無鍍銅桶裝焊絲在機器人焊接中的應用

王杭安，馬麗娟，丁會全

河北鑫宇焊業有限公司，河北滄州061600

0 前言

近年來，隨著自動化水平的逐步提高和人工成本的逐年增加，焊接機器人得到了快速發展，廣泛應用于新能源汽車、煤礦機械、工程機械等領域，極大改善了操作者的工作環境，降低了勞動強度，提升了工作效率。為了減少更換焊絲的頻率，大多數的焊接機器人都采用桶裝焊絲，桶裝焊絲每桶質量可達250～400 kg，一些工廠桶裝焊絲用量已占總用量的50%以上。但是桶裝焊絲的送絲軟管長度很長，送絲阻力大，對焊絲的挺度和翹度等質量要求較高。當采用鍍銅質量稍差的焊絲時，焊絲表面的鍍銅因摩擦脫落會造成導管內容積減小，高速送絲時阻力加大，焊絲不能平滑送出，產生抖動，導致電弧不穩，影響焊縫質量，嚴重時出現卡死現象，迫使機器人停機，故需及時清理焊絲導管。

目前，國內多家焊絲生產企業紛紛研制出了具有自己特色的無鍍銅焊絲，努力向無重金屬、無酸、無堿生產靠近，從而實現接近“零”污染排放。無鍍銅工藝主要是用非鍍銅層取代鍍銅層，無鍍銅焊絲是應用納米和現代金屬間化合物膠體涂層相結合的新型焊接材料。非鍍銅涂層在增強焊絲抗銹性的基礎上，具有高吸附性、耐高溫、急速干燥及低電阻等特點，增加了焊絲的潤滑性和導電性，降低了導電嘴的磨損，減少了更換頻率［1］。

文中針對河北鑫宇焊業有限公司生產的無鍍銅桶裝焊絲的優勢和現場使用中出現的問題進行分析和討論。圖1為河北鑫宇焊業有限公司無鍍銅桶裝焊絲生產線。

圖1 無鍍銅桶裝焊絲生產線Fig.1 Copper free barrel welding wire production line

1 桶裝無鍍銅焊絲生產工藝概述

桶裝無鍍銅焊絲生產工藝如下：原材料檢驗→機械清理氧化皮→粗拉→精拉→表面處理→桶裝分卷。要求原材料供應商控制氧化皮的成分和比例，確保氧化皮容易清理干凈。生產桶裝焊絲的原線松弛直徑應不小于1 m，桶裝分卷后起伏高度小于75 mm，振幅小于200 mm，扭轉角度小于3圈/10 m。

2 試驗材料和方法

試驗用焊絲為河北鑫宇焊業有限公司生產的Φ1.2 mm×250 kg的桶裝焊絲，型號分別為鍍銅焊絲GHS-70、無鍍銅焊絲GHS-70、無鍍銅焊絲XM-58。采用GB/T25776-2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》“3.2.7焊接發塵量”條款要求進行發塵量檢測。采用自動焊小車，連接LR4200E波形記錄儀測定焊接電流、電弧電壓和送絲的波動情況，檢測電弧的穩定性。采用OTC500焊機+10 m送絲管+5 m焊槍進行送絲阻力測試，測試時將送絲機壓線輪松開，采用Lyman焊絲測力器從焊槍導電嘴處緩緩牽引焊絲，記錄送絲阻力值。

3 試驗結果及分析

3.1 焊絲發塵量

鍍銅焊絲和無鍍銅焊絲的發塵量測試結果如表1所示。

焊接時，鍍銅焊絲的煙霧為黃褐色，無鍍銅焊絲的煙霧為淺藍色。從表1可以看出，無鍍銅焊絲的發塵量較鍍銅焊絲均有所下降，其中XM-58的發塵量比鍍銅焊絲減少達17%。這是因為鍍銅焊絲表面的銅膜在電弧的高溫作用下，產生黑色的氧化銅煙霧，而無鍍銅焊絲表面沒有銅膜，所以無氧化銅煙霧。同時焊絲表面的防銹油揮發也會產生部分煙塵。由于無鍍銅焊絲的抗銹性能好［2］，焊絲表面的防銹油含量僅為鍍銅焊絲的50%左右，所以因防銹油揮發而產生的煙塵大幅度減少。綜合可知，使用無鍍銅焊絲時產生的煙塵少，有利于改善施工現場的空氣質量，有益于焊工的身體健康［3］。

表1 無鍍銅焊絲和鍍銅焊絲發塵量比較Table 1 Comparison of dust emission between non copper plated wire and copper plated wire

3.2 電弧穩定性

從現場取無鍍銅桶裝焊絲和鍍銅桶裝焊絲，采用自動焊小車在平板上進行焊接，用LR4200E波形測定儀記錄焊接電流、電弧電壓和送絲機電流的波動情況，結果如圖2所示。

圖2 無鍍銅桶裝焊絲和鍍銅桶裝焊絲電弧波形比較Fig.2 Comparison of arc waveform between non copper plated barrel welding wire and copper plated barrel welding wire

