焊過的，與傳統的脈沖電弧焊接相比較，這種焊接動態負載變得更高。 圖 3 雙脈沖的原理 圖 4 顯示的是機器人的鋁合金脈沖焊接工藝，用于寶馬 5 系列及奔馳（ S 級和 E 級）的鋁合金軸的焊接。 圖 4 材質為鋁合金的后軸結構，傳統的 MIG 焊接工藝采用 AL 脈沖焊及 T

7、andem 的焊接工藝。 MIG 焊接速度為 60 -80cm /min ； Tandem ： 180 -210cm /min 圖 5 給出的是焊接機器人的低碳鋼 MAG 焊接在船舶工業應用的實例。這條生產線是用于油罐及艙體部分的焊接。 4 個龍門式的機器人在一起工作， X 軸在地面移動 72 米 ，每個機器人在（ 2.5X16X4 ）米 (X,Y,Z 軸 ) 的范圍內操作，機器人的焊接主要是地板與艙板，及艙板與艙板垂直向上的焊接，主要采用的是脈沖弧和短弧焊接，每個龍門上安裝有 2 個攝像頭的電視監視系統。 圖 5 MAG 機器人焊接在鋼船廠的應用 下一個例子請見圖 6 ，展示的是卡車工業的鋁

8、合金燃油箱的焊接，兩個機器人主從配置，每個機器人帶有激光傳感器，油箱的焊接采用中速 0.8m /min ，焊縫通過氦泄漏試驗是否防漏。 圖 6a ：用于鋁合金油箱的帶有激光傳感器的傳統 MIG 焊接，焊接速度為 80cm /min 。 圖 6b 同樣的焊接任務，如圖 6a ，這里采用的是 Tandem 焊接，焊接速度為 280cm /min 。 4.2 Tandem （高性能 - 雙絲）焊接 降低生產成本的下一步是采用了一種叫 Tandem MIG 高速焊接工藝。 克魯斯公司在 70 年代初采用雙絲 MIG 焊接工藝，見圖 7 ，可以看出兩種焊接工藝的基本不同。在 90 年代，克魯斯公司是第一

9、個在焊接機器人上使用 Tandem 焊接工藝，并且已經在過去的 10年里提供給用戶超過1000套Tandem 焊接設備。 速的 Tandem 焊接工藝可以應用在所有類型的鋼，鋁合金和銅。即在汽車船舶，起重機和運輸的制造工業。由于具有很高的焊接速度，所以這種焊接只能在機器人和自動焊接上可以實現。 圖 7 ： Tandem 焊接工藝原理， Tandem 焊接采用兩個獨立的噴嘴和兩個獨立的電源，每個電弧有自己獨立的焊接參數。而一般的雙絲焊接工藝是兩個焊絲都是采用同樣或相近的焊接參數 . 由于焊接電源技術新的發展及良好的焊接效果，在 90 年代， Tandem 焊接工藝取代了雙絲系統。對于 Tande

10、m 焊接而言，重要的是兩根焊絲都可使用脈沖電弧，這就給用戶提供了足夠的條件來使用不同的脈沖頻率焊接，見圖 8 。 圖 8 Tandem 焊接的脈沖波形的幾種不同類型： A ）同頻率同相位的 B ）同頻率相位差 180 度 C ）不同頻率相位任意 圖 9 ：成本的計算（傳統的 MIG ， Tandem ）圖中計算了總費用、焊絲費用、焊縫長、保護氣體的費用、產品費用、能源的費用 Tandem 這種焊接技術給用戶留下最深的印象是在焊接效率上的提高。與傳統的 MIG 單絲焊接對照，同樣的焊接任務，見圖 6 ，最終成本的計算見圖 9 。使用這種 Tandem 焊接工藝可以降低 35% 的成本。 最新開發

