作者:魏占静
关键词：MIG；MAG；双丝焊；TANDEM；机器人；激光；等离子；脉冲
WELDING0介绍
迫于国际竞争的压力，生产企业不得不在焊接甚至其它制造方法上来降低成本，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的生产厂家，提出应用现代的焊接技术和设备与机器人系统是降低成本的最佳方法。
1 用于MAG焊接的焊丝和气体
对于低碳钢的多道焊接而言，如果对焊接的材料质量或者焊接的任务没有特殊的要求，药芯焊丝同样适应用于机器人的应用，但通常情况下，不使用这种类型的焊丝。由于实芯焊丝造价最低，并且最高的焊接速度与最高的熔敷率相结合，几乎所有的低碳钢使用的是实心焊丝。
对于高合金钢而言，经常使用的是实心焊丝，而药芯焊丝的使用具有经济的优点。决定用药芯焊丝还是实心焊丝 进行MAG 焊接是非常困难的。平均来讲，对不同类型的钢质材料的机器人 MAG 焊接大约有 70%-80% 使用的是实芯焊丝。同样的，对于应用 MAG 焊接方面的气体也很难给出一个概论。对于低碳钢的最普通使用的保护气体是 Ar/ CO2 混合气体 ---8%-20%CO2，用于高合金钢 2%-3%CO2 和相匹配比例的 Ar。一些用户还额外使用氧气，所有的气体都适用于药芯焊丝或实芯焊丝。
对于铝合金的焊接，经常使用的是 Ar气，对于很厚的铝合金板或者要求很高的焊接速度，He气的使用会带来更好的效果。
2 气体保护电弧焊接工艺与机器人的组合。
由于焊接材料的送进与电弧传感器的有机结合，所以 MAG焊接工艺与机器人的组合是最佳的焊接工艺。为适应很高的熔敷率及很高的焊接速度的要求，最新开发的高性能 MAG 焊叫做 Tandem（双丝的高速焊接）焊接工艺。等离子焊接机器人与 TIG 焊接机器人的焊接工艺是相似的，他们主要的缺点是材料不在中心送进。激光及激光混合系统，能够使焊接结构产生极小的变形，同时具有很高的焊接速度。主要缺点是要求焊缝准备精确，并且激光系统的成本较高。
3 传感技术
当在长焊缝的焊接及要求在编程后的机器人，在线校正的情况下，通常使用传感技术。更常使用的是电弧传感器和用于高速焊接的激光传感器。
电弧传感器的主要原理，请见图 1 。
电弧传感器的原理 传感器沿着焊接方向按照正确的角度摆动，给出一个焊接电流的变化的信号，通过这个电流信号，机器人能正确的跟踪焊接（ V 坡口，角焊缝），电弧传感器主要用于钢的填充材料，由于铝合金焊丝的电阻很小，电弧传感器不适用于这种材料，对于 MAG 焊接，使用的是电流信号，而对于 TIG 和等离子焊接工艺获得电压信号的偏差更有意义。
用于高速焊接的激光传感器，是跟踪焊缝的关键仪器，进一步而言激光跟踪器能测定 V 型坡口焊接的填充量，如果焊接的填充量有变化，则激光跟踪器的控制器会适配相应的焊接速度及相应的送丝速度，从而强制保证恒定的填充量。
4 高效焊接工艺及机器人的应用
4.1传统的 MIG 焊接
与机器人相结合的主要焊接技术是 MAG 焊接工艺，全自动和半自动 MAG 焊接主要采用的是脉冲电弧焊接，这种焊接适用于所有材质，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（镀锌钢板的钎焊）。
介绍的是脉冲电弧的原理。这种电弧的优点是在金属传输中几乎无飞溅，与标准的电弧类短弧和喷射弧型相对照，脉冲电弧是一个熔滴一个熔滴的滴到熔池中没有任何的短路。
图 2 电弧脉冲的原理 与标准的电弧类型相对照，要确定脉冲电弧的焊接参数非常困难。脉冲电弧的焊接参数的确定，至少要调整6个焊接参数。因此，开发被称作单键式一元化的焊接电源使得焊接工艺容易控制。
由克鲁斯开发的特别是用于 MIG 铝合金焊接的 AluPlus (铝+)工艺,图3。显示的是双脉冲焊接参数，熔深变得更深，接合的焊缝表面看起来象 TIG 焊过的，与传统的脉冲电弧焊接相比较，这种焊接动态负载变得更高。