由圖2可知，無鍍銅桶裝焊絲在焊接電流、電弧電壓、送絲機電流方面，均比鍍銅桶裝焊絲穩定，而且送絲機電流也小于鍍銅桶裝焊絲。這是因為無鍍銅焊絲表面涂有活性涂層［4-5］，使無鍍銅焊絲的轉變電流減小，降低實現噴射過渡的門檻；而且非鍍銅涂層成分可以是多樣性的，有穩弧方面的活性元素，也有導電方面的其他元素等，在焊接過程中降低了熔滴的表面張力，熔滴直徑變小，從而使得熔滴過渡過程中單位時間內的熔滴數量增加，電弧更加穩定，飛濺明顯減少［6-7］。

3.3 送絲阻力

送絲阻力測試結果如表2所示。無鍍銅焊絲生產過程中，采用特殊的表面處理技術，減小了焊絲的摩擦系數，使焊絲在送絲軟管中的阻力減小，保證送絲過程穩定。從表2可以看出，無鍍銅焊絲的送絲阻力平均值比鍍銅焊絲減小22%。

表2 無鍍銅焊絲和鍍銅焊絲送絲阻力比較Table 2 Comparison of wire feeding resistance between non copper plated welding wire and copper plated welding wire

3.4 無鍍銅桶裝焊絲在現場容易出現的問題

3.4.1 焊絲容易斷弧

無鍍銅焊絲和鍍銅焊絲最大的差異是焊絲外觀。鍍銅焊絲鍍銅之后進行了拋光處理，焊絲外觀光滑，銅膜較為均勻地覆蓋在焊絲表面，所以焊絲在送絲過程中，壓線輪的壓線手柄需要壓緊焊絲，才能實現穩定的送絲過程。由于銅膜硬度較低，壓線輪即使壓得很緊，銅膜也只是出現輕微變形，并不影響在導電嘴內的導電。而無鍍銅焊絲在壓線輪壓得太緊的情況下，由于焊絲表面沒有銅膜，表面硬度較高，會與送絲輪和壓線輪發生摩擦，在送絲輪和壓線輪磨損嚴重的情況下，無鍍銅焊絲更容易被劃傷，導致焊絲的導電性能下降。在導電嘴傳導電流到焊絲時，由于導電不良，在導電嘴內部產生電弧，導致焊絲與導電嘴粘連，在宏觀上表現為斷弧。

3.4.2 焊絲容易跳絲

桶裝焊絲用的焊絲桶有圓桶、馬拉松桶和方桶。圓桶又分為帶內桶和不帶內桶，整流壓片也有多種形式，常見的是帶內桶的圓桶式桶裝焊絲。桶裝焊絲在繞線過程中，要將焊絲放進桶內，是一種梅花形纏繞的方式，每繞一圈焊絲就要扭轉360°。焊絲纏入桶內，由于焊絲自重和拘束的雙重因素影響，焊絲會出現應力殘留，導致焊絲在送絲時出現旋轉的情況。殘留應力大，扭轉角度就大；殘留應力小，扭轉角度就小。如果扭轉角度大，焊絲在從桶內放線時，焊絲會從內桶壁或外桶壁彈出，造成亂絲，如圖3、圖4所示。

圖3 焊絲內跳絲Fig.3 Erratic wire feed in welding wire

圖4 焊絲外跳絲Fig.4 Erratic wire feed outside welding wire

3.4.3 焊絲送絲不順

桶裝焊絲的線性和盤裝焊絲的線性不同，主要區別是盤裝焊絲在出絲過程中不旋轉，而桶裝焊絲在送絲過程中是旋轉的。因此，在旋轉角度較大的情況下，焊絲在送絲軟管中的阻力增大，容易出現送絲困難。尤其是在送絲管或焊槍存在曲率較大的情況下，送絲系統又較長，送絲阻力會顯著增大，造成送絲不順。

3.5 改善措施

3.5.1 改善焊絲斷弧的措施

焊絲斷弧是由于焊絲外觀被劃傷，導致導電不良引起的，為避免此情況應保證良好的焊絲外觀。壓線輪的調節手柄可調節得松一些［3］，以確保焊絲不被劃傷。壓線手柄調節如圖5所示。發生斷弧時焊絲的外觀形貌如圖6所示。由圖6可知，焊絲發生斷弧，是焊絲外觀原因造成焊絲在導電嘴內部導電不良，產生電弧而導致焊絲和導電嘴粘連。

圖5 送絲機壓線手柄位置Fig.5 Position of wire pressing handle of wire feeder

圖6 斷弧時導電嘴內焊絲的外觀Fig.6 Appearance of welding wire in conducting nozzle during arc breaking

