平面分段中組立機(jī)器人焊接工藝開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

王羽澤，殷銘，李超，趙才才，趙佳文，陳智

上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 序言

在勞動力人口逐漸減少和老齡化趨勢下，傳統(tǒng)制造業(yè)勞動力成本持續(xù)上漲，中國制造業(yè)城鎮(zhèn)單位就業(yè)人員平均工資從2014—2018年連續(xù)增長，年復(fù)合增長率達(dá)8.8%，已經(jīng)全面超過拉美等地區(qū)的廉價勞動力[1]。船舶制造業(yè)作為典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，90%以上的設(shè)備制造以人工為主，自動化率僅為韓國、日本的30%。隨著人口紅利減退，年輕勞動力規(guī)模急劇下滑，船舶制造業(yè)同樣面臨著人力成本增長帶來的經(jīng)營壓力。而隨著智能化焊接機(jī)器人技術(shù)的研究深入，焊接機(jī)器人開始擁有適應(yīng)不同工況的能力，特別是大型船舶制造中占有很大比重的小組立和中組立焊縫的焊接機(jī)器人的開發(fā)應(yīng)用，給船舶制造的發(fā)展提供了智能化解決的途徑[2，3]。

另外，迫切的“機(jī)器換人”需求使得船廠也紛紛選擇發(fā)力推進(jìn)智能制造，其中焊接作業(yè)因其在造船工作量占比達(dá)到40%，被視為智能化升級的先鋒。焊接智能化升級不僅能夠使工人避免近距離接觸焊接煙塵、弧光等有害源，還能夠達(dá)到提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量的目的。本文將以平面分段中組立機(jī)器人焊接工藝開發(fā)為例，詳細(xì)介紹焊接機(jī)器人的應(yīng)用。

2 平面分段中組立焊接機(jī)器人

近些年，上海外高橋造船有限公司引進(jìn)了多條機(jī)器人焊接生產(chǎn)線，平面分段中組立焊接機(jī)器人（以文簡稱“機(jī)器人”，見圖1）便是其中之一。機(jī)器人能夠焊接的位置包括T排平角焊、立角焊、面板對接焊及補(bǔ)板全位置焊等。

圖1 平面分段中組立焊接機(jī)器人

2.1 技術(shù)規(guī)格

每條機(jī)器人焊接生產(chǎn)線包括2臺共軌門架，每臺門架上配備有2個共軌移動單元，搭載著機(jī)器人本體與控制柜、焊接電源、焊絲桶支架、清槍剪絲裝置及除塵裝置等，可沿著門架橫梁移動。此外，還能夠?yàn)闄C(jī)器人底座提供額外的外部軸，以實(shí)現(xiàn)縱向的移動；機(jī)器人本體為ABB IRB2600型六軸機(jī)器人；焊接電源型號為ESAB Aristo MiG 5000i，該型焊接電源采用一元化控制，調(diào)節(jié)送絲速度，系統(tǒng)會自動匹配焊接電流、電弧電壓，適合機(jī)器人焊接。

2.2 工藝流程

機(jī)器人依靠模型驅(qū)動，需要在焊接生產(chǎn)前導(dǎo)入工件的3D模型并完成離線編程，與現(xiàn)場采集模型信息的機(jī)器人相比，焊前需要的準(zhǔn)備時間更長，但是模型信息準(zhǔn)確，適合焊接中組立這類復(fù)雜工件[4]。

機(jī)器人的工藝流程如下：

1）導(dǎo)入模型：將需要焊接的分段三維模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

2）離線編程：機(jī)器人模擬控制軟件Rinasweld將自動識別模型中的焊縫，并根據(jù)焊接規(guī)則匹配焊接參數(shù)，同時創(chuàng)建機(jī)器人焊接程序。

3）程序?qū)牍た貦C(jī)：將Rinasweld創(chuàng)建的機(jī)器人焊接程序?qū)С龅杰囬g現(xiàn)場的ARAC工控機(jī)系統(tǒng)。

4）定位工件：車間現(xiàn)場操作人員，將工件移動到固定參考位置，或移動機(jī)器人門架，對工件進(jìn)行定位。

5）開始焊接：操作員選擇該工件的機(jī)器人焊接程序，并按下開始按鈕，隨后機(jī)器人自動執(zhí)行焊接程序。

6）完成焊接：機(jī)器人按照焊接策略，自主運(yùn)行，直到產(chǎn)品焊接完成，生產(chǎn)完成之后，機(jī)器人自動歸位，并提示產(chǎn)品運(yùn)出。

3 焊接工藝開發(fā)

