无镀铜桶装焊丝在机器人焊接中的应用

无镀铜桶装焊丝在机器人焊接中的应用 Characteristic of Non-copper Coated GMAW Wire in Drum Package and Its Applications for Robotics Welding first-author 王杭安（1968—），男，学士，焊接高级工程师，主要从事焊接材料及焊接工艺的研发工作。E-mail：whangwin@163.com。 王杭安（1968—），男，学士，焊接高级工程师，主要从事焊接材料及焊接工艺的研发工作。E-mail：whangwin@163.com。 whangwin@163.com 河北鑫宇焊业有限公司，河北 沧州 061600 河北鑫宇焊业有限公司，河北 沧州 061600 Heibei Xinyu Welding Co., Ltd., Cangzhou 061600, China Heibei Xinyu Welding Co., Ltd., Cangzhou 061600, China 采用烟尘测定装置检测了无镀铜桶装焊丝的发尘量，采用波形测定仪检测了无镀铜桶装焊丝的电弧稳定性和送丝性能，采用焊丝测力器检测了无镀铜桶装焊丝的送丝阻力。结果表明，无镀铜桶装焊丝在焊接时发尘量少，电弧稳定，送丝阻力小，焊接飞溅小，焊道成形美观。同时通过观察发现，无镀铜焊丝在机器人焊接中容易出现断弧、跳丝以及送丝不顺的现象，分析了产生这些问题的原因以及应对措施。 The fume produced during GMAW welding with non-copper coated wire have been detected with fume detection device hereby, and its welding arc stability and wire feedability have also been checked with welding current waveform device, while the feeding force to drive the wire during welding have been tested with wire force dynamometer. The test results show that comparing with copper coated wire, the non-copper coated wire can bring many benefits, including less fume produced, more stable arc and less feeding force required, less welding spatters produced during process, and better weld appearance. Meanwhile, there are many common issues during robotic GMAW welding process such as instable arc, erratic wire feed and poor wire feed, these issues have been observed and analyzed, corresponding method on how to improve that have been discussed. 无镀铜桶装焊丝 机器人焊接 发尘量 飞溅 non-copper coated wire in drum package robotic welding welding fume spatters 前言 1 近年来，随着自动化水平的逐步提高和人工成本的逐年增加，焊接机器人得到了快速发展，广泛应用于新能源汽车、煤矿机械、工程机械等领域，极大改善了操作者的工作环境，降低了劳动强度，提升了工作效率。为了减少更换焊丝的频率，大多数的焊接机器人都采用桶装焊丝，桶装焊丝每桶质量可达250~400 kg，一些工厂桶装焊丝用量已占总用量的50%以上。但是桶装焊丝的送丝软管长度很长，送丝阻力大，对焊丝的挺度和翘度等质量要求较高。当采用镀铜质量稍差的焊丝时，焊丝表面的镀铜因摩擦脱落会造成导管内容积减小，高速送丝时阻力加大，焊丝不能平滑送出，产生抖动，导致电弧不稳，影响焊缝质量，严重时出现卡死现象，迫使机器人停机，故需及时清理焊丝导管。 