MICROBO智能焊接機(jī)器人工藝技術(shù)

蔡 莼， 王羽澤， 趙立蘇， 徐 飛， 徐忠敏

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

在金屬制造業(yè)中，焊接是僅次于裝配和機(jī)械加工的第三大產(chǎn)業(yè)。船舶制造實(shí)際生產(chǎn)中有很大一部分焊接工作都是手工完成的。焊接過程中存在著強(qiáng)烈的熱、煙塵和弧光，工作環(huán)境非常惡劣，對工人的體能消耗較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工人實(shí)際焊接的時(shí)間不足其工作時(shí)間的30%，效率較低。另外，手工焊接質(zhì)量因操作人員的水平不同而參差不齊。為了提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省人力，國內(nèi)外焊接工作者一直在采取各種方法進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化、智能化。智能焊接機(jī)器人的應(yīng)用是各造船企業(yè)和大型制造廠商發(fā)展的必然趨勢，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的有效手段[1-4]。MICROBO能夠自動(dòng)獲取工件板厚、坡口角度、根部間隙等數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成焊接電流、焊接電壓、焊接速度等焊接參數(shù)，其可根據(jù)焊接坡口角度和板厚及根部間隙自動(dòng)生成焊接層數(shù)及焊槍擺幅等參數(shù)，具有智能、高效、易操作等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]，尤其是在焊接中厚板時(shí)，機(jī)器人效率高的優(yōu)勢非常明顯。

1 MICROBO簡介

MICROBO主要由機(jī)器人本體、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制箱、示教器、導(dǎo)軌、焊接電源、送絲裝置、焊槍、電磁開閉器、控制轉(zhuǎn)接器、防干擾變壓器、鏈接線纜等構(gòu)成。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MICROBO結(jié)構(gòu)示例

MICROBO本體質(zhì)量僅為6 kg，能夠勝任包括平、橫、立不同位置的焊接任務(wù)，具有自動(dòng)識(shí)別焊縫并自主選擇工藝參數(shù)的特點(diǎn)[5]。

2 機(jī)器人焊接工藝試驗(yàn)

2.1 母材及焊材的選擇

為了焊接工藝規(guī)程能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求(覆蓋A～EH36等級鋼板)，焊接工藝評定選取板厚為25.5 mm的EH36鋼板。該材質(zhì)鋼板屈服強(qiáng)度為437 MPa，抗拉強(qiáng)度為519 MPa，平均沖擊值為248 J(-40 ℃)，化學(xué)成分如表1所示。

表1 EH36母材化學(xué)成分

根據(jù)國際通用Ceq計(jì)算公式計(jì)算可得上述EH36鋼板的Ceq約0.370%，因此該鋼板的焊接性良好(Ceq在0.250%～0.400%之間，母材焊接性良好) 。

焊材選取現(xiàn)代Supercored71藥芯焊絲，焊絲直徑1.2 mm。

2.2 焊接工藝試驗(yàn)

結(jié)合生產(chǎn)需求，試驗(yàn)進(jìn)行立對接、平對接、斜45°對接等3種焊接位置的工藝評定。試板為1 000 mm×200 mm，開40°V形坡口，留8 mm裝配間隙，背面貼陶瓷襯墊。

2.2.1 立對接位置焊接工藝評定試驗(yàn)

立對接位置焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 立對接位置焊接工藝參數(shù)

2.2.2 平對接位置焊接工藝評定試驗(yàn)

MICROBO系統(tǒng)中的平對接位置焊接參數(shù)是在默認(rèn)采用實(shí)芯焊絲的條件下自動(dòng)生成的，而試驗(yàn)采用的是藥芯焊絲，通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)際焊接中，將每條焊道的電流調(diào)大20～30 A，電壓調(diào)大3～5 V，焊接速度降低40～60 mm/min，能夠得到合格的焊縫。平對接位置焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 平對接位置焊接工藝參數(shù)

2.2.3 斜45°對接位置焊接工藝評定試驗(yàn)

斜45°對接位置焊接工藝的難點(diǎn)在于熔池不穩(wěn)定，需要在焊接過程中不停觀察熔池并及時(shí)調(diào)整參數(shù)。斜45°對接位置焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 斜45°對接位置焊接工藝參數(shù)

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過美國船級社、中國船級社等多家船級社驗(yàn)船師到現(xiàn)場驗(yàn)證，試板焊接的外觀檢查合格后，進(jìn)行磁力探傷(Magnetic Testing, MT)、射線探傷(Radiographic Testing, RT)，探傷結(jié)果合格后再進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，包括彎曲、拉伸、沖擊、硬度等，所有試驗(yàn)均滿足船級社規(guī)范要求。