機(jī)器人需要確定的工藝參數(shù)包括焊接參數(shù)、多道焊相對位置參數(shù)、擺動參數(shù)及電弧跟蹤參數(shù)等，為實(shí)現(xiàn)各參數(shù)之間的良好匹配，需要進(jìn)行大量調(diào)試試驗(yàn)，以最大化的發(fā)揮機(jī)器人焊接穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。一旦確定了合適的參數(shù)，機(jī)器人就可以穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)具有良好成形的焊縫。

3.1 母材及焊材的選擇

試驗(yàn)選用AH36等級鋼板作為母材，化學(xué)成分見表1。

表1 AH36母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

焊材選用了Steelcored 19HD無縫藥芯焊絲，φ1.2mm，化學(xué)成分見表2。

表2 Steelcored 19HD（φ1.2mm）焊材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

機(jī)械臂在執(zhí)行行走、尋位、焊接等操作時，送絲軟管隨之頻繁扭動，使用傳統(tǒng)的有縫藥芯焊絲可能導(dǎo)致藥粉泄露堵塞送絲軟管，而無縫焊絲則不存在這樣的問題；此外，使用無縫藥芯焊絲還可以有效避免藥芯受潮帶來的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 平角焊工藝開發(fā)

與傳統(tǒng)焊接工藝不同，機(jī)器人每一項(xiàng)工藝覆蓋的焊腳尺寸范圍很小，因此建議每個整數(shù)尺寸的焊腳分別開發(fā)焊接工藝，其中小尺寸焊腳是研究的難點(diǎn)。在焊接高強(qiáng)鋼時，焊腳過小會導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)（HAZ）硬度超標(biāo)，因此在機(jī)器人平角焊工藝開發(fā)中，控制HAZ硬度是重要的研究內(nèi)容。

為研究平角焊焊腳尺寸與HAZ硬度之間的關(guān)系，進(jìn)行對比試驗(yàn)，如圖2所示。試驗(yàn)選用厚度為8mm的AH36母材，3組試驗(yàn)中，焊腳尺寸依次增加。

圖2 平角焊焊腳尺寸依次增加

焊接完成后分別測量接頭H A Z維氏硬度（HV10），結(jié)果見表3。

表3 平角焊接頭HAZ硬度對比

當(dāng)母材材質(zhì)與規(guī)格相同時，平角焊的焊腳越大，接頭HAZ硬度越小。船級社規(guī)范通常要求硬度值≤350HV，因此F2_40-1和F2_40-2兩組試驗(yàn)不合格，工藝評定試驗(yàn)應(yīng)采用F2_40-3工藝進(jìn)行。

3組試驗(yàn)接頭熔合線附近微觀組織如圖3所示。由圖3可知，F(xiàn)2_40-1和F2_40-2接頭HAZ存在大量馬氏體組織，是導(dǎo)致硬度超標(biāo)的直接原因。這2組試驗(yàn)為控制焊腳尺寸，使用了較小的熱輸入，接頭冷卻速度較快，HAZ組織發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，得到的微觀組織為馬氏體+珠光體+鐵素體。而F2_40-3熱輸入較大，冷卻速度較慢，沒有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，得到的HAZ微觀組織為珠光體+鐵素體。

圖3 平角焊接頭HAZ微觀組織（200×）

繼續(xù)增加熱輸入，焊腳尺寸隨之增大，得到的H A Z硬度、焊腳尺寸與熱輸入的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)焊腳達(dá)到6mm時，熱輸入已超過1kJ/mm，此時HAZ硬度繼續(xù)下降到254HV10；焊腳增加到7.68mm，此時熱輸入超過1.3kJ/mm，硬度進(jìn)一步下降到233HV10。

圖4 熱影響區(qū)硬度、焊腳尺寸與焊接熱輸入的關(guān)系

焊接熱輸入超過1kJ/mm后，接頭HAZ微觀組織為珠光體+鐵素體，如圖5所示。

圖5 焊接熱輸入超過1kJ/mm后HAZ微觀組織為珠光體+ 鐵素體（200×）

HAZ硬度在焊接熱輸入超過0.7kJ/mm后急劇下降，熱輸入繼續(xù)增加，超過0.85kJ/mm后，硬度下降緩慢，結(jié)合微觀組織觀察結(jié)果可知，硬度在熱輸入為0.7~0.85kJ/mm的區(qū)間內(nèi)急劇下降的原因是馬氏體組織隨著熱輸入的增加而減少。