目前，国内多家焊丝生产企业纷纷研制出了具有自己特色的无镀铜焊丝，努力向无重金属、无酸、无碱生产靠近，从而实现接近“零”污染排放。无镀铜工艺主要是用非镀铜层取代镀铜层，无镀铜焊丝是应用纳米和现代金属间化合物胶体涂层相结合的新型焊接材料。非镀铜涂层在增强焊丝抗锈性的基础上，具有高吸附性、耐高温、急速干燥及低电阻等特点，增加了焊丝的润滑性和导电性，降低了导电嘴的磨损，减少了更换频率 ［ 1 1 ］ 。 文中针对河北鑫宇焊业有限公司生产的无镀铜桶装焊丝的优势和现场使用中出现的问题进行分析和讨论。 图1 图1 为河北鑫宇焊业有限公司无镀铜桶装焊丝生产线。 桶装无镀铜焊丝生产工艺概述 1 桶装无镀铜焊丝生产工艺如下：原材料检验→机械清理氧化皮→粗拉→精拉→表面处理→桶装分卷。要求原材料供应商控制氧化皮的成分和比例，确保氧化皮容易清理干净。生产桶装焊丝的原线松弛直径应不小于1 m，桶装分卷后起伏高度小于75 mm，振幅小于200 mm，扭转角度小于3圈/10 m。 试验材料和方法 1 试验用焊丝为河北鑫宇焊业有限公司生产的Φ1.2 mm×250 kg的桶装焊丝，型号分别为镀铜焊丝GHS-70、无镀铜焊丝GHS-70、无镀铜焊丝XM-58。采用GB/T25776-2010《焊接材料焊接工艺性能评定方法》“3.2.7焊接发尘量”条款要求进行发尘量检测。采用自动焊小车，连接LR4200E波形记录仪测定焊接电流、电弧电压和送丝的波动情况，检测电弧的稳定性。采用OTC500焊机+10 m送丝管+5 m焊枪进行送丝阻力测试，测试时将送丝机压线轮松开，采用Lyman焊丝测力器从焊枪导电嘴处缓缓牵引焊丝，记录送丝阻力值。 试验结果及分析 1 焊丝发尘量 2 镀铜焊丝和无镀铜焊丝的发尘量测试结果如 表1 表1 所示。 序号 焊丝类别 焊接电流 I /A 电弧电压 U /V 保护气体 发尘量/（g·kg -1 ） 1 镀铜焊丝GHS-70 260 27 φ （Ar）80%+ φ （CO 2 ）20% 6.03 2 无镀铜焊丝GHS-70 260 27 φ （Ar）80%+ φ （CO 2 ）20% 5.31 3 无镀铜焊丝XM-58 250 29 φ （Ar）80%+ φ （CO 2 ）20% 5.00 焊接时，镀铜焊丝的烟雾为黄褐色，无镀铜焊丝的烟雾为浅蓝色。从 表1 表1 可以看出，无镀铜焊丝的发尘量较镀铜焊丝均有所下降，其中XM-58的发尘量比镀铜焊丝减少达17%。这是因为镀铜焊丝表面的铜膜在电弧的高温作用下，产生黑色的氧化铜烟雾，而无镀铜焊丝表面没有铜膜，所以无氧化铜烟雾。同时焊丝表面的防锈油挥发也会产生部分烟尘。由于无镀铜焊丝的抗锈性能好 ［ 2 2 ］ ，焊丝表面的防锈油含量仅为镀铜焊丝的50%左右，所以因防锈油挥发而产生的烟尘大幅度减少。综合可知，使用无镀铜焊丝时产生的烟尘少，有利于改善施工现场的空气质量，有益于焊工的身体健康 ［ 3 3 ］ 。 电弧稳定性 2 从现场取无镀铜桶装焊丝和镀铜桶装焊丝，采用自动焊小车在平板上进行焊接，用LR4200E波形测定仪记录焊接电流、电弧电压和送丝机电流的波动情况，结果如 图2 图2 所示。 1,2; 由 图2 图2 可知，无镀铜桶装焊丝在焊接电流、电弧电压、送丝机电流方面，均比镀铜桶装焊丝稳定，而且送丝机电流也小于镀铜桶装焊丝。这是因为无镀铜焊丝表面涂有活性涂层 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ ，使无镀铜焊丝的转变电流减小，降低实现喷射过渡的门槛；而且非镀铜涂层成分可以是多样性的，有稳弧方面的活性元素，也有导电方面的其他元素等，在焊接过程中降低了熔滴的表面张力，熔滴直径变小，从而使得熔滴过渡过程中单位时间内的熔滴数量增加，电弧更加稳定，飞溅明显减少 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ 。 送丝阻力 2 送丝阻力测试结果如 表2 表2 所示。无镀铜焊丝生产过程中，采用特殊的表面处理技术，减小了焊丝的摩擦系数，使焊丝在送丝软管中的阻力减小，保证送丝过程稳定。从 表2 表2 可以看出，无镀铜焊丝的送丝阻力平均值比镀铜焊丝减小22%。 