船體小組立智能焊接機(jī)器人國產(chǎn)有縫藥芯焊絲應(yīng)用研究

李超 ，沈劍，徐忠敏

1.上海外高橋造船有限公司 上海 200137

2.中國船級社上海分社 上海 200135

1 序言

隨著科技及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)都在發(fā)生深層次的變革。目前，在汽車、工程機(jī)械等行業(yè)，智能焊接機(jī)器人應(yīng)用較為成熟，主要原因是以上行業(yè)的構(gòu)件大多是標(biāo)準(zhǔn)件并且尺寸較小，普通的“示教-再現(xiàn)”機(jī)器人就可以組成自動(dòng)焊接系統(tǒng)。而船舶構(gòu)件因尺寸大、非標(biāo)準(zhǔn)件等條件限制著智能化焊接的發(fā)展，組成自動(dòng)化流水線的難度更大。在造船過程中，小組立構(gòu)件是船舶結(jié)構(gòu)中最基礎(chǔ)的零件單元，比如肋板、肘板及縱桁等，如圖1所示。因?yàn)樾〗M立數(shù)量較多，尺寸較小，且結(jié)構(gòu)相對簡單，所以有先決條件研究機(jī)器人焊接對其的適用性。

圖1 小組立典型構(gòu)件

機(jī)器人在執(zhí)行尋位、焊接和清槍等操作時(shí)，需要機(jī)械臂頻繁的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)會帶動(dòng)焊絲扭動(dòng)，如果采用有縫藥芯焊絲，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，可能會出現(xiàn)因藥粉泄漏而堵住送絲軟管的情況，因此焊接過程中大都采用進(jìn)口無縫藥芯焊絲。無縫藥芯焊絲較普通藥芯焊絲具有更高的抗吸潮能力，可獲得氫含量更低的焊縫，并且可以通過鍍銅來延長焊絲存放時(shí)間[1]。然而進(jìn)口無縫藥芯焊絲的成本是國產(chǎn)有縫藥芯焊絲的3～4倍，如流水線大面積使用后生產(chǎn)成本較高。因此，本文對國產(chǎn)有縫藥芯焊絲在智能焊接機(jī)器人上的適應(yīng)性進(jìn)行了研究和調(diào)試，通過預(yù)試驗(yàn)的方法確定了工藝參數(shù)并進(jìn)行正式的工藝評定，最終得到了第三方認(rèn)可的工藝文件并指導(dǎo)生產(chǎn)。

2 試驗(yàn)設(shè)備及材料

（1）機(jī)器人焊接系統(tǒng) 試驗(yàn)采用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)是Inrotech公司的集成系統(tǒng)，在移動(dòng)式門架下倒裝有2臺焊接機(jī)器人， 機(jī)器人型號為MPWR21226，如圖2所示。其核心是擁有自適應(yīng)邏輯編程技術(shù)（ALPT），能對線激光掃描后獲得的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析并進(jìn)行焊接路徑智能規(guī)劃。該系統(tǒng)采用點(diǎn)激光傳感進(jìn)行尋位及定位，相對觸碰尋位更加高效及精確。焊接機(jī)器人的廣泛應(yīng)用也將會是未來以船舶行業(yè)為代表的大型鋼架結(jié)構(gòu)件焊接生產(chǎn)的主流趨勢[2]。

圖2 MPWR21226焊接機(jī)器人系統(tǒng)

（2）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)主要采用CO2氣體保護(hù)焊，該方法作為一種高效焊接工藝，具有生產(chǎn)率高，綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，在造船企業(yè)應(yīng)用廣泛。此系統(tǒng)可焊接平角焊和立角焊，本文主要針對平角焊進(jìn)行研究。選用的焊絲為鐵錨YCJ501-1，可焊接所有小組立的鋼板等級。焊絲的等級為AWS A5.20 E71T-1，船級社認(rèn)可級別為ⅢY。腹板和面板均采用了厚度為17.5mm 的DH36鋼板，尺寸為200mm×1000mm×17.5mm。母材和焊材的化學(xué)成分見表1。