图 3 双脉冲的原理图 4 显示的是机器人的铝合金脉冲焊接工艺，用于宝马 5 系列及奔驰（ S 级和 E 级）的铝合金轴的焊接。
图 4 材质为铝合金的后轴结构，传统的 MIG 焊接工艺采用 AL 脉冲焊及 Tandem 的焊接工艺。 MIG 焊接速度为 60 -80cm /min ； Tandem ： 180 -210cm /min
图 5 给出的是焊接机器人的低碳钢 MAG 焊接在船舶工业应用的实例。这条生产线是用于油罐及舱体部分的焊接。 4个龙门式的机器人在一起工作， X 轴在地面移动 72 米 ，每个机器人在（ 2.5X16X4 ）米 (X,Y,Z 轴 ) 的范围内操作，机器人的焊接主要是地板与舱板，及舱板与舱板垂直向上的焊接，主要采用的是脉冲弧和短弧焊接，每个龙门上安装有 2 个摄像头的电视监视系统。
下一个例子请见图 6，展示的是卡车工业的铝合金燃油箱的焊接，两个机器人主从配置，每个机器人带有激光传感器，油箱的焊接采用中速 0.8m /min，焊缝通过氦泄漏试验是否防漏。
图 6a ：用于铝合金油箱的带有激光传感器的传统 MIG 焊接，焊接速度为 80cm /min 。
图 6b 同样的焊接任务，如图 6a ，这里采用的是 Tandem 焊接，焊接速度为 280cm /min 。 4.2 Tandem （高性能 -- 双丝）焊接.
4.4 TIG 焊接
TIG 结合机器人的焊接与 MIG 结合机器人的对照比率为（大约 95%MIG ， 5%TIG 和等离子）用于 TIG 焊的机器人主要优点是无飞溅。焊接的表面质量非常好。 TIG 焊接机器人主要应用在家具工业，热交换器，锅炉等等。TIG 焊接机器人用于热交换器的焊接采用的是冷丝送给：见图 12 ，工件的直径是 210 -1400mm ，机器人对管子的直径有一定要求。每个圆形焊缝的焊接时间是 40-50 秒.有些时候，没有高频系统是允许的，这样 TIG 焊接的重新起弧变得很困难。
由 CLOOS 设计开发的，用于这种 TIG 焊枪的辅助引弧装置，见图 13 。
4.5 等离子焊
像 TIG 焊接工艺一样， PAW 焊接机器人的应用是很少的。这种生产是用于汽车燃油箱的焊接，使用的是不同的焊接工艺像 TIG- 电阻点焊和等离子焊等，见图 14，等离子的焊接工艺应用在油箱的两个半圆边缘的焊接。许多行业对等离子焊接工艺的进一步发展非常感兴趣，具体的开发将会集中在开发很高的等离子密度和用于等离子焊枪的重新设计上。
4.6 等离子焊剂电弧焊接（ PPAW ）
PPAW 焊接工艺的基本原理见图 15。PPAW 焊接工艺具有很低的熔敷率（最多到 100g /min ），适合很少的高质量焊接。在工业的实际应用的实例见 16-17 图
4.7 激光混合焊接
激光系统与传统的气体保护弧焊接工艺的有机结合，被称为激光混合焊接工艺。主要的汽车工业，船舶工业和运输系统的制造业，激光 MIG 焊接工艺非常有创意，见图 18。焊接的材料是钢和铝结构，使用这种焊接工艺的优点是具有很高的焊接速度及很小的结构变形。缺点是激光系统的成本及相应的维修费用比较高，以及对焊缝的准备要求精确。新的发展集中在等离子焊接与激光的有机结合，在最初的实验中，已经成功实现了钢焊和钎焊。
气体保护焊接工艺开始于1940 年的 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 的焊接工艺为 MIG 焊接开辟了一个新的空间。新的焊接工艺的发展，正处于开发阶段，如带状熔化极的焊接。
传统的 MIG焊接工艺与激光的结合给焊接技术提供了新的机会。激光设备的成本在将来会大幅度降低，所以激光及焊接设备结合的应用将会普及。
越来越多的焊接工艺的改进，使得不同的焊接工艺出现在市场上，用于解决用户的需要和特殊焊接问题，使用现代的焊接技术与机器人的有机结合是大势所趋。
作者简介：魏占静 MBA 工学硕士，高级工程师，1988哈尔滨工业大学焊接专业毕业，
1991中国机械科学研究院研究生毕业,现从事德国 CLOOS 焊接设备在中国 的推广应用。