焊丝类别 送丝阻力 F /N 平均值/N 镀铜焊丝 16.14，26.88，18.02，15.60，17.05 18.74 无镀铜焊丝 17.14，15.47，12.06，14.41，13.49 14.51 无镀铜桶装焊丝在现场容易出现的问题 2 焊丝容易断弧 3 无镀铜焊丝和镀铜焊丝最大的差异是焊丝外观。镀铜焊丝镀铜之后进行了抛光处理，焊丝外观光滑，铜膜较为均匀地覆盖在焊丝表面，所以焊丝在送丝过程中，压线轮的压线手柄需要压紧焊丝，才能实现稳定的送丝过程。由于铜膜硬度较低，压线轮即使压得很紧，铜膜也只是出现轻微变形，并不影响在导电嘴内的导电。而无镀铜焊丝在压线轮压得太紧的情况下，由于焊丝表面没有铜膜，表面硬度较高，会与送丝轮和压线轮发生摩擦，在送丝轮和压线轮磨损严重的情况下，无镀铜焊丝更容易被划伤，导致焊丝的导电性能下降。在导电嘴传导电流到焊丝时，由于导电不良，在导电嘴内部产生电弧，导致焊丝与导电嘴粘连，在宏观上表现为断弧。 焊丝容易跳丝 3 桶装焊丝用的焊丝桶有圆桶、马拉松桶和方桶。圆桶又分为带内桶和不带内桶，整流压片也有多种形式，常见的是带内桶的圆桶式桶装焊丝。桶装焊丝在绕线过程中，要将焊丝放进桶内，是一种梅花形缠绕的方式，每绕一圈焊丝就要扭转360°。焊丝缠入桶内，由于焊丝自重和拘束的双重因素影响，焊丝会出现应力残留，导致焊丝在送丝时出现旋转的情况。残留应力大，扭转角度就大；残留应力小，扭转角度就小。如果扭转角度大，焊丝在从桶内放线时，焊丝会从内桶壁或外桶壁弹出，造成乱丝，如 图3 图3 、 图4 图4 所示。 焊丝送丝不顺 3 桶装焊丝的线性和盘装焊丝的线性不同，主要区别是盘装焊丝在出丝过程中不旋转，而桶装焊丝在送丝过程中是旋转的。因此，在旋转角度较大的情况下，焊丝在送丝软管中的阻力增大，容易出现送丝困难。尤其是在送丝管或焊枪存在曲率较大的情况下，送丝系统又较长，送丝阻力会显著增大，造成送丝不顺。 改善措施 2 改善焊丝断弧的措施 3 焊丝断弧是由于焊丝外观被划伤，导致导电不良引起的，为避免此情况应保证良好的焊丝外观。压线轮的调节手柄可调节得松一些 ［ 3 3 ］ ，以确保焊丝不被划伤。压线手柄调节如 图5 图5 所示。发生断弧时焊丝的外观形貌如 图6 图6 所示。由 图6 图6 可知，焊丝发生断弧，是焊丝外观原因造成焊丝在导电嘴内部导电不良，产生电弧而导致焊丝和导电嘴粘连。 1;2;3;4; 改善焊丝跳丝的措施 3 焊丝跳丝是因为焊丝扭转严重，在送丝时从整流压片边缘跳出，导致焊丝打结。焊丝扭转除了焊丝自身线性不好的情况外，与送丝系统也有一定的关系。经过现场试验，在桶帽上方增加一组矫直轮，减小焊丝的振幅和翘距，减小送丝阻力的同时有效避免了焊丝扭转角度的叠加，从而避免焊丝因扭转角度大而出现跳丝的情况发生。焊丝矫直轮如 图7 图7 所示。 改善焊丝送丝不顺的措施 3 由于桶装焊丝送丝时有一定的扭转，不仅容易出现跳丝的情况，而且还会增大送丝阻力，导致送丝不顺。为减小阻力，有必要在送丝系统增加一些辅助装置。 （1）增加气动送丝机或辅助送丝装置。 气动送丝机的优点是可以一直保持与焊机送丝机同步送丝。经测试，送丝距离30 m仍然保持稳定送丝，如 图8 图8 所示。 （2）增加导丝滑块或导丝支架。 导丝滑块是将焊丝在送丝管中的滑动送丝变为滚动送丝，减小送丝阻力；导丝支架可以减小送丝导管的曲率，减小送丝阻力，如 图9 图9 、 图10 图10 所示。 （3）在焊枪位置增加吊钩。 由于焊枪是活动的，在焊枪位置增加弹性吊钩可以避免焊枪出现死弯，减小送丝阻力，如 图11 图11 所示。 （4）安装焊接转盘。 根据桶装焊丝的特点，鑫宇焊业研发了一种桶装焊丝用焊接转盘并已申请专利。焊接转盘的原理：通过焊丝桶的旋转将焊丝自身旋转相抵消，使焊丝在送丝过程中不产生旋转或很少旋转。 图12 图12 为某煤机厂使用该焊接转盘进行焊接。经过用户使用反馈，焊丝送丝平稳，电弧稳定性好，焊道成形良好，同时也解决了焊丝在桶内跳丝和乱线的问题。 （5）定期更换送丝软管。 桶帽到送丝机的送丝软管在长时间使用后，软管内部会出现划伤，严重时产生沟槽（见 图13 图13 ），应及时更换。 应用案例 1 使用无镀铜桶装焊丝由于烟尘量小，焊接操作人员的工作环境得到改善，据某煤机厂反馈，以前使用镀铜焊丝时，每年都有几例焊工尘肺病病例，而在使用无镀铜桶装焊丝6年来，全车间没有一例尘肺病发生。液压支架所用板材强度级别高，有Q460、Q550D、Q690E、Q690，高强钢在焊接时需要预热和层温控制，采用机器人焊接比较容易保证焊接工艺要求，且普遍采用桶装焊丝。