表1 母材和焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 機(jī)器人有縫藥芯焊絲焊接工藝研究

3.1 焊接參數(shù)研究

（1）焊槍角度對焊縫成形的影響 平角焊是相對理想的焊接位置，特別是小焊腳為5～6mm時(shí)，熔滴的重力對熔池影響不大，因此可以得到上下焊腳較為對稱的成形效果，再匹配合適的焊接電流、電弧電壓則可以避免咬邊等缺陷。因此，焊槍與腹板及面板的夾角可設(shè)置成45°，這樣可使熔深達(dá)到最佳狀態(tài)。同時(shí)焊槍在焊縫方向的傾角對焊縫成形有顯著影響。為了提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人會自動(dòng)規(guī)劃最佳焊接路徑，因此焊接過程中焊接電弧會從右端向左端移動(dòng)，也會從左往右移動(dòng)。為了保證焊縫成形及焊腳大小的一致性，焊槍和焊縫的夾角均為90°。焊槍與面板及腹板的夾角如圖3所示。

圖3 焊槍與面板及腹板的夾角

（2）焊槍擺動(dòng)幅度、停留時(shí)間的確定 當(dāng)焊腳較小時(shí)，焊絲可以直線行進(jìn)或小幅度擺動(dòng)。當(dāng)焊腳為6mm時(shí)，需采用鋸齒形擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率控制在3.5Hz。擺動(dòng)幅度的大小主要取決于焊腳的大小，針對本次試驗(yàn)的焊腳，擺動(dòng)幅度基本控制在2mm左右。而擺動(dòng)過程中，焊絲到達(dá)兩側(cè)時(shí)，應(yīng)稍作停留，這樣可以保證熔池和母材達(dá)到充分的熔合。但停留時(shí)間也不能過長，如果過長會產(chǎn)生焊瘤等缺陷。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，得出兩邊停留時(shí)間在0.02s為宜。

（3）焊接電流、電弧電壓對焊縫的影響 焊接電流是重要的工藝參數(shù)，焊接電流較大時(shí)，焊材的熔化量會變多，填充效率會增加，同時(shí)也會增加電弧的穿透能力，使得熔深相應(yīng)增加。但是電流過大也會導(dǎo)致咬邊、燒穿及余高過高等缺陷。當(dāng)采用大參數(shù)焊接時(shí)，焊接速度也越大，晶粒主軸成長方向會垂直于焊縫中心，在焊縫中心易形成脆弱的結(jié)合面，從而給焊接裂紋的出現(xiàn)創(chuàng)造條件；當(dāng)采用小參數(shù)焊接時(shí)，電弧的運(yùn)弧過程起到充分的攪拌作用，使熔池的溫度場比較均勻，從而可減緩晶粒成長速度，避免粗大柱狀晶體的形成和生長，同時(shí)有利于焊接冶金反應(yīng)的充分進(jìn)行，有利于夾雜物熔渣及氣體的上浮和逸出[3]。另外，電弧電壓的大小對焊縫的成形、熔滴過渡形式及飛濺等都有顯著影響。因此，合適的焊接電流既要滿足成形和焊縫的力學(xué)性能，也要兼顧生產(chǎn)的效率問題。本試驗(yàn)采用φ1.4mm焊絲，在保證質(zhì)量的前提下可在一定程度上提高生產(chǎn)效率，輔以合理的焊接電流、電弧電壓值即可得到滿意的焊縫性能。

3.2 工藝評定

（1）試板的裝配及準(zhǔn)備 焊接工藝評定之前需要對試驗(yàn)用鋼板進(jìn)行組對定位裝配焊接，主要是為了防止面板和腹板在焊接時(shí)產(chǎn)生變形而影響到焊接試驗(yàn)的質(zhì)量。裝配間隙為0～1mm（見圖4）。

在試驗(yàn)之前還需對試驗(yàn)用的材料、設(shè)備及環(huán)境等因素進(jìn)行檢查及準(zhǔn)備工作。

1）清理待焊區(qū)域的污物、銹跡及氧化皮等對焊接質(zhì)量有害的物質(zhì)。

圖4 試樣裝配

2）檢查機(jī)器人系統(tǒng)的電源、線路，確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性和可達(dá)性是否滿足試驗(yàn)要求。

3）確保試驗(yàn)用焊接材料的干燥，保護(hù)氣體流量穩(wěn)定。

4）當(dāng)風(fēng)力較大時(shí)，需要采取一定的擋風(fēng)措施。

（2）焊接過程與焊接參數(shù) 經(jīng)過前期一系列的試驗(yàn)，已經(jīng)摸索出成形優(yōu)良、效率較高的焊接參數(shù)，待工藝評定進(jìn)一步檢測焊縫的力學(xué)性能。工藝評定的焊接參數(shù)見表2。焊后焊縫的表面成形光順（見圖5），焊腳控制在6mm左右，根據(jù)船級社規(guī)定的焊腳的覆蓋范圍，可基本覆蓋現(xiàn)有產(chǎn)品的單道焊腳范圍。

