不銹鋼槽型艙壁機器人焊接應用

張 磊， 馬曉平， 董春春

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院， 江蘇 鎮江 212000；2.江蘇現代造船技術有限公司， 江蘇 鎮江 212000)

0 引 言

在化學品船的結構設計中，槽型艙壁被廣泛地應用，同等強度下，相較平面艙壁，槽型艙壁結構重量更輕、更節省鋼材。此外，槽型艙壁消除了扶強材以及肘板的裝配和焊接，大幅減少船舶建造的工作量，便于洗艙和防腐，又不影響艙容，極大地降低了船舶建造和維護的成本[1-2]。槽型艙壁的加工方式分為冷彎槽型艙壁、組合槽型艙壁、半冷彎半組合型槽型艙壁[3]。最初槽型艙壁有圓弧、三角形、矩形、梯形等不同的截面形式，但隨著對槽型艙壁極限強度的深入分析可知：槽型艙壁的極限強度和用鋼量會隨著槽型角度的增加而呈線性上升，角度超過70°以后，用鋼量上升的幅度要比極限承受力的上升幅度大[4-5]。目前不銹鋼槽型艙壁的焊接工作除直線對接焊縫以外，普遍采用人工焊接，存在焊縫成形質量不穩定、焊后打磨工作量大、容易破壞不銹鋼表面的鈍化膜等問題。因此，開展針對不銹鋼槽型艙壁與平面艙壁角焊縫的機器人焊接技術應用研究，充分利用機器人焊接系統的適用性及高效性，具有十分重要的工程意義。

1 機器人焊接集成系統組成

槽型艙壁與平面壁板的裝焊結構主要包含垂直槽型的T型接頭焊接節點，需要采用雙面焊。此結構焊縫具有軌跡跨度大、圓弧曲線多等特點，如圖1所示。

圖1 槽型艙壁焊縫軌跡

為此，考慮到槽形艙壁與平面壁板焊縫的圓弧波浪形狀，保證焊槍能夠覆蓋距機器人最遠的焊縫處，機器人焊接集成系統采用KUKA KR 16 L6-2系列的機器人作為本體。針對船體結構鋼板較厚、焊縫較長等特點，采用德國EWM Phoenix 551 Puls逆變分體式焊接電源。在實際焊接過程中，由于船體構件加工或裝配誤差造成的焊縫位置和尺寸的變化，以及由于溫度梯度造成的熱應力變形，當焊接機器人執行事先編程或示教好的軌跡進行焊接時，往往會出現焊接質量下降的情況，因此，有必要在焊接過程中對焊縫幾何尺寸進行實時跟蹤，對焊接路徑進行實時糾偏，以確保焊縫成形滿足焊接工藝規程的要求。為保證焊接的可靠性，本系統采用Power-Trac激光跟蹤系統。槽型艙壁工件焊縫軌跡的跨度很大，需要采用導軌行走系統實現整個焊縫焊接過程中的連續性。

整個機器人焊接集成系統的工作流程如圖2所示，不銹鋼槽型艙壁典型結構的焊接需要完成焊接準備和激光跟蹤糾偏2個部分。首先，需要研究和分析激光系統的跟蹤糾偏過程，確保激光糾偏的穩定性和準確性，這樣可以防止不銹鋼焊接過程中因焊接熱變形、示教不準等因素引起焊縫焊接質量下降的情況。其次，對不銹鋼槽型艙壁結構焊接之前，需要對其焊接工藝參數進行試驗和優化，使焊縫的成形符合目標焊縫的焊接工藝規程。

圖2 機器人焊接工作流程

2 不銹鋼槽型艙壁機器人焊接試驗

2.1 不銹鋼T型接頭焊接試驗

不銹鋼的焊接要求非常嚴格，本試驗在某船廠不銹鋼焊接工藝規程(Welding Procedure Specification, WPS)的基礎上進行試驗驗證和優化，最終得出符合焊接要求的焊接工藝參數，為不銹鋼槽型艙壁的焊接工藝參數提供參考和借鑒。試驗設備和材料如下。