同时焊接的工件焊道成形美观，产品质量的稳定性得到极大提高。 图14 图14 为使用无镀铜桶装焊丝GHS-80焊接的液压支架配件。 在新能源汽车和工程机械行业，无镀铜桶装焊丝以优异的工艺性能得到了广泛的应用，市场占有率逐年提高。 图15 图15 为无镀铜桶装焊丝在工程机械行业的应用。 结论 1 （1）无镀铜桶装焊丝是新开发的环保型焊丝，其显著优点是焊接发尘量少、飞溅小、焊道成形好，有利于现场操作人员的身体健康，有利于提高产品质量和生产效率。 （2）无镀铜桶装焊丝的导电状态至关重要，需要确保焊丝外观没有划伤，注意送丝系统中送丝轮、压线轮和送丝软管的定期维护和保养工作。 （3）无镀铜桶装焊丝在使用时应采用矫直轮，气动送丝机和辅助送丝装置是必要的，可以保证在长距离送丝条件下的稳定送丝。 （4）采用焊接转盘能够有效提高无镀铜桶装焊丝的送丝性能，避免焊丝跳丝、打结，减小送丝阻力，从而提高电弧稳定性，改善焊道成形。 （5）无镀铜桶装焊丝在有些用户使用过程中，由于设备送丝系统的长度太长，焊枪曲率大，送丝驱动存在的设计问题，使电弧稳定性差，导致导电嘴损耗大，这个问题需要设备生产厂家和导电嘴配件生产厂家配合，改善送丝性能，降低导电嘴的损耗。 参考文献 李红 ， 栗卓新 ， 巴凌志 ， 等 . 中国绿色焊接材料的现状和进展 ［J］. 金属加工（热加工） ， 2020 （ 10 ）： 19 - 23 . 中国绿色焊接材料的现状和进展 LI Hong ， LI Zhuoxin ， BA Lingzhi ， et al . Status and progress of green welding materials in China ［J］. MW Metal Forming ， 2020 （ 10 ）： 19 - 23 . Status and progress of green welding materials in China 王杭安 ， 曹增奎 . 无镀铜焊丝的特性及推广应用 ［J］， 金属加工 ， 2020 （ 9 ）： 55 - 57 . 无镀铜焊丝的特性及推广应用 WANG Hangan ， CAO Zengkui . Characteristics and popularization of non-copper welding wire ［J］. MW Metal Forming ， 2020 （ 9 ）： 55 - 57 . Characteristics and popularization of non-copper welding wire 葛鑫祯 ， 王杭安 . 无镀铜焊丝在中部槽焊接专机上的应用分析 ［J］. 价值工程 ， 2020 （ 16 ）： 143 - 144 . 无镀铜焊丝在中部槽焊接专机上的应用分析 GE Xinzhen ， WANG Hangan . Application Analysis of No Copper-plated Wire in Middle Trough Welding Plane ［J］. Value Engineering ， 2020 （ 16 ）： 143 - 144 . Application Analysis of No Copper-plated Wire in Middle Trough Welding Plane 栗卓新 ， 万千 ， 张天理 . 纳米改性涂层及焊接工艺参数对无镀铜实心焊丝导电嘴磨损影响的研究进展 ［J］. 材料工程 ， 2017 （ 12 ）： 135 - 146 . 纳米改性涂层及焊接工艺参数对无镀铜实心焊丝导电嘴磨损影响的研究进展 LI Zhuoxin ， WANG Qian ， ZHANG Tianli . Progress in Effect of Nano-modified Coatings and Welding Process Parameters on Wear of Contact Tube for Non-copper Coated Solid Wires ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2017 （ 12 ）： 135 - 146 . Progress in Effect of Nano-modified Coatings and Welding Process Parameters on Wear of Contact Tube for Non-copper Coated Solid Wires 孙咸 . 