3.5.2 改善焊絲跳絲的措施

焊絲跳絲是因為焊絲扭轉嚴重，在送絲時從整流壓片邊緣跳出，導致焊絲打結。焊絲扭轉除了焊絲自身線性不好的情況外，與送絲系統也有一定的關系。經過現場試驗，在桶帽上方增加一組矯直輪，減小焊絲的振幅和翹距，減小送絲阻力的同時有效避免了焊絲扭轉角度的疊加，從而避免焊絲因扭轉角度大而出現跳絲的情況發生。焊絲矯直輪如圖7所示。

圖7 焊絲矯直輪Fig.7 Wire straightening wheel

3.5.3 改善焊絲送絲不順的措施

由于桶裝焊絲送絲時有一定的扭轉，不僅容易出現跳絲的情況，而且還會增大送絲阻力，導致送絲不順。為減小阻力，有必要在送絲系統增加一些輔助裝置。

（1）增加氣動送絲機或輔助送絲裝置。

氣動送絲機的優點是可以一直保持與焊機送絲機同步送絲。經測試，送絲距離30 m仍然保持穩定送絲，如圖8所示。

圖8 氣動送絲機與輔助送絲裝置Fig.8 Pneumatic wire feeder and auxiliary wire feeding device

（2）增加導絲滑塊或導絲支架。

導絲滑塊是將焊絲在送絲管中的滑動送絲變為滾動送絲，減小送絲阻力；導絲支架可以減小送絲導管的曲率，減小送絲阻力，如圖9、圖10所示。

圖9 導絲滑塊Fig.9 Guide wire slider

圖10 導絲支架Fig.10 Guide wire support

（3）在焊槍位置增加吊鉤。

由于焊槍是活動的，在焊槍位置增加彈性吊鉤可以避免焊槍出現死彎，減小送絲阻力，如圖11所示。

圖11 焊槍吊鉤Fig.11 Welding gun hook

（4）安裝焊接轉盤。

根據桶裝焊絲的特點，鑫宇焊業研發了一種桶裝焊絲用焊接轉盤并已申請專利。焊接轉盤的原理：通過焊絲桶的旋轉將焊絲自身旋轉相抵消，使焊絲在送絲過程中不產生旋轉或很少旋轉。圖12為某煤機廠使用該焊接轉盤進行焊接。經過用戶使用反饋，焊絲送絲平穩，電弧穩定性好，焊道成形良好，同時也解決了焊絲在桶內跳絲和亂線的問題。

圖12 焊接轉盤Fig.12 Welding turntable

（5）定期更換送絲軟管。

桶帽到送絲機的送絲軟管在長時間使用后，軟管內部會出現劃傷，嚴重時產生溝槽（見圖13），應及時更換。

圖13 磨損后的送絲軟管內壁Fig.13 Inner wall of worn wire feeding hose

3 應用案例

使用無鍍銅桶裝焊絲由于煙塵量小，焊接操作人員的工作環境得到改善，據某煤機廠反饋，以前使用鍍銅焊絲時，每年都有幾例焊工塵肺病病例，而在使用無鍍銅桶裝焊絲6年來，全車間沒有一例塵肺病發生。液壓支架所用板材強度級別高，有Q460、Q550D、Q690E、Q690，高強鋼在焊接時需要預熱和層溫控制，采用機器人焊接比較容易保證焊接工藝要求，且普遍采用桶裝焊絲。同時焊接的工件焊道成形美觀，產品質量的穩定性得到極大提高。圖14為使用無鍍銅桶裝焊絲GHS-80焊接的液壓支架配件。

圖14 液壓支架配件的焊道Fig.14 Weld bead of hydraulic support accessories

在新能源汽車和工程機械行業，無鍍銅桶裝焊絲以優異的工藝性能得到了廣泛的應用，市場占有率逐年提高。圖15為無鍍銅桶裝焊絲在工程機械行業的應用。

圖15 裝載機臂架的焊接Fig.15 Welding of loader boom

4 結論

（1）無鍍銅桶裝焊絲是新開發的環保型焊絲，其顯著優點是焊接發塵量少、飛濺小、焊道成形好，有利于現場操作人員的身體健康，有利于提高產品質量和生產效率。

（2）無鍍銅桶裝焊絲的導電狀態至關重要，需要確保焊絲外觀沒有劃傷，注意送絲系統中送絲輪、壓線輪和送絲軟管的定期維護和保養工作。

（3）無鍍銅桶裝焊絲在使用時應采用矯直輪，氣動送絲機和輔助送絲裝置是必要的，可以保證在長距離送絲條件下的穩定送絲。

（4）采用焊接轉盤能夠有效提高無鍍銅桶裝焊絲的送絲性能，避免焊絲跳絲、打結，減小送絲阻力，從而提高電弧穩定性，改善焊道成形。

（5）無鍍銅桶裝焊絲在有些用戶使用過程中，由于設備送絲系統的長度太長，焊槍曲率大，送絲驅動存在的設計問題，使電弧穩定性差，導致導電嘴損耗大，這個問題需要設備生產廠家和導電嘴配件生產廠家配合，改善送絲性能，降低導電嘴的損耗。