機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)在海洋鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

王超，梁杰，權(quán)軍

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

1 序言

機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、施工效率高及人工成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車(chē)制造、精密儀器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)形式及焊縫位置復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)服役條件比較惡劣，與普通鋼結(jié)構(gòu)相比，海洋工程鋼結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫的綜合力學(xué)性能及質(zhì)量要求較高[1]。目前受諸多條件限制，海洋工程鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域普遍采用手工焊、半自動(dòng)焊等工藝。

隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)的迅猛發(fā)展，海洋石油平臺(tái)組塊、導(dǎo)管架等海洋鋼結(jié)構(gòu)建造越來(lái)越多，隨著人力成本的不斷上漲，為了緩解日益加重的海洋工程鋼結(jié)構(gòu)制造壓力并適應(yīng)海洋石油工業(yè)快速發(fā)展的需要，研究高效自動(dòng)化機(jī)器人焊接系統(tǒng)顯得尤為重要。相比傳統(tǒng)工藝，通過(guò)采用智能化、自動(dòng)化機(jī)器人焊接系統(tǒng)，在保證焊縫性能的同時(shí)，降低了人員技能水平對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，減少了人力投入，同時(shí)也大幅度提高了施工效率。

2 機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)通常由機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分組成。機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成，而焊接設(shè)備由焊接電源（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）及焊槍?zhuān)ㄣQ）等部分組成。

機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

（1）可以提高生產(chǎn)效率 機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接響應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)作迅速、操作精準(zhǔn)，焊接速度在5～50mm/s之間，焊接效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)工藝[2]。

（2）可以提高焊接質(zhì)量 機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)在焊接過(guò)程中，提前校定設(shè)備后，只需設(shè)定合適的焊接參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡，焊接過(guò)程中各焊接參數(shù)完全按設(shè)定程序執(zhí)行，避免人工操作時(shí)焊接速度、焊絲干伸長(zhǎng)等參數(shù)受人為因素影響，從而提高了焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

（3）可降低施工成本 由于海洋石油平臺(tái)和導(dǎo)管架等都是大型的鋼結(jié)構(gòu)，它的建造是一個(gè)長(zhǎng)期而繁重的工作，故需要投入大量的人力，而通過(guò)采用機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)，由機(jī)器人代替施工人員操作，可大幅度降低人力成本。

3 機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)在海洋鋼結(jié)構(gòu)施工中的難點(diǎn)分析及解決措施

3.1 海洋鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

海洋鋼結(jié)構(gòu)因服役地點(diǎn)在海上，常年被含鹽的大氣包圍，要經(jīng)受風(fēng)暴、涌浪、潮流等的侵蝕，處于非常嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中，且由于天然氣、石油等具有易燃易爆及腐蝕性，因此對(duì)海洋工程鋼結(jié)構(gòu)材料、焊縫性能及無(wú)損檢測(cè)要求較高。

3.2 應(yīng)用難點(diǎn)分析

目前，市場(chǎng)主流焊接機(jī)器人設(shè)備受焊縫軌跡修正系統(tǒng)和電弧跟蹤系統(tǒng)的影響，要求焊縫軌跡具有規(guī)則性，且無(wú)損檢測(cè)等級(jí)較低。但由于海洋鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，一般主結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)等級(jí)為UT一級(jí)，且結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，其中較具代表性的結(jié)構(gòu)是插入式主吊點(diǎn)（見(jiàn)圖1）、筒體加強(qiáng)環(huán)（見(jiàn)圖2）等。受結(jié)構(gòu)形式的限制，焊縫軌跡復(fù)雜并且對(duì)無(wú)損檢測(cè)等級(jí)要求較高，因此限制了機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖1 插入式主吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖2 筒體加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)

3.3 解決方案

（1）調(diào)整焊縫軌跡 以海洋鋼結(jié)構(gòu)插入式主吊點(diǎn)為例，針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)應(yīng)用難題，經(jīng)研究分析，增設(shè)工件變位機(jī)（見(jiàn)圖3）。通過(guò)變位機(jī)加持工件變位，調(diào)整焊縫軌跡始終處于1G船形焊縫位置，可解決海洋鋼結(jié)構(gòu)焊縫軌跡復(fù)雜等問(wèn)題對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，大幅度提高焊縫質(zhì)量。

圖3 工件變位機(jī)

