薄板拼接激光-電弧復(fù)合焊工藝研究

汪彥鈞

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200090)

激光-電弧復(fù)合焊能更完美地滿足郵輪建造技術(shù)要求，已在我國船舶建造領(lǐng)域開始應(yīng)用，但國產(chǎn)配套生產(chǎn)設(shè)備仍然極少，且智能化程度嚴(yán)重不足。由于郵輪整體艙室占船體結(jié)構(gòu)比例大，占整個(gè)船舶約23，其使用材料厚度以4～10 mm薄板為主，和常規(guī)船舶有較大差異，故大型郵輪的生產(chǎn)建造流程不同于常規(guī)船舶的建造流程，需要重點(diǎn)考慮薄板加工變形量難以控制的特性，配置薄板專用生產(chǎn)裝置(包括薄板的校正、預(yù)處理、切割、焊接、分段翻身等)，建立薄板智能生產(chǎn)線，充分發(fā)揮自動化、智能化設(shè)備的生產(chǎn)能力，最大化節(jié)約建造工時(shí)和工人工作量，推進(jìn)智能化在船廠內(nèi)的推廣速度。

目前大型郵輪建造企業(yè)采用的薄板平面分段生產(chǎn)線大多出自國外企業(yè)，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)尚不成熟，僅無錫華聯(lián)為中集來福士提供過一條生產(chǎn)線，但質(zhì)量、效率以及智能化程度等各方面仍有欠缺，船廠仍大多以采購國外產(chǎn)品為主。本文以生產(chǎn)線中的拼板工位為突破口，研究探討其部分關(guān)鍵技術(shù)，旨在自主研發(fā)更有效的國產(chǎn)替代品，為大型郵輪建造做好基礎(chǔ)服務(wù)。

1 薄板激光-電弧復(fù)合焊工藝概述

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是將激光熱源和作為第二熱源的電弧復(fù)合起來作用在同一熔池上，彌補(bǔ)單熱源焊接工藝的不足，電弧焊提高焊縫搭橋能力，增強(qiáng)激光焊對工件裝配誤差變化的適應(yīng)性，通過電弧對工件的預(yù)熱以及電弧吹力等作用，加大焊接熔深，增強(qiáng)材料對激光的吸收，激光束可穩(wěn)定電弧，減小飛濺，改善焊縫成形。通過兩種方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，激光-電弧復(fù)合焊接達(dá)到1+1>2的效果[1]。該焊接工藝也是新型船體焊接工藝，在單純激光焊的基礎(chǔ)上，增加了MIGMAG焊填充，從而在焊接速度和厚度上彌補(bǔ)激光焊的缺點(diǎn)，同時(shí)兼有激光焊熱輸入量小、變形小、成形好、工藝速度快、不用翻身等特點(diǎn)，相對傳統(tǒng)的薄板焊接具有一定的優(yōu)勢。

郵輪薄板激光-電弧復(fù)合焊利用激光焊打底，GMAW填充，相對傳統(tǒng)薄板焊接工藝，焊接耗能少，焊縫質(zhì)量好，省去了翻身所需的工裝和能量消耗，綜合能源利用效率大幅提升。根據(jù)復(fù)合焊接的特性，適用于平直構(gòu)件水平焊接，結(jié)合郵輪船型特點(diǎn)，可將其應(yīng)用到薄板平面分段的拼板裝配和縱骨裝焊，替代原來的CO2氣體保護(hù)焊等工藝，解決了薄型板材焊接熱變形過大的難題。在郵輪制造行業(yè)，該技術(shù)率先被邁爾船廠采用，芬坎蒂尼船廠等迅速跟進(jìn)，國內(nèi)上海外高橋造船有限公司、招商重工、廣船國際等也吸收了這些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，以激光復(fù)合焊來保證我國造船世界一流的行業(yè)水平，保障了國產(chǎn)大型郵輪的順利生產(chǎn)。

以某郵輪為例，其薄板分段最大尺度為長35 m×寬18 m×高4 m，平面分段生產(chǎn)線組織形式及工位配置如圖1，包括激光拼板、縱骨激光焊等工位[2]，拼板對接焊使用激光復(fù)合焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，T型材、艙壁板的角焊引入機(jī)器人焊接系統(tǒng)，以激光復(fù)合焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)單次拼板厚度14 mm，厚度更大則借由增加焊槍及填充量的形式實(shí)現(xiàn)。

