北京奔驰自动 MIG 焊接应用及缺陷控制

来源：北京奔驰

作者：宋宏伟，张晓乐，张秋花

MIG焊接技术在汽车工业中已经得到了广泛的应用，特别是白车身零部件的焊接以及分总成和总成的装配连接方面。除去成本因素，在汽车行业应用MIG焊接主要基于两个原因。

（1）对于无法双面焊接的位置，点焊无法应用，并且板厚超过三层板的情况下，点焊的焊接质量无法得到保证。

（2）焊接区域机器人姿态变化较大，且间隙波动超过激光焊接允许范围。

在北京奔驰汽车有限公司，新车型应用冷金属过渡（CMT）MIG焊接工艺。CMT是Cold Meatal  Transfer的缩写，即指焊接熔滴的过渡过程没有加热，通过回抽焊丝来实现熔滴分离。

CMT冷金属过渡技术是在全数字化TPS焊机技术上开发的，通过精密控制实现短路过渡，大大改变了以往短路过渡的概念。

数字化控制的CMT焊接系统会自动监控过渡的过程，在熔滴过渡时，电源将电流降至非常低，几乎为零，热输入量也几乎为零,  焊丝即停止前进并自动地回抽。

在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少。整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。

同传统的气体保护焊MIG/MAG相比，冷金属过渡CMT热输入量更小。正因如此，薄板的MIG焊只有CMT技术可以充分保证焊接的稳定性及连接强度。

目前在北京奔驰主要应用于上横梁、主地板、后端轮罩以及B柱连接区的焊接。

1. 焊接设备及材料

根据被焊零件的尺寸及焊缝设计，选取KUKA公司六轴联动工业机器人。焊接系统采用Fronius焊接电源和冷却系统、枪体、缓冲器、送丝机及拉丝马达，焊接系统构架如图1所示。

焊接接头形式为搭接，焊接角度有平焊、立焊及仰焊，涵盖了所有形式。母材所用钢板为低碳镀锌钢板，材质CR340LA，以及热成形高强钢，屈服强度330~950MPa 。上下板板厚为1.25~1.5mm，采用搭接形式焊接。焊丝为CuAl7，直径1mm。

2. 自动MIG焊控制因素

相较于传统的MIG焊接技术而言，Fronius的CMT焊接系统智能化程度更高。它可以自动根据弧长和送丝状态修正实际输出，从而达到最佳的电流、送丝与弧长匹配。

因此在实际调试过程中，只需要根据板材厚度和材质，以及实际焊接工况选择合适的送丝速度，其他参数会根据数据库自动匹配。

当板厚>0.7mm时，可以适当增加送丝速度以得到更佳的熔宽及熔深。但也由于CMT模式下电流的自适应性，其对于搭接接头尺寸精度有更严格的要求。

目前生产中采用RCU5000I遥控器进行参数编辑，如图2所示。

这种方式可以进行在线参数修正，避免在示教器中因修正工艺参数而导致的停线。搭接接头对于各因素控制更为精确而复杂。

任何因素的超范围偏差都可能导致焊接失效的发生。根据设计和生产的实际经验，为获得质量良好的焊缝，各参数取值范围如下：

首先，板件边缘最小距离：取决于所使用板材的厚度，通常根据较薄一侧的板材。当板厚≤1.5mm时，边缘距离最小为5mm；当板厚为1.5~3mm时，边缘距离最小为8mm。