（2）跟蹤焊縫軌跡 由于海洋鋼結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，造成焊件位置外形尺寸的偏差，因此焊縫軌跡具有多樣性，為此需要為焊接機(jī)器人設(shè)置接觸尋位系統(tǒng)。通過(guò)焊絲或焊槍噴嘴，尋找正確的焊縫位置，再通過(guò)機(jī)器人的絕對(duì)位置編碼器，實(shí)時(shí)記憶焊槍在空間的位置和角度。當(dāng)焊接機(jī)器人按照設(shè)定的程序使帶電的焊絲或噴嘴接觸到工件時(shí)，焊絲和工件之間的短路將引起電壓降，控制系統(tǒng)接受到電壓降信號(hào)時(shí)，會(huì)比較當(dāng)前位置與示教位置的信息，計(jì)算出偏移量，再通過(guò)偏移量進(jìn)行位置修正，以獲得正確的焊接軌跡，從而解決了機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式工件的適用性問(wèn)題。

（3）焊接參數(shù)跟蹤控制 在機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接過(guò)程中，機(jī)器人焊槍沿著焊縫橫向擺動(dòng)。為了保證焊接參數(shù)的穩(wěn)定性，增設(shè)弧壓跟蹤系統(tǒng)，在焊槍擺動(dòng)過(guò)程中，焊絲干伸長(zhǎng)在焊縫中間位置與在焊縫兩邊時(shí)是不一樣的。由于干伸長(zhǎng)的不同，因此實(shí)際的焊接電流也不同。干伸長(zhǎng)越長(zhǎng)，實(shí)際電流就越??；干伸長(zhǎng)越短，實(shí)際電流就越大。利用這個(gè)原理，焊縫跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理檢測(cè)到的電流變化、焊槍所處的位置，從而修正機(jī)器人焊槍的實(shí)際軌跡，保證軌跡中心線(xiàn)始終在坡口中間，也就是說(shuō)在角焊縫的45°位置線(xiàn)上，保證了焊接過(guò)程中焊接電流、電弧電壓等焊接參數(shù)的穩(wěn)定性，從而保證了焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性。

4 焊接試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用了海洋工程領(lǐng)域普遍應(yīng)用的船用鋼EH36-Z35（GB/T 712—2011)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能（據(jù)材質(zhì)證書(shū)）分別見(jiàn)表1、表2。焊絲型號(hào)為焊接生產(chǎn)中常用的JM-58，焊絲直徑為1.2mm，保護(hù)氣體為CO2。

表1 EH36-Z35鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 EH36-Z35鋼板的力學(xué)性能

表2 EH36-Z35鋼板的力學(xué)性能

屈服強(qiáng)度images/BZ_22_1464_2918_1467_2923.png/MPa沖擊吸收能量（-40℃）/J抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率（%）382 523 30 224、225

4.2 坡口形式

坡口形式的選擇根據(jù)海洋鋼結(jié)構(gòu)而定，本次焊接試驗(yàn)主要針對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)插入式主吊點(diǎn)焊接，因此試件加工規(guī)格為400mm×1000mm，采用單V形坡口形式，如圖4所示。

圖4 25mm、45mm厚板坡口形式

4.3 焊接參數(shù)

試驗(yàn)機(jī)器人焊接系統(tǒng)采用C O2氣體保護(hù)焊工藝，按照AWS D1.1施工標(biāo)準(zhǔn)。焊絲為AWS ER70S-G、φ1.2 mm，保護(hù)氣體為100%CO2，氣體流量為15～25L/min。焊接采用高度集成的數(shù)字化控制系統(tǒng)，在焊接之前編制焊接程序，在焊接時(shí)不需要調(diào)節(jié)參數(shù)，極大地降低了操作難度，也減少了焊工對(duì)焊接過(guò)程的干擾。

（1）封底焊接 由于海洋鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)等級(jí)為UT一級(jí)，對(duì)于封底焊接要求非常高，受坡口精度及組對(duì)精度的限制，目前的機(jī)器人焊接系統(tǒng)很難達(dá)到要求，因此封底焊接采用焊條電弧焊工藝，焊材采用LB-52U焊條、φ3.2mm，焊接參數(shù)選取原則為在保證封底焊接質(zhì)量的同時(shí)，能夠兼顧C(jī)O2焊接機(jī)器人填充、蓋面需求。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，選取的封底焊焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 封底焊焊接參數(shù)

（2）焊接熱輸入 焊接熱輸入是影響焊接熱循環(huán)的主要因素，當(dāng)焊接材料及焊接方法一定時(shí)，焊接接頭的組織和性能主要取決于焊接熱輸入的大小，若焊接熱輸入不合適，將導(dǎo)致接頭性能惡化。因此需要嚴(yán)格控制焊接熱輸入，通過(guò)大量試驗(yàn)，找到熱輸入與力學(xué)性能的平衡點(diǎn)。