圖1 郵輪薄板平面分段生產(chǎn)線工位配置

生產(chǎn)線中，拼板工位用于薄板的對接焊作業(yè)，形成平面板列，其總體工藝要求為：

(1)板列焊接采用單道單面焊雙面成形的激光復(fù)合焊焊接工藝，焊前自動銑平鋼板焊接面。

(3)厚度差方向?yàn)槠窗宓撞?，最大板厚差?2 mm(板厚差>1 mm，較厚板拼接時(shí)的最大斜坡長度應(yīng)為厚度差的4倍)。

激光復(fù)合焊拼板設(shè)備一個(gè)班次可完成12條板厚10 mm、板長16 m典型工件的完整焊縫。

2 對接焊參數(shù)分析

針對郵輪薄板激光-電弧復(fù)合焊工藝，通過不同焊接工藝試驗(yàn)，對薄板拼板對接焊所需控制的技術(shù)及其參數(shù)進(jìn)行研究，以建立最佳可控的復(fù)合焊焊接工藝參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)[3]，找到不同工件的最優(yōu)焊接方式。

試驗(yàn)使用激光器為10 kW、IPGIPGIPG-10000多模光纖激器，芯直徑為0.4 mm，焊接頭為YW52激光焊接頭，準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡焦長200 mm，聚焦鏡長300 mm，焦斑直徑為0.6 mm?；『鸽娫春退徒z機(jī)分別為Fronius TPS4000型和Fronius VR1500型，運(yùn)動機(jī)構(gòu)為KUKA KR60HA機(jī)器人。焊接試板厚度為5 mm(等級A、AH36)、10 mm(等級A)材料的復(fù)合焊對接頭均采用單道焊透、雙面成形的方式進(jìn)行焊接試驗(yàn)，均不開坡口。

試驗(yàn)對比了不同氣體流量比、不同引導(dǎo)方式、送絲速度、焊槍夾角等參數(shù)的影響，檢驗(yàn)不同焊縫形貌，得出以下結(jié)論：

(1)5 mm板的復(fù)合焊對接開展邊界條件為：激光功率介于5000～7000 W，焊接速度介于30～40 mms，送絲速度介于7.5～9.5 mmin，電壓介于24.6～27.4 V，電流介于222～298 A。

(2)5 mm板的復(fù)合焊對接最佳參數(shù)為：采用電弧引導(dǎo)激光方式(M-L)，焊槍與水平方向夾角為60°，激光功率為6000 W，焊接速度為30 mms，送絲速度為8.5 mmin，電壓為26.1 V，電流為265 A。

(3)10 mm板的復(fù)合焊對接開展邊界條件為：激光功率介于8200～9700 W，焊接速度介于20 ～30 mms，送絲速度介于7～10 mmin，電壓介于 23.8～27. 9 V ，電流介于200～311 A。

(4)10 mm板的復(fù)合焊對接最佳參數(shù)為：采用電弧引導(dǎo)激光方式(M-L)，焊槍與水平方向夾角為60°，激光功率為9200 W，焊接速度為20 mms，送絲速度為9 mmin，電壓為26.8 V，電流為286 A。

按以上焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)板試驗(yàn)，焊縫長2 m，焊前對工件機(jī)加銑邊，工裝多點(diǎn)固定，兩端分別加引弧板和熄弧板。焊后測量變形量：5 mm板的激光復(fù)合焊對接，變形量為0.5 mm；10 mm板的激光復(fù)合焊對接，變形量為1 mm，拼板完成后，變形量均小于船廠要求的兩條焊縫間的平面最大變形量5 mm3 m。圖2為選擇出的參數(shù)最優(yōu)焊接樣品焊縫截面形貌。

圖2 5mm10mm板對接laser-MAG復(fù)合焊截面形貌

試驗(yàn)同時(shí)也采用MAG焊方式進(jìn)行，通過數(shù)據(jù)對比，可看出同等規(guī)格大小的板材在對接拼焊時(shí)，復(fù)合焊變形量較MAG焊變形量更小，僅為MAG焊變形量的50%～67%。因此，選擇復(fù)合焊更有利于減小焊接變形。

同時(shí)，為了獲取成形與性能俱佳的焊縫，激光MAG復(fù)合焊必須兼顧MAG焊，因而速度不能隨功率遞增太大，但在同等板厚材料、同種接頭形式下，焊接同等長度的焊縫，復(fù)合焊所需要時(shí)間遠(yuǎn)小于MAG焊。

在同等板厚材料、同種接頭形式下，復(fù)合焊所需要的焊絲長度遠(yuǎn)小于MAG焊。復(fù)合焊的焊材成本較MAG焊低，氣體成本也較MAG焊低。傳統(tǒng)MAG焊的設(shè)備主要減少了激光器的投入，激光焊初期投入高，但要達(dá)到同樣焊接效率至少需3～5臺MAG焊機(jī)才能達(dá)到一臺激光MAG復(fù)合焊機(jī)的生產(chǎn)效率，考慮產(chǎn)線設(shè)備，成本差距縮小。

