弧焊智能機(jī)器人焊接超級(jí)雙相不銹鋼（S32750）的工藝研究

饒洪華

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

近幾年，隨著我國(guó)科技水平不斷進(jìn)步及工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃的提出，智能化制造已逐漸在各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始實(shí)施應(yīng)用。焊接作為一個(gè)重要的制造技術(shù)和材料科學(xué)的重要專業(yè)學(xué)科，智能化焊接技術(shù)制造的發(fā)展也備受人們的關(guān)注。短短幾十年間，通過(guò)電子智能、機(jī)械智能、數(shù)據(jù)智能等各學(xué)科的發(fā)展和帶動(dòng)，智能焊接機(jī)器已經(jīng)應(yīng)用于船舶、汽車、橋梁、電氣制造等多個(gè)領(lǐng)域，為我國(guó)工業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[1]。

本文以超級(jí)雙相不銹鋼焊接在船舶智能制造中的應(yīng)用為背景，闡述弧焊機(jī)器人在智能化條件下實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤，實(shí)現(xiàn)弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程智能控制技術(shù)，滿足模塊建造中超級(jí)雙向不銹鋼的焊接質(zhì)量要求 （高的強(qiáng)度、優(yōu)異的低溫韌性及符合鐵素體含量）。對(duì)此我們對(duì)相關(guān)焊接設(shè)備及工藝要求進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1 智能弧焊機(jī)器人的焊接質(zhì)量控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)機(jī)器人主要適用于重復(fù)性的焊接工作，而船舶制造中的有色金屬管道焊接工作卻具有小批量、多規(guī)格、復(fù)雜等焊接特點(diǎn)，因此使用傳統(tǒng)機(jī)器不易于有色金屬管道施工。而智能機(jī)器人在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加了視覺(jué)系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)等功能，對(duì)于焊接船舶金屬管道具有較好的，現(xiàn)將其特點(diǎn)簡(jiǎn)要說(shuō)明：

1.1 焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

智能機(jī)器人對(duì)于管子壁厚、直徑誤差、管子橢圓度達(dá)到國(guó)標(biāo)上下限以內(nèi)，均能兼容。針對(duì)待焊工件的間隙差異，焊縫坡口尺寸不一致等問(wèn)題，智能機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)均能進(jìn)行兼容和適應(yīng)，在焊接過(guò)程中根據(jù)偏差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

智能機(jī)器人焊接對(duì)管子組對(duì)誤差可兼容±3 mm，對(duì)管子的橢圓度可兼容±0.3%，對(duì)管子的直徑誤差可兼容±1.5%。并且具備TIG 弧長(zhǎng)跟蹤功能，其弧長(zhǎng)跟蹤效應(yīng)速度10 mm/min～700 mm/min，跟蹤范圍0 mm～60 mm，橢圓度變化均可滿足兼容工件一致性誤差。

1.2 焊接過(guò)程可視

智能機(jī)器人對(duì)焊接過(guò)程中的參數(shù)，電流、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)焊接電流、電壓的監(jiān)控精度可達(dá)±0.1 A 和±0.1 V，頻率達(dá)100 Hz 以上，可以發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中參數(shù)的細(xì)微變化。

2 超級(jí)雙相不銹鋼的焊接性分析

2.1 概述

超級(jí)雙相不銹鋼中奧氏體和鐵素體兩相組織的微觀結(jié)構(gòu)各約占一半，因此其具備了雙重“不銹鋼”的屬性，雙相不銹鋼具有鐵素體不銹鋼的大強(qiáng)度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低線性膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。同時(shí)其優(yōu)秀韌性、脆性轉(zhuǎn)溫小、良好焊接性又與奧氏體不銹鋼相同。其次，其耐氯腐蝕、抗疲勞和晶體間腐蝕、屈服強(qiáng)度是18-8 奧氏體不銹鋼的2 倍。這些性能都是工業(yè)生產(chǎn)的需要，可以節(jié)省大量焊接料,降低生產(chǎn)制造成本。因此超級(jí)雙相不銹鋼已廣泛應(yīng)用在船舶制造、石油制造、天然氣設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域[2]。

優(yōu)秀物理也決定了其焊接性能方面的優(yōu)異表現(xiàn)，S32750 超級(jí)雙相不銹鋼具有焊接高溫條件下開(kāi)裂低、脆化傾向小、熱影響區(qū)內(nèi)晶粒不易粗化、韌性變化小等特點(diǎn)，利用這些特點(diǎn)可以使用GTAW 對(duì)S32750 超級(jí)雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，如熔化極氣體保護(hù)焊——SMAW，但要大面積在造船工業(yè)中應(yīng)用，還需詳細(xì)掌握超級(jí)雙相鋼滿足的以下性能。

