德国克鲁斯CLOOS的高效焊接技术铜管件

德国克鲁斯(CLOOS)的高效焊接技术

德国克鲁斯(CLOOS)的高效焊接技术 2011年12月04日 来源： 关键词：MIG MAG 双丝焊 TANDEM 机器人 激光 等离子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，应用焊接机器人的技术来提高生产效率变得越来越重要了。克鲁斯公司作为数字化电源、自动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设备与机器人系统的有机结合是降低成本的最佳方法。1． 用于MAG焊接的焊丝和气体的概述。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Argon/ CO2混合气体--8%-20%CO2，用于高合金钢2%-3%CO2和相匹配比例的Argon。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Argon气体，对于很厚的铝合金板或者要求很高的焊接速度，氦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。

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，是跟踪焊缝的主要仪器，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，全部的自动和半自动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）。图2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见图3。第二套图显示的是脉冲焊接参数，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。

图5 MAG机器人焊接在钢船厂的应用

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80cm/min。

Tandem（高性能--双丝）焊接 降低生产成本的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的基本不同。在90年代，克鲁斯公司是第一个在焊接机器人上使用Tandem焊接工艺，并且已经在过去的7年里提供给用户超过500套的配置的Tandem机器人工作站。 速的Tandem焊接工艺可以应用在所有类型的钢，铝合金和铜。即在汽车船舶，起重机和运输的制造工业。由于具有很高的焊接速度，所以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焊接采用两个独立的喷嘴和两个独立的电源，每个电弧有自己独立的焊接参数。双丝焊接工艺是两个焊丝都是采用同样的焊接参数

由于Tandem焊接工艺在焊接电源技术新的发展及很好的焊接效果，在90年代，Tandem焊接工艺取代了双丝系统。对于Tandem焊接而言，重要的是两根焊丝都可使用脉冲电弧，这就给用户提供了足够的条件来使用不同的脉冲频率焊接，见图8。

图8 Tandem焊接的脉冲波形的几种不同类型：A）同频率同相位的；B）同频率相位差180度；C）不同频率相位任意

图9：成本的计算（传统的MIG，Tandem）图中计算了总费用、焊丝费用、焊缝长、保护气体的费用、产品费用、能源的费用

Tandem这种焊接技术给用户留下最深的印象是在焊接效率上的提高。与传统的MIG单丝焊接对照，同样的焊接任务，见图6，最终成本的计算见图9。使用这种Tandem焊接工艺可以降低35%的成本。 最新开发的MIG Tandem钎焊。通常镀锌钢板的钎焊采用的是传统MIG单丝焊接。图10：显示的是Tandem的钎焊的实例。

图10 排气系统，Tandem钎焊AlBz8，焊接速度6m/min

带状熔化电极MIG焊接 新的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标准的单丝（圆丝）焊接工艺是相同的，相同的材料及相同的焊接电源，主要不同于传统的MIG焊接工艺是，具有很高的焊接速度及能很好的弥补缺陷。到现在为止，这种形式的焊接在工业上还没有应用，将来特别是在铝合金材料的机器人焊接上，带状熔化电极焊接会引起用户的极大兴趣。 传统MIG Tandem高速焊接，与带状熔化电极焊接之间的比较请看图11的介绍。

图11 传统MIG焊接、高速焊接、条状熔化电极焊接的比较

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。

图12 热交换器的TIG焊接

图13 带有辅助引弧装置的TIG焊枪用于没有高频（HF）的引弧等离子焊

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。

图14：用于汽车工业的燃油箱的等离子焊接

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。

图15：PPAW焊接工艺的原理

图16：用于家具工业的PPAW焊接，左侧油漆，熔敷率为25g/min

图17：用于自行车架的PPAW焊接

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。

图18：用于摩托车工业的铝合金轴的激光混合焊接

概　要： 气体保护弧焊接工艺开始于1940年的TIG焊接工艺，这两种焊接工艺都集中在机器人和自动焊接上，特别是Tandem的焊接工艺为MIG焊接开发了一个新的空间。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的，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，将会茁壮成长。 附作者简介：魏占静 1988哈尔滨工业大学焊接专业毕业1991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EMAIL：WEIZHJ@133165.COMFAX:0756-8873181 TEL:0756-8131670 13302867960 13702942010

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