11、的 MIG Tandem 釬焊。通常鍍鋅鋼板的釬焊采用的是傳統 MIG 單絲焊接。圖 10 ：顯示的是 Tandem 的釬焊的實例。 圖 10 排氣系統， Tandem 釬焊 AlBz8 ，焊接速度 6m /min 4.3 帶狀焊絲MIG 焊接 新的焊接工藝叫做帶狀熔化極焊接，或扁平絲焊接。圖 11 ，帶狀熔化電極焊接與標準的單絲（圓絲）焊接工藝是相同的，相同的材料及相同的焊接電源，主要不同于傳統的 MIG 焊接工藝是，具有很高的焊接速度及能很好的彌補缺陷。到現在為止，這種形式的焊接在工業上還沒有應用，將來特別是在鋁合金材料的機器人焊接上，帶狀熔化電極焊接會引起用戶的極大興趣。 傳統 MIG

12、Tandem 高速焊接，與帶狀熔化電極焊接之間的比較請看圖 11 的介紹。 圖 11 傳統 MIG 焊接、高速焊接、條狀熔化電極焊接的比較 4.4 TIG 焊接 TIG 結合機器人的焊接與 MIG 結合機器人的對照比率為（大約 95%MIG ， 5%TIG 和等離子）用于 TIG 焊的機器人主要優點是無飛濺。焊接的表面質量非常好。 TIG 焊接機器人主要應用在家具工業，熱交換器，鍋爐等等。 TIG 焊接機器人用于熱交換器的焊接采用的是冷絲送給：見圖 12 ，工件的直徑是 210 -1400mm ，機器人對管子的直徑有一定要求。每個圓形焊縫的焊接時間是 40-50 秒。 有些時候，沒有高頻系統是

13、允許的，這樣 TIG 焊接的重新起弧變得很困難。 由 CLOOS 設計開發的，用于這種 TIG 焊槍的輔助引弧裝置，見圖 13 。 圖 12 熱交換器的 TIG 焊接 圖 13 帶有輔助引弧裝置的 TIG 焊槍用于沒有高頻（ HF ）的引弧 4.5 等離子焊 像 TIG 焊接工藝一樣， PAW 焊接機器人的應用是很少的。這種生產是用于汽車燃油箱的焊接，使用的是不同的焊接工藝像 TIG- 電阻點焊和等離子焊等，見圖 14 ，等離子的焊接工藝應用在油箱的兩個半圓邊緣的焊接。許多行業對等離子焊接工藝的進一步發展非常感興趣，具體的開發將會集中在開發很高的等離子密度和用于等離子焊槍的重新設計上。 圖 1

14、4 ：用于汽車工業的燃油箱的等離子焊接 4.6 粉末等離子電弧焊（ PPAW ） PPAW 焊接工藝的基本原理見圖 15 。 PPAW 焊接工藝具有很低的熔敷率（最多到 100g /min ），適合很少的高質量焊接。在工業的實際應用的實例見 16-17 圖 圖 15 ： PPAW 焊接工藝的原理 圖 16 ：用于家具工業的 PPAW 焊接，左側油漆，熔敷率為 25g /min 圖 17 ：用于自行車架的 PPAW 焊接 4.7 激光復合焊接 激光系統與傳統的氣體保護弧焊接工藝的有機結合，被稱為激光復合焊接工藝。主要的汽車工業，船舶工業和運輸系統的制造業，激光 MIG 焊接工藝非常有創意，見圖 18 。焊接的材料是鋼和鋁結構，使用這種焊接工藝的優點是具有很高的焊接速度及很小的結構變形。缺點是激光系統的成本及相應的維修費用比較高，以及對焊縫的準備要求精確。新的發展集中在等離子焊接與激光的有機結合，在最初的實驗中，已經成功實現了鋼焊和釬焊。 圖 18 ：用于摩托車工業的鋁合金軸的激光混合焊接 總結： 氣體保護焊接工藝開始于1940 年的 TIG 焊接工藝，這兩種焊接工藝配套在機器人和