基于工程应用的无镀铜实心焊丝电弧行为探讨 ［J］. 电焊机 ， 2018 （ 8 ）： 1 - 8 . 基于工程应用的无镀铜实心焊丝电弧行为探讨 SUN Xian . Discussion on the arc behavior of non-copper coated solid wire based on engineering applicationp ［J］. Electric Welding Machine ， 2018 ， 48 （ 8 ）： 1 - 8 . Discussion on the arc behavior of non-copper coated solid wire based on engineering applicationp 孙咸 . 无镀铜焊丝熔滴过渡形态与工艺质量的关系 ［J］. 电焊机 ， 2017 （ 5 ）： 1 - 7 . 无镀铜焊丝熔滴过渡形态与工艺质量的关系 SUN Xian . Relationships between droplet transfer form and usability quality of non-copper-coated wire ［J］. Electric Welding Machine ， 2017 ， 47 （ 5 ）： 1 - 7 . Relationships between droplet transfer form and usability quality of non-copper-coated wire 韩振仙 ， 孙远方 ， 王晨阳 . CO 2 焊用无镀铜实芯焊丝的工艺性能研究 ［J］. 金属加工 ， 2012 （ 14 ）： 65 - 66 . CO2焊用无镀铜实芯焊丝的工艺性能研究 HAN Zhenxian ， SUN Yuanfang ， WANG Chenyang . Study on process performance of copper free solid core welding wire for CO 2 welding ［J］. MW Metal Forming ， 2012 （ 14 ）： 65 - 66 . Study on process performance of copper free solid core welding wire for CO2 welding 编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com 编辑部网址： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.05.06 TG422.3 B 1001-2303（2022）05-0040-07 王杭安，马丽娟，丁会全.无镀铜桶装焊丝在机器人焊接中的应用［J］.电焊机，2022，52（5）：40-46. 王杭安，马丽娟，丁会全.无镀铜桶装焊丝在机器人焊接中的应用［J］.电焊机，2022，52（5）：40-46. WANG Hang ' an, MA Lijuan, DING Huiquan.Characteristic of Non-copper Coated GMAW Wire in Drum Package and Its Applications for Robotics Welding[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(5): 40-46. WANG Hang'an, MA Lijuan, DING Huiquan.Characteristic of Non-copper Coated GMAW Wire in Drum Package and Its Applications for Robotics Welding[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(5): 40-46. 2022-02-15 2022-04-15 2022-05-30 2022-06-08 电焊机 5 52