圖5 焊縫的表面成形

（3）試驗(yàn)檢測及分析，相關(guān)檢測分析如下：

1）無損檢測：按ISO 5817 規(guī)范，進(jìn)行目視及MT檢測，均100%合格。試驗(yàn)證明，用國產(chǎn)有縫藥芯焊絲焊接，表面成形光順，相比進(jìn)口無縫藥芯焊絲并沒有降低表面質(zhì)量，說明國產(chǎn)有縫藥芯焊絲可以滿足成形方面的要求。

2）角焊縫破斷試驗(yàn)：破斷試驗(yàn)采用LWW-500連續(xù)彎曲試驗(yàn)機(jī)，檢測方法根據(jù)CB/T 3692—2016，結(jié)果顯示焊縫內(nèi)無夾雜、氣孔等缺陷，破斷檢測合格。通常在雙面角焊過程中，容易造成氣孔現(xiàn)象的產(chǎn)生，但本次試驗(yàn)折斷后焊縫內(nèi)部沒有存在氣孔等缺陷，因此證明國產(chǎn)有縫藥芯焊絲抗氣孔等性能滿足要求。

3）硬度檢測：采用FLC-50MV/ARS9000型全自動(dòng)維氏硬度測試系統(tǒng)，檢測方法按照CB/T 3770—2013執(zhí)行，打點(diǎn)位置根據(jù)CCS船級社規(guī)范進(jìn)行，如圖6所示。硬度檢測顯示各位置硬度值均較低，船級社規(guī)范規(guī)定的硬度值不可超過350HV10，可見硬度檢測合格，具體見表3。

4）宏觀檢測：宏觀檢測采用EPIPHO型尼康倒置式金相顯微鏡系統(tǒng)下的體視顯微鏡，按照CB/T 3380—2013檢測方法執(zhí)行。結(jié)果顯示，焊縫熔深較為理想，同時(shí)焊縫沒有夾雜、氣孔及未焊透等缺陷，宏觀檢測合格（見圖7）。

表2 工藝評定的焊接參數(shù)

表3 各位置硬度值 （HV10）

圖6 硬度打點(diǎn)位置（左右兩側(cè)相同）

圖7 宏觀照片

4 結(jié)束語

1）目前主流的機(jī)器人焊絲采用的是無縫藥芯焊絲，本項(xiàng)目通過國產(chǎn)有縫藥芯焊絲在智能機(jī)器人的工藝研究及評定，得到了船級社認(rèn)可的工藝評定。經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐證明，國產(chǎn)有縫藥芯焊絲可以有效地代替成本較高的進(jìn)口無縫藥芯焊絲。使用過程中并未出現(xiàn)焊絲開裂、藥粉堵塞送絲軟管等現(xiàn)象。目前，該工藝已在上海外高橋造船有限公司在建民船項(xiàng)目中的小組立構(gòu)件上普遍使用，月消耗焊材量約2.5t，節(jié)約了采購成本。

2）為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，在保證質(zhì)量的前提下將焊接電流設(shè)定為340A，焊接速度控制在520mm/min，焊接效率比原φ1.2mm焊絲有一定提升。目前，該機(jī)器人焊接系統(tǒng)單班次（8h）生產(chǎn)物量達(dá)200m。同時(shí)機(jī)器人相對人工焊接更加穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了焊縫質(zhì)量，焊縫的合格率接近100%，減少了返修成本。

3）在試驗(yàn)過程中總結(jié)出了對焊縫成形影響較大的因素，如焊槍的角度，焊槍的擺幅應(yīng)控制為2mm，兩側(cè)停留時(shí)間為0.02s，頻率設(shè)定為3.5Hz。本工藝焊接電流為320～340A，電弧電壓為31～33V，焊接速度為500～560mm/min，焊接熱輸入為0.87～1.44 kJ/mm，可得到成形良好、無缺陷的焊縫。同時(shí)，此工藝得到了船級社的認(rèn)可，在上海外高橋造船有限公司在建散貨船、油船等項(xiàng)目上已長期穩(wěn)定使用。