3種不同試樣截面宏觀照片如圖2所示。

圖2 焊接接頭宏觀照片

3種不同試樣橫向拉伸試驗(yàn)與側(cè)向彎曲試驗(yàn)均滿足船級社規(guī)范要求，如表5所示。

表5 3種不同試樣橫向拉伸試驗(yàn)與彎曲試驗(yàn)結(jié)果 MPa

試樣沖擊試驗(yàn)在-20 ℃條件下進(jìn)行，結(jié)果均滿足船級社規(guī)范要求，如表6所示。

表6 3種不同試樣在-20 ℃條件下沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J

3 MICROBO現(xiàn)場應(yīng)用

小巧便攜和能夠全位置焊接的特點(diǎn)使得MICROBO適用于船塢搭載階段。

立對接工藝主要應(yīng)用于搭載總組階段合龍縫焊接，如圖3所示。

圖3 MICROBO立對接應(yīng)用

平對接工藝的應(yīng)用場景包括搭載階段雙層底合龍縫、甲板合龍縫等，如圖4所示。

圖4 MICROBO平對接應(yīng)用

斜45°對接工藝主要應(yīng)用于散貨船貨艙區(qū)域斜板合龍縫焊接，如圖5所示。

圖5 MICROBO斜45°對接應(yīng)用

在MICROBO焊接散貨船、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)平對接縫、立對接縫及斜對接縫的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，焊接質(zhì)量提升顯著。通過無損檢測方法統(tǒng)計(jì)18條焊縫的焊接質(zhì)量，其中：RT拍片28張，合格率為100%；超聲探傷(Ultrasonic Testing, UT)共63 m，合格率為96%；而人工焊接此類焊縫的UT平均合格率為84%。

MICROBO采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，受焊接方法本身的限制，焊接效率比埋弧焊、垂直氣電焊等高效焊接方法低，但埋弧焊、垂直氣電焊設(shè)備尺寸較大，無法在狹小空間內(nèi)使用。在應(yīng)用MICROBO之前，狹小空間內(nèi)的焊接任務(wù)全部靠人工完成，如散貨船艙口圍、集裝箱船抗扭箱對接焊縫等位置。MICROBO 設(shè)備尺寸小巧，適合在狹小的操作空間內(nèi)完成焊接任務(wù)，由于可以連續(xù)焊接，實(shí)際焊接時(shí)間可以達(dá)到工作時(shí)間的50%，比人工焊接效率提升40%，在焊接中厚板時(shí)效率優(yōu)勢更加明顯。

4 應(yīng)用中的主要問題及解決辦法

(1) 外場風(fēng)速較大，焊縫易出現(xiàn)氣孔缺陷問題。二氧化碳焊接方法本身對風(fēng)較為敏感，在有風(fēng)條件下焊接易出現(xiàn)氮?dú)夂鸵谎趸細(xì)饪?。在MICROBO應(yīng)用初期就遇到氣孔缺陷問題，為此，專門設(shè)計(jì)制作分體式防風(fēng)裝置，如圖6所示。

圖6 分體式防風(fēng)裝置

分體式防風(fēng)裝置保護(hù)效果較差，操作不便，需要人工配合移動(dòng)，因此另設(shè)計(jì)制作一體式防風(fēng)裝置，該裝置連接機(jī)器人支架部分，包括擋風(fēng)部位、焊槍夾持部位，且使焊槍的噴頭位于擋風(fēng)部位的內(nèi)側(cè)，如圖7所示。試驗(yàn)證明，一體式防風(fēng)裝置可以在外界較大風(fēng)力環(huán)境中有效保護(hù)氣體氣流穩(wěn)定，顯著避免出現(xiàn)氣孔缺陷。

圖7 一體式防風(fēng)裝置

(2) 外場施工經(jīng)常斷電，導(dǎo)致機(jī)器人焊接數(shù)據(jù)丟失問題。為防止外場施工臨時(shí)停電導(dǎo)致機(jī)器人焊接采集數(shù)據(jù)丟失影響施工，采取在平臺(tái)總組施工。平臺(tái)有固定位置電箱，數(shù)量較多，臨時(shí)斷電現(xiàn)象較少，機(jī)器人外場施工條件穩(wěn)定。

(3) 裝配精度誤差問題。與人工焊接相比，機(jī)器人的焊接適應(yīng)性不強(qiáng)，對焊縫坡口精度的要求較高，在機(jī)器人應(yīng)用過程中出現(xiàn)過由于裝配間隙過大、錯(cuò)邊嚴(yán)重?zé)o法識(shí)別坡口等問題。后續(xù)應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)，尤其是在裝配人員的精度意識(shí)、裝配工的切割水平等方面，大力提高裝配操作人員的技能水平，為今后建造高品質(zhì)船舶打下基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

(1) 提出MICROBO在立對接、平對接和斜45°對接等3個(gè)不同位置時(shí)的焊接工藝。其中，應(yīng)注意的是：MICROBO在焊接平對接位置時(shí)自動(dòng)生成的參數(shù)對應(yīng)的是實(shí)芯焊絲，若采用藥芯焊絲則應(yīng)將每條焊道的電流調(diào)大20～30 A，電壓調(diào)大3～5 V，焊接速度降低40～60 mm/min；斜45°對接焊工藝的難點(diǎn)在于熔池不穩(wěn)定，需要在焊接過程中不停觀察熔池并及時(shí)調(diào)整參數(shù)。

(2) 在外場施工應(yīng)注意避免風(fēng)對焊接質(zhì)量的影響，專門制作的一體式擋風(fēng)裝置可以有效減少氣孔缺陷。

(3) 使用機(jī)器人過程中應(yīng)避免出現(xiàn)斷電情況，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，機(jī)器人需要重新識(shí)別坡口、生成焊接參數(shù)。

(4) 機(jī)器人的適應(yīng)性不強(qiáng)，在需要使用機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，應(yīng)特別注意控制坡口的切割質(zhì)量、裝配間隙等精度方面的問題，否則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人無法識(shí)別坡口而影響焊接質(zhì)量。如果設(shè)備