接頭HAZ硬度與母材厚度同樣存在聯(lián)系，采用與F2_40-3相同的工藝焊接12mm厚AH36鋼材，得到焊腳尺寸與F2_40-3幾乎沒有差別，尺寸為5.66mm，如圖6所示。

圖6 平角焊小焊腳工藝焊接12mm厚母材

同樣的工藝焊接不同厚度的母材，得到的HAZ硬度值存在差異，見表4。母材越厚，接頭降溫越快，HAZ組織也就越容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，硬度也就更高。

表4 不同母材厚度接頭HAZ硬度對比

3.3 立角焊工藝開發(fā)

立角焊熱輸入水平高于平角焊，工藝開發(fā)過程中通常不會遇到接頭硬度超標(biāo)問題，但是小焊腳工藝容易出現(xiàn)余高過高的問題。

由下向上焊接的立角焊，當(dāng)熔池受到的電弧吹力和表面張力不足以抵抗重力時，熔融金屬會沿著焊縫中心向下流淌，凝固后導(dǎo)致焊縫中心鼓起，余高過高。且鼓起沿著焊接方向越發(fā)明顯，這是由于在焊接過程中，鋼板溫度不斷升高，熔池結(jié)晶速度變慢，向下流淌現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，焊縫中心鼓起也越發(fā)明顯，如圖7所示。由圖7可看出，F(xiàn)3_40-1焊縫沿著焊接方向鼓起越發(fā)嚴(yán)重。熔池結(jié)晶速度較慢還會導(dǎo)致嚴(yán)重的咬邊，應(yīng)力在焊腳處集中，留下質(zhì)量隱患。

圖7 不同焊接速度對小尺寸立角焊成形的影響

通過提高焊接速度可以有效改善焊縫成形，F(xiàn)3_40-2在同時增加焊接電流、焊接速度并保持熱輸入不變的條件下，熔池結(jié)晶速度加快，可有效避免熔融金屬沿焊縫向下流淌，從而達(dá)到控制余高的目的。

3.4 車間底漆的影響

YUAN等[5]研究發(fā)現(xiàn)，含鋅的車間底漆在角焊縫焊接過程中受電弧熱汽化，若不能及時逸出，則會形成由焊縫根部向焊縫表面延伸的氣孔，如圖8所示。

圖8 底漆蒸汽導(dǎo)致的氣孔形成過程[5]

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在小焊腳工藝中應(yīng)注意控制母材的車間底漆厚度，當(dāng)?shù)灼徇^厚時，焊縫中容易出現(xiàn)此類氣孔（見圖9），可以通過折斷試驗(yàn)判斷焊縫是否存在氣孔。

圖9 底漆厚度過厚會導(dǎo)致焊縫中存在密集氣孔

4 電弧跟蹤、擺動和多層多道焊參數(shù)的調(diào)試方法

4.1 電弧跟蹤參數(shù)

若機(jī)器人沒有配備視覺傳感器等輔助裝置用于焊接過程中的糾偏，則需要用到機(jī)器人自帶的電弧跟蹤功能來實(shí)現(xiàn)焊縫糾偏。

ABB機(jī)器人可選的電弧跟蹤類型（track_type）包括中心線跟蹤、自適應(yīng)跟蹤、單側(cè)（左、右、高度方向）跟蹤，角焊縫通常選用中心線跟蹤。選擇跟蹤類型后還需給定gain_y & gain_z值，用于設(shè)定電弧跟蹤修正靈敏度的大小，數(shù)值越大，系統(tǒng)修正響應(yīng)速度越快。賦值區(qū)間為1~100的整數(shù)，初始值的設(shè)定視擺動寬度而定，通常初始賦值30即可，若擺動寬度很小，可以從賦值5開始嘗試。

完成上述初始設(shè)定后需要通過試驗(yàn)確定跟蹤基準(zhǔn)電流（Current）?；鶞?zhǔn)電流確定后，機(jī)器人可以根據(jù)焊接過程中的實(shí)際電流與基準(zhǔn)電流的差異對焊槍動作進(jìn)行調(diào)整，包括Y方向（擺動方向）的糾偏，以及Z方向?qū)笜屌c工件距離的調(diào)整，如測量電流小于基準(zhǔn)電流，則機(jī)器人會控制焊槍接近工件，此時測量電流會隨之增大直到等于基準(zhǔn)電流；反之，如測量電流大于基準(zhǔn)電流，則機(jī)器人會控制焊槍遠(yuǎn)離工件直到電流減小到與基準(zhǔn)電流一致。