(1) 試驗選用KUKA公司生產的六自由度KUKA KR 16 L6-2型焊接機器人，并配有德國EWM Phoenix 551 Puls逆變分體式全數字化焊接電源。

(2) 試驗采用的鋼材是S31803，并且選取直徑為1.2 mm的Avesta FCW 2205-PW不銹鋼藥芯焊絲，單盤質量20 kg。

(3) 試驗選用保護氣體為100%CO2，氣體流量為20～25 L/min。

(4) 試驗中選取的工件材質為S31803，尺寸如圖3所示。

圖3 焊接試件尺寸

試驗中機器人使用的是德國EWM Phoenix 551 Puls數字化焊接電源，焊機系統會根據焊材種類、氣體成分等因素選擇合適的JOB工作程序，并通過調整送絲速度得到自動匹配的電流電壓，也可以調節修正電壓值使電壓符合焊接工藝參數試驗值。本次試驗采用100%CO2保護氣，藥芯焊絲直徑Φ為1.2 mm，母材的材料為不銹鋼，因此調用的工作程序JOB號為212。此JOB號狀態下，試驗分別對不同焊接工藝參數進行對比和分析，以得到所需要的焊縫成形結果。具體焊接工藝參數及成形焊縫如表1以及圖4～圖8所示。

表1 不銹鋼T型接頭焊接工藝參數

圖4 編號1焊縫成形

圖5 編號2焊縫成形

圖6 編號3焊縫成形

圖7 編號4焊縫成形

圖8 編號5焊縫成形

5條焊縫的成形良好，飛濺都相對較少。對試驗結果進行對比分析可知：編號1與編號3焊縫成形的焊腳尺寸較小，一般情況下，角焊縫焊腳尺寸為工件薄板的0.7倍，試驗中板材厚度為12 mm的角焊縫焊腳尺寸應為8.4 mm，編號1與編號3的焊縫焊腳尺寸均未達到要求。編號2與編號4焊縫成形的焊腳尺寸超過了8 mm， 但編號2的焊接熱輸入量為1.66 kJ/mm，編號4的焊接熱輸入量為1.47 kJ/mm，其焊接熱輸入量接近甚至超過了允許的上限范圍。編號5相較編號1與編號3而言，滿足角焊縫焊腳尺寸的要求，較編號2與編號4而言，焊接熱輸入量在允許范圍以內，并且根據不銹鋼盡量采用小電流焊接的原則，因此，得到編號1所示的焊接工藝參數適用于板厚為12 mm的小坡口(坡口深度為4.5 mm)或者無坡口的雙相不銹鋼角焊縫焊接。

2.2 焊接軌跡規劃

此次不銹鋼槽型艙壁典型結構的焊接過程中，實際槽型艙壁焊縫的焊接軌跡程序如圖9所示。

圖9 槽型艙壁焊縫路徑的軌跡程序

為保證程序能在Auto自動模式下正常運行，程序第4條HOME指令后的第1條指令必須為PTP指令。程序第11條和第41條分別是機器人的起弧和收弧指令，而ARC SWITCH指令為點到點的連續焊接指令，只有在KUKA機器人配置狀態處于專家及以上時，才能對弧焊指令的運行方式進行選擇，可直接通過選擇運行方式調用焊接電源中的程序號PROG 1～15，PROG中已經設定好了相應的焊接工藝參數。

程序第5條為傳感器初始化指令，表示激光器處于待機狀態。程序第9條為接通傳感器指令，后面必須是LIN或者CIRC指令，其中：Dist=3 mm表示在距離P4點前3 mm的位置，激光自動開啟；Set=S1中S1是自變量名稱，可以自由命名，點擊更改進入傳感器設定工具欄，接縫模板編號對應WeldCom軟件中的任務編號。槽型艙壁焊接任務編號10中采用內角焊縫算法，角度設置為90°，跟蹤點設置為交叉點，Trajectory下屬偏移量工具欄工具Z(mm)設置為3，由于焊接的母材為不銹鋼，焊接過程中弧光反光干擾較強，因此Filter下屬抗反光濾波器工具欄需選中激活。程序第40條為關閉傳感器指令，后面也必須是LIN或者CIRC指令。程序第44條為禁用傳感器指令，關閉激光器的待機狀態。