3 拼板設(shè)備設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案

用于拼板的專機(jī)設(shè)備通稱拼板壓力架，例如用于管道拼板加工的縱縫或環(huán)縫焊接設(shè)備[4]用于船廠中厚板拼板的FCB焊接門架等，均屬于該范疇，國內(nèi)其它行業(yè)包括船舶行業(yè)，采用傳統(tǒng)電弧焊焊接方法的拼板壓力架也有部分廠家有能力提供，但針對薄板激光復(fù)合焊的拼板壓力架，則尚處于空白。目前該技術(shù)只掌握在IMG和PEMAMEK兩家手里，本文通過對其產(chǎn)品分析，了解其構(gòu)造與運(yùn)行原理，同時(shí)參照汽車行業(yè)薄板拼接焊機(jī)結(jié)構(gòu)[5]，嘗試設(shè)計(jì)一種適合于國內(nèi)船廠的激光復(fù)合焊拼板壓力架。

拼板壓力架是一種高度集成的焊接工藝裝備，其功能涵蓋焊接拼板工件定位、間隙及板厚差調(diào)整、固定壓緊工件以預(yù)防焊接變形、坡口加工、焊前預(yù)熱、焊接成形、焊縫跟蹤、焊后保溫、焊后清屑等全過程。其機(jī)械組成部分主要包括：輸送裝置、板材支撐、琴鍵式壓緊單元、銑削裝置與回收小車、焊接單元等幾大部分，設(shè)計(jì)模型見圖3。

1—輸送裝置 2—板材支撐 3—琴鍵式壓緊單元 4—銑邊裝置與回收小車 5—焊接單元

圖4 輸送裝置

3.2 工作步驟

設(shè)備工作步驟主要為：

(1)第一塊獨(dú)立板材從上一個(gè)工位進(jìn)入激光焊薄板拼焊工位時(shí)，輸送裝置上的電機(jī)motor1、motor2、motor3啟動，通過視覺相機(jī)以及測量板材位置計(jì)算好焊縫對中調(diào)節(jié)和垂直調(diào)節(jié)尺度，并停在相應(yīng)位置，如圖4所示。根據(jù)測量結(jié)果，電機(jī)motor4啟動，將夾緊模塊推至對應(yīng)位置，夾緊模塊夾緊獨(dú)立板材在電機(jī)motor1的作用下將板材推至對應(yīng)位置，電機(jī)motor11、motor12、motor13、motor14啟動到對應(yīng)位置，VAL103夾緊，電機(jī)motor11啟動將第一塊板材拖至對應(yīng)銑邊位置。

(2)第二塊獨(dú)立板材從上一個(gè)工位進(jìn)入激光焊薄板拼焊工位時(shí)，電機(jī)motor1、motor2、motor3啟動，通過視覺相機(jī)以及測量板材位置計(jì)算好焊縫對中調(diào)節(jié)和垂直調(diào)節(jié)尺度，并停在相應(yīng)位置。根據(jù)測量結(jié)果，電機(jī)motor4啟動，將夾緊模塊推至對應(yīng)位置，夾緊模塊夾緊獨(dú)立板材，在電機(jī)motor1的作用下將板材推至對應(yīng)銑邊位置。

(3)獨(dú)立板材被推至銑邊位置后，板材支撐與琴鍵式壓緊單元上的電機(jī)motor6啟動，如圖5所示。將板材支撐提升至對應(yīng)位置，此時(shí)琴鍵式壓緊單元壓緊板材。VAL104夾緊設(shè)備接地。

圖5 板材支撐與琴鍵式壓緊單元

圖6 銑邊裝置與回收小車

圖7 焊接單元

表1 設(shè)備工作節(jié)拍表

(4)獨(dú)立板材被壓緊后，銑邊裝置與回收小車上的電機(jī)motor9啟動開始對板材銑邊，如圖6所示。

(5)銑邊完成后，焊接單元上的電機(jī)motor5啟動，將第二塊獨(dú)立板材水平推送至對應(yīng)位置，電機(jī)motor7、motor8、motor10聯(lián)動，對板材進(jìn)行激光復(fù)合焊，焊槍及焊接機(jī)回收小車上的激光位移傳感器對焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測，如圖7所示。

設(shè)備電氣元件時(shí)序動作：

(1)設(shè)備初始狀態(tài)