2.2 硬度

很多工程項(xiàng)目都會(huì)有不同的硬度要求，一般管材要符合NACE0175 要求時(shí)，硬度需要滿足小于32HRC。一般來(lái)說(shuō)，根部的硬度值容易超出要求，這是由于焊接過(guò)程中熱循環(huán)造成的。這就要求弧焊機(jī)器人焊接過(guò)程中盡量減少焊接層數(shù)，以免造成根部的硬度增加，而智能控制熱輸入及層間溫度對(duì)硬度影響也很大。

2.3 韌性

一般要求超級(jí)雙相不銹鋼滿足?46℃，27 J 沖擊，此鋼材韌性與焊縫金屬的氧含量密切相關(guān)，采用弧焊機(jī)器人GTAW 焊接方法可以獲得好的韌性指標(biāo)。

2.4 鐵素體含量

一般要求超級(jí)雙相不銹鋼鐵素體含量為35%～65%，這是超級(jí)雙相不銹鋼焊接難點(diǎn)。當(dāng)焊材選定時(shí)，影響鐵素體含量的主要因素為冷卻速率，而冷卻速率又與熱輸入、層間溫度、預(yù)熱、接頭厚度等因素相關(guān)。冷卻速度越快、鐵素體含量越高。

2.5 腐蝕性能

超級(jí)雙相不銹鋼要求進(jìn)行ASTM G 48 A，24 h，40°腐蝕試驗(yàn)。要求20X，無(wú)腐蝕斑點(diǎn)、質(zhì)量損耗不超過(guò)4.0 g/m2。引起試驗(yàn)失敗的主要原因是根部焊接工藝和根部氮缺失，因此推薦根部使用98%Ar+2%N 的氣體進(jìn)行保護(hù)，根部焊接采用機(jī)器人視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)尤為重要。

3 試驗(yàn)材料及弧焊智能機(jī)器人焊接方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆牟捎忙?19 mm、δ8.2 mm 的鋼管，化學(xué)成分見(jiàn)表1[3]，力學(xué)性能見(jiàn)表2[3]。

表1 鋼管的化學(xué)成分

表2 S 32750 鋼管的力學(xué)性能

3.2 弧焊智能機(jī)器人焊接方法

根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況，采用弧焊智能機(jī)器人鎢極氬弧焊（GTAW），,焊接材料采用AWS C LASS: ER2594 型焊材，具體化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 焊材的化學(xué)成分（wt%）

3.3 焊前準(zhǔn)備

1）S32750 鋼管的切割以及坡口加工盡量采用機(jī)械加工的方法，也可采用氣割或等離子下料和制備坡口，加工或切割后的坡口應(yīng)進(jìn)行打磨。

2）本次設(shè)計(jì)坡口形式為施工中最常用的坡口形式：雙面V 型55°坡口，間隙1 mm～3 mm，鈍邊0 mm～1 mm，錯(cuò)邊量小于1.5 mm[2]。

3）因定位焊縫將成為正式焊縫一部分，所以在正式焊接之前必須對(duì)定位焊道用打磨、銼等方法將起、收弧點(diǎn)進(jìn)行光順處理，使其能與正式焊縫較好的熔合。

4）坡口及其兩側(cè)各20 mm 范圍內(nèi)應(yīng)用機(jī)械方法及有機(jī)溶劑進(jìn)行表面清理，清除表面的油污、銹跡、金屬屑、氧化膜及其他污物[4]。

3.4 焊接工藝參數(shù)

1）熱輸入量為單位長(zhǎng)度焊縫所接受的能量，是影響焊接熱循環(huán)的主要因素，也就是說(shuō)控制熱輸入是保機(jī)械性能和鐵素體含量試驗(yàn)的關(guān)鍵[5]。智能機(jī)器人依據(jù)視覺(jué)傳感器自動(dòng)跟蹤焊縫形狀,在電流一定的條件下對(duì)焊接速度進(jìn)行調(diào)整，以滿足在焊接過(guò)程中的坡口形狀、間隙變化等情況下的焊接熱輸入。具體焊接參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 焊接參數(shù)

2）起弧須在坡口內(nèi)進(jìn)行，打底焊道完成后直接進(jìn)行填充焊接，焊縫連續(xù)一次完成。

3）熄弧時(shí)根據(jù)電流相應(yīng)，調(diào)整電流的衰減來(lái)延時(shí)斷氣（控制在3 s 以上）后噴嘴緩慢退出熔池。收弧時(shí)機(jī)器人設(shè)定良好工藝，自動(dòng)識(shí)別收弧方法，保證填滿弧坑。

4 試驗(yàn)分析結(jié)果

4.1 無(wú)損檢驗(yàn)