4.2 電弧擺動參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)Y方向的電弧跟蹤功能（避免出現(xiàn)偏焊），無論是平角焊工藝還是立角焊工藝，都要求焊槍必須擺動（Y方向）。可以選用的擺動路徑形狀（weave_shape）包括不擺動、Z字形擺動、V字形擺動、三角形擺動和圓形擺動，角焊縫工藝通常采用Z字形擺動，如圖10所示。其中X方向?yàn)楹附臃较颍琗OY平面平行于焊縫表面，Z方向垂直于焊縫表面。

圖10 Z字形擺動

選定擺動路徑形狀后還需要選擇擺動類型（weave_type），包括6軸同時參與擺動、腕部擺動、1、2、3軸擺動和4、5、6軸擺動，電弧焊通常選用4、5、6軸擺動，這也是擺動頻率最高的類型，適合焊接。

完成上述初始設(shè)定后需要通過試驗(yàn)確定擺動動作幾何參數(shù)以滿足焊縫成形要求，包括：

1）weave_length，在擺動類型選定為4、5、6軸擺動的條件下，weave_length即為擺動頻率（擺動完成1個完整周期所用時間的倒數(shù)）。

2）weave_width，擺動寬度，在Z字形擺動條件下即為擺動幅度（Y方向）。

3）dwell_left/ right/ center，在擺動左右極限位置/中間位置停留長度，如圖11所示。

圖11 dwell_left示意

4.3 多層多道參數(shù)

多層多道焊每一道的焊接、擺動、跟蹤參數(shù)相互獨(dú)立，可以按照前文介紹的方法分別設(shè)置，但需要給出相鄰兩條焊道的相對位置關(guān)系（當(dāng)前焊道TCP相對于上一道的偏置參數(shù)）?？梢越Y(jié)合工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇焊接方向（Direction），Direction賦值為“1”代表與上一道同向，“－1”代表與上一道反向。選擇焊接方向完成后需要設(shè)置TCP的平移距離（seamoffs_y & seamoffs_z）和旋轉(zhuǎn)角度（seamrot_x & seamrot_y），如圖12所示。

圖12 多層多道焊TCP的平移（seamoffs_y & seamoffs_z）與轉(zhuǎn)動（seamrot_x & seamrot_y）參數(shù)

以雙層雙道平角焊為例（見圖13），第一道焊接完成后，通過TCP平移與轉(zhuǎn)動，確定第二道的位置，而不需要重新示教或?qū)の粊泶_定第二道行走路徑。

圖13 雙層雙道平角焊

5 結(jié)束語

上海外高橋造船有限公司引進(jìn)的焊接機(jī)器人適用于平面分段中組立這類工件的焊接，在角焊縫工藝的開發(fā)過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）小焊腳平角焊容易出現(xiàn)接頭熱影響區(qū)硬度偏高的問題，應(yīng)通過增加熱輸入來減緩接頭在焊接熱循環(huán)過程中的降溫速度，可以有效避免馬氏體轉(zhuǎn)變，達(dá)到控制硬度的目的。本試驗(yàn)選用8mm厚AH36母材，當(dāng)焊接熱輸入超過0.7kJ/mm，由于馬氏體轉(zhuǎn)變的減少，熱影響區(qū)硬度隨著熱輸入的增加而急劇降低，超過0.85kJ/mm，硬度仍然呈下降趨勢，但下降幅度放緩。選用厚度更小的母材，也能夠達(dá)到降低熱影響區(qū)硬度的目的。

2）小焊腳立角焊容易出現(xiàn)焊縫中間凸起（余高過高）的問題，在保持焊接熱輸入不變的條件下，同時增加焊接電流和焊接速度，可以加速熔池結(jié)晶，避免熔融金屬沿焊縫中心向下流淌，達(dá)到控制余高的目的。

3）小焊腳工藝應(yīng)注意控制母材車間底漆的厚度，否則容易導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)由根部向表面延伸的密集氣孔。

4）使用電弧跟蹤功能應(yīng)首先確定跟蹤基準(zhǔn)電流，機(jī)器人會根據(jù)基準(zhǔn)電流調(diào)整焊槍與工件之間的距離。

5）為實(shí)現(xiàn)Y方向的電弧跟蹤功能（避免出現(xiàn)偏焊），無論是平角焊還是立角焊，都要求焊槍必須擺動（Y方向），角焊縫工藝建議選用機(jī)器人的“4、5、6軸擺動”類型和“Z字形擺動”路徑形狀。

6）多層多道參數(shù)可以規(guī)定多層多道焊中相鄰兩條焊道TCP的相對位置關(guān)系，包括TCP的平移和轉(zhuǎn)動，使用該功能可以節(jié)約重新示教或?qū)の凰枰臅r間。