(2)第一塊獨(dú)立板材從上一個(gè)工位進(jìn)入激光焊薄板拼焊工位

①電機(jī)motor1、motor2、motor3啟動測量板材位置，并停在相應(yīng)位置；

②根據(jù)測量結(jié)果，電機(jī)motor4啟動，將夾緊模塊推至對應(yīng)位置；

③電機(jī)motor1啟動將板材推至對應(yīng)位置；

④電機(jī)motor11、motor12、motor13、motor14啟動走到對應(yīng)位置；

⑤VAL103夾緊，電機(jī)motor11啟動將第一塊板材拖至對應(yīng)位置。

(3)第一塊獨(dú)立板材夾緊

①電機(jī)motor6啟動，將板材支撐提升至對應(yīng)位置；

②VAL102夾緊；

③VAL104夾緊設(shè)備接地。

(4)第二塊獨(dú)立板材從上一個(gè)工位進(jìn)入激光焊薄板拼焊工位

①電機(jī)motor1、motor2、motor3啟動測量板材位置，并停在相應(yīng)位置；

②根據(jù)測量結(jié)果，電機(jī)motor4啟動，將夾緊模塊推至對應(yīng)位置；

③VAL101夾緊；

④電機(jī)motor1啟動將板材推至對應(yīng)位置。

(5)第二塊獨(dú)立板材夾緊

①電機(jī)motor6啟動，將板材支撐提升至對應(yīng)位置；

②VAL102夾緊；

③VAL104夾緊設(shè)備接地。

(6)板材銑邊

①電機(jī)motor9啟動開始對板材銑邊；

②銑邊完成。

(7)板材激光復(fù)合焊

①電機(jī)motor5啟動，將板材水平推送至對應(yīng)位置；

②電機(jī)motor7、motor8、motor10聯(lián)動，對板材進(jìn)行激光復(fù)合焊；

③焊接完成。

(8)下件

(9)開始下一個(gè)循環(huán)

工作節(jié)拍簡算見表1。

圖8 激光-電弧復(fù)合焊拼板設(shè)備數(shù)字孿生基本架構(gòu)

4 設(shè)備數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用展望

采用激光-電弧復(fù)合焊工藝的拼板壓力架設(shè)備作為一種典型智能化裝備，具備數(shù)字孿生技術(shù)要素，如本設(shè)備采用視覺相機(jī)對獨(dú)立板材進(jìn)行拍照采集數(shù)據(jù)，并與板材支撐板進(jìn)行比對，從而在系統(tǒng)內(nèi)部對獨(dú)立板材進(jìn)行建模，通過提取獨(dú)立板材四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)來判斷獨(dú)立板材的位置，指導(dǎo)輸送裝置進(jìn)行焊縫水平對中，通過提取獨(dú)立板材上表面的坐標(biāo)值來判斷獨(dú)立板材的厚度，指導(dǎo)輸送裝置對獨(dú)立板材的垂向高度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)過程就是將機(jī)器視覺測量的數(shù)據(jù)上傳至模型，動態(tài)調(diào)整，經(jīng)軟件計(jì)算后將控制指令下達(dá)給實(shí)體設(shè)備，達(dá)到智能化生產(chǎn)目的的數(shù)字孿生應(yīng)用，其基本架構(gòu)如圖8。

使用數(shù)字孿生這一通用技術(shù)，可結(jié)合其具有的數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型支撐、軟件定義、精準(zhǔn)映射、智能決策等特征，將前敘激光-電弧復(fù)合焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)、機(jī)器視覺測量數(shù)據(jù)以及實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)、排產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)等整合起來，將這些數(shù)據(jù)及疊加歷史經(jīng)驗(yàn)形成的知識轉(zhuǎn)化為信息，通過幾何模型、機(jī)理模型、仿真模型(如焊接失穩(wěn)變形分析模型[6])、業(yè)務(wù)模型等一系列模型的互操作與分析演算，形成指令，并控制設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生新一輪數(shù)據(jù)，從而在設(shè)備全生命周期，實(shí)現(xiàn)全流程閉環(huán)優(yōu)化。

應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，還可進(jìn)一步開發(fā)設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測、虛擬調(diào)試、工藝優(yōu)化、預(yù)測性維護(hù)、VR培訓(xùn)等衍生價(jià)值，并從設(shè)備層支撐產(chǎn)線、車間乃至企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)。

5 結(jié)語

大型郵輪建造需要專業(yè)化的焊接生產(chǎn)線，生產(chǎn)線由多工位、多系統(tǒng)、多設(shè)備集成，其中拼板工位針對薄板拼接，采用激光-電弧復(fù)合焊工藝，并以智能化的拼板壓力架設(shè)備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工，能更好地發(fā)揮生產(chǎn)線的效能，減少勞動負(fù)荷，提高生產(chǎn)自動化和智能化程度。