焊接全部結(jié)束后，進(jìn)行外觀檢查。咬邊、表面氣孔、裂紋、夾渣等缺陷焊縫區(qū)均未發(fā)現(xiàn)，焊縫余高1.0 mm 左右。焊接區(qū)域圓滑過(guò)渡，成型較好；經(jīng)RT 探傷也未發(fā)現(xiàn)缺陷，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[6]。

4.2 拉伸試驗(yàn)

強(qiáng)度試驗(yàn)采用WE-100 型電液式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該是采用了液壓動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，采用智能測(cè)控儀表對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理，其由主機(jī)、供油動(dòng)力系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控儀、試驗(yàn)機(jī)具等部分組成，MAX 試驗(yàn)力可以達(dá)到100 kN，準(zhǔn)確度大于1 級(jí)。WE-100B 型電液式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)可以滿足國(guó)家級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，不同材料或產(chǎn)品的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等可由其完成。

拉伸試驗(yàn)將拉伸試樣固定在WE-100 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)機(jī)器測(cè)量為2%～100%FS，試驗(yàn)力測(cè)量準(zhǔn)確度±1%。通過(guò)構(gòu)件兩端施加應(yīng)力，直到構(gòu)件延長(zhǎng)度方向破斷為止，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.3 彎曲試驗(yàn)

焊接后承受變形能力是此試驗(yàn)的目的，試驗(yàn)機(jī)放置焊接好的構(gòu)件進(jìn)行彎曲。按照規(guī)范要求，取不小于4 個(gè)側(cè)彎試樣，施加63.5 mm 壓頭直徑進(jìn)行試驗(yàn)，彎曲180°，在施加應(yīng)力后試樣表面無(wú)裂紋，且無(wú)長(zhǎng)度大于3 mm 的裂紋缺陷，其試驗(yàn)結(jié)果滿足要求[7]。

4.4 沖擊試驗(yàn)

將加工試塊安裝在JB-30B 沖擊試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)施加外界沖擊力使得結(jié)合面的標(biāo)價(jià)處發(fā)生破斷，通過(guò)變形處單位面積上所產(chǎn)生的沖擊力來(lái)，間接計(jì)算出焊接接頭的沖擊力，試驗(yàn)中建議采用?46℃的夏比型沖擊，取樣區(qū)域在距焊縫表面2 mm，分別列出焊縫中心以及距離熔合線0 mm、1 mm、2 mm、5 mm處，試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

沖擊結(jié)果分析出試件焊接位置性能滿足規(guī)范要求。

4.5 宏觀及硬度試驗(yàn)

1）宏觀部分的焊接檢查發(fā)現(xiàn)完全焊透中沒(méi)有裂紋缺陷等問(wèn)題。

2）焊接接頭焊縫金屬的熱影響區(qū)和母材的硬度測(cè)量，硬度值如表7 所示。

表7 硬度試驗(yàn)結(jié)果

4.6 腐蝕試驗(yàn)

按照ASTM G48 A要求，對(duì)試樣在試驗(yàn)溫度為40℃條件下進(jìn)行24 h 腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果在20X 未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)腐蝕，腐蝕率0.39 g/m2，滿足要求。

4.7 鐵素體含量測(cè)量

按照ASTM E562-11 測(cè)定方法對(duì)試樣進(jìn)行鐵素體含量測(cè)量[8]，測(cè)量結(jié)果如表7 所示。

5 結(jié)論

大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司通過(guò)利用智能焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用，開(kāi)展智能鎢極氬弧焊焊接S32750 鋼，并在合理焊接工藝條件要求下，試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)說(shuō)明智能焊接完全可以達(dá)到人工施焊要求，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累，逐步對(duì)試驗(yàn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)掌握和分析，基本掌握了S32750 鋼的弧焊機(jī)械機(jī)器人智能化鎢極氬弧焊焊接技術(shù)，為今后指導(dǎo)生產(chǎn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

表7 鐵素體檢測(cè)結(jié)果

中國(guó)勞動(dòng)成本的上升，低價(jià)勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)逐漸消失，以舊的經(jīng)營(yíng)方式將不可能持續(xù)推進(jìn)“中國(guó)制造”的快速發(fā)展，這使得越來(lái)越多的加工制造企業(yè)發(fā)展焊接機(jī)器人技術(shù)。焊接機(jī)器人不應(yīng)該再是制造領(lǐng)域中的奢侈品，應(yīng)該讓焊接機(jī)器人逐漸走入“平常百姓家”。因此，將通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，努力突破機(jī)器人焊接智能關(guān)鍵技術(shù)，使得“奢侈”的焊接機(jī)器人技術(shù)可以在工業(yè)基層中得到廣泛的應(yīng)用。