其次，板间隙：当板厚≤2mm时，板间隙应小于一半的板厚；当板厚>2mm时，板间隙不应大于1mm。

最后，搭接板角度：通常情况下5°~90°都可以接受。

由于自动焊接是机器人夹持焊钳以一定位置和速度进行加工操作，故其稳定性要远大于人工焊接。但位置参数会显著影响焊接质量。

通常情况下位置参数包括：首先，前进角：即焊接方向上焊丝与板件的角度。

MIG焊接采用推角，无论在熔深和余高上都要好于拉角。目前采用的是推角10°的焊接方式，稳定性最高。

其次，侧向角：侧向角的选择需要根据上板的具体板厚。通常上板为较厚板时，侧向角选择45°可以使上板获得更好的连接宽度。

当上板为较薄板时，可将侧向角减小到35°，此时不仅可以增加下板熔深，更可以减少上板的热输入，降低过烧的风险。

3. 焊接轨迹的示教

目前应用的KUKA机器人利用KRC4编程语言进行示教，焊接过程采用LIN命令进行分段直线焊接操作。在示教过程中采用T1模式下打开程序，运行模式为单步运行。关闭左下方arc按键，运行机器人时速度<50%，基坐标环境下调整。结尾处的PTP点离开角度应该与arc off点一致。导电嘴离工件12~15mm，稍近些可以降低飞溅。轨迹的示教会影响到后续焊接质量。

4. 执行机构的校准

MIG焊接是接触焊，由于熔池对焊丝有相互作用力，并且在起丝收弧的过程中一旦有时间匹配问题，就很容易造成枪头出现变形，所以在实际生产中需要定期进行TCP（工具中心点）校准。

目前使用LEONI校准系统（见图3），其可以在一定偏差范围内允许进行校正，如果超过了极限，则必须停止系统。

5. 过程质量问题

（1）焊缝拉伸强度不足

焊缝拉伸强度不足是MIG焊接缺陷最为典型的问题。造成此现象的原因一般为焊缝长度不足、焊缝不对中或者熔深不足，如图4所示。

当进行立焊时，焊丝熔化后在上板形成熔池，继而流向下板。成形后从外观看焊缝对中情况良好。但由于熔液向下流动时已经开始冷却，故在下板并没有形成有效熔深，而是熔敷在表面上，所以拉伸时从下板断开，强度不能达到规定要求。故应对轨迹进行示教，确认焊丝在缝隙中，以避免此问题发生。

（2）焊缝孔洞

焊接孔洞在实际生产中非常常见，其一般分为以下两种。

第一，焊脚孔洞。图5的孔洞位于焊脚处，形状为长圆型，一般伴随较大的焊接飞溅，尤其是将送丝增加后此类问题会更加严重。

产生原因：并非单边焊问题，而是上板热量过多导致熔化，将送丝量减少后咬边问题会得到缓解。对于上板为薄板的接头形式，应注意焊接角度不应超过35°，这样可以避免上板因接收过多热量从而造成过烧。

第二，焊缝中心孔洞。从图6可看出，焊接位置比较对中，熔深不错，但是中间有孔。其参数为送丝量8.0m/min。鉴于为立焊，如果焊缝填丝比较多会向下流，从而拉扯中间的熔液造成孔洞。

根据这一分析，将送丝量减少至7.0m/min（见图7），可见焊缝中心孔洞消失，焊缝变得光亮，但是填丝量和铺展状态略有不足。

将送丝量增加至7.3m/min（见图8），铺展状态良好，也没有再出现孔洞，从而固定焊接工艺。对于这种缺陷，往往根本原因是板间隙过大。

本例中间隙达到1.5mm，不过由于立焊存在焊缝流动的特性，所以可以按照标准焊接轨迹进行示教。

（3）填充不饱满

对于仰焊，则很容易存在因间隙过大而导致的焊缝中心填充不饱满。对于这种问题，单纯增加送丝并不能解决问题，反而容易因热输入过高而导致边缘熔化。再加上轨迹略微偏向上侧板，导致下侧板熔合不良。在线工人修补后热量不够，从表面看成形良好，但实际没有焊上。

针对这一情况，对此位置采取了两项措施：

第一，焊接轨迹向下侧板调整2mm，以获得更均匀的焊缝覆盖。

第二，将此焊缝的摆动幅度由1.6mm加宽至2.0mm，以获得更好的焊接稳定性。应用摆动功能可以补充因间隙过大而导致的填充不饱满，且可以通过编程控制摆幅、摆动方向，以得到合适的焊接效果。

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