2.3 不銹鋼槽型艙壁的焊接路徑跟蹤及糾偏

激光跟蹤系統需要激光視覺傳感器對焊接區圖像進行采集，對工件對象形狀進行檢測，提取工件特征參數，通過逆運動學求得機器人各關節位置姿態并高精度控制機器人焊槍末端。其工作流程如圖10所示。

圖10 激光器系統工作流程

工作人員根據焊縫的特征在客戶端WeldCom軟件建立的任務中選擇相對應的跟蹤算法，比如對接焊縫、內角焊縫等，設置好相應的參數后，可實現對焊接路徑的跟蹤糾偏，并將任務參數保存在POWER-BOX控制器中。跟蹤過程中，POWER-CAM激光相機對焊縫進行掃描，特征抽取，經過圖像采集、圖像預處理、圖像處理傳輸到POWER-BOX控制器，控制器會根據擬定的算法以及參數設定進行焊縫糾偏，并將信號傳輸到KUKA控制柜，控制柜根據傳入的信號控制機器人末端焊槍進行偏移，完成焊縫整個路徑的跟蹤糾偏。

3 不銹鋼槽型艙壁焊接試驗分析

槽型艙壁焊接結構是由平面面板與槽型艙壁組合而成的工件，板厚為12 mm，平面面板長度約為5 m，寬1.6 m，槽型壁板位于平面面板的正中間，沿長度方向分布有2個槽型輪廓，槽深0.9 m，圓弧倒角半徑為50 mm，其坡口形式與上述試驗工件一致。槽型艙壁焊接試驗所用的保護氣、焊絲、焊接電源選用的JOB號等都與不銹鋼T型接頭焊接試驗時選用的完全相同，焊接的工藝參數為不銹鋼T型接頭平角焊試驗得出的最優焊接工藝參數，即送絲速度6.5 m/min，焊接速度為0.18 m/min，電源補償電壓為9 V，電流為140 A，電壓為30 V，無擺動。試驗采用路徑離線編程及焊接過程糾偏技術。實際焊接結果如圖11所示。

圖11 槽型艙壁機器人焊接系統焊接實際結果

根據不銹鋼T型接頭焊接試驗得出的焊接工藝參數以及離線編程的路徑規劃程序，結合激光跟蹤系統進行焊接后，機器人在焊接過程中軌跡精準，焊縫成形質量良好，沒有飛濺。如圖12所示，a)、c)為機器人焊接得到的焊縫，b)、d)為人工焊接得到的焊縫。相比較發現：機器人在焊接過程中可實現不間斷的連續焊接，避免了人工多次焊接導致不銹鋼焊接接頭性能不穩定的缺陷，并且焊縫成形光滑無飛濺，大幅減少焊后打磨的工作量，對于不銹鋼而言減少了表面鈍化膜被打磨破壞的可能性。

圖12 機器人焊接與人工焊接焊縫成形對比

4 結 論

本文根據槽型艙壁結構的特點采用相應的機器人焊接集成系統，通過焊接試驗得出適用于板厚為12 mm的小坡口(坡口深度為4.5 mm)或無坡口的雙相不銹鋼角焊縫的焊接工藝參數，即在不銹鋼T型接頭平角焊中，焊接電源JOB號為212，間隙為0～2 mm的情況下，采用送絲速度為6.5 m/min，焊接速度為0.18 m/min，電源電壓為30 V的焊接工藝參數，可以得到比較好的焊縫成形，驗證了采用焊接機器人焊接集成系統開展不銹鋼槽型艙壁典型結構自動焊接的可行性，并通過試驗得到了優選的焊接工藝參數，為機器人焊接系統在不銹鋼槽型艙壁焊接的推廣應用打下了堅實的基礎。