（3）電弧電壓 焊接時(shí)的電弧電壓對(duì)焊縫熔寬的影響很大，在焊接過(guò)程中需要嚴(yán)格控制好電弧電壓，防止焊縫蓋面超寬。

經(jīng)大量試驗(yàn)，機(jī)器人焊接參數(shù)見(jiàn)表4。選定實(shí)芯焊絲作為填充材料，可改善作業(yè)環(huán)境，同時(shí)實(shí)芯焊絲在焊接過(guò)程中不用清渣，可有效提高效率。但在前期試驗(yàn)摸索中，發(fā)現(xiàn)用小參數(shù)后直邊坡口側(cè)熔合較差，后通過(guò)大量試驗(yàn)、反復(fù)摸索，使用大電流較好地解決了坡口直邊側(cè)壁熔合較差的問(wèn)題，經(jīng)力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，沖擊韌度也可滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表4 機(jī)器人焊接參數(shù)

4.4 外觀(guān)及無(wú)損檢測(cè)

按照AWS D1.1—2015標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接完成48h后進(jìn)行超聲波和磁粉檢測(cè)，結(jié)果全部合格。對(duì)焊縫外觀(guān)質(zhì)量檢查，無(wú)表面氣孔、夾渣、咬邊及裂紋等缺陷，焊縫成形均勻美觀(guān)。

（1）外觀(guān)檢測(cè) 通過(guò)對(duì)機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)完成的試件進(jìn)行外觀(guān)檢測(cè)，外觀(guān)成形如圖5、圖6所示，機(jī)器人自動(dòng)焊蓋面外觀(guān)成形美觀(guān)，不存在咬邊、余高超標(biāo)等缺陷。

圖5 試驗(yàn)件外觀(guān)

圖6 吊耳填角焊試驗(yàn)件外觀(guān)

（2）無(wú)損檢測(cè) 在外觀(guān)檢測(cè)合格的前提下，對(duì)PL25、PL45機(jī)器人自動(dòng)焊全熔透焊試件進(jìn)行了MT和UT檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5、表6，根據(jù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1/D1.1M，檢測(cè)結(jié)果合格。

表5 MT檢測(cè)結(jié)果

表6 UT檢測(cè)結(jié)果

5 性能試驗(yàn)及結(jié)果

本次力學(xué)性能試驗(yàn)根據(jù)海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的AWS D1.1—2008標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了低溫沖擊試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、側(cè)彎試驗(yàn)和焊縫宏觀(guān)及硬度測(cè)試，各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）橫向拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度滿(mǎn)足≥490MPa技術(shù)要求。

表7 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（2）側(cè)面彎曲試驗(yàn) 對(duì)S-430和S-431兩個(gè)焊件均沿厚度方向分別截取4個(gè)彎曲試樣，進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)條件為壓頭直徑50.8mm，彎曲角180°。接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示無(wú)缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)在-40℃的條件下進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表8。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單個(gè)沖擊吸收能量≥34J，沖擊吸收能量平均值≥50J，焊縫及熱影響區(qū)沖擊性能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)在-40℃下的技術(shù)要求。

表8 -40℃焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

（4）宏觀(guān)檢測(cè) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1—2015的要求，進(jìn)行焊接接頭的宏觀(guān)檢測(cè)，通過(guò)肉眼和10倍放大鏡檢查，整個(gè)焊縫斷口宏觀(guān)組織未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)缺陷，宏觀(guān)照片如圖7所示。

（5）硬度試驗(yàn) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92的要求，進(jìn)行焊接接頭的硬度試驗(yàn)，硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，取點(diǎn)位置如圖8所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各個(gè)位置硬度值均＜325HV10，符合技術(shù)要求。

圖7 焊接接頭宏觀(guān)照片

表9 硬度試驗(yàn)結(jié)果 （HV10）

圖8 硬度打點(diǎn)取樣位置

6 結(jié)束語(yǔ)

以上各項(xiàng)試驗(yàn)和解決方案充分說(shuō)明，通過(guò)加裝變位工裝調(diào)整工件焊縫位置并選擇合適的焊接參數(shù)，由機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接的試件完全符合AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接接頭具有良好的強(qiáng)度及韌性，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果能夠滿(mǎn)足海洋鋼結(jié)構(gòu)要求，因此機(jī)器人自動(dòng)焊系統(tǒng)可以在海洋鋼結(jié)構(gòu)施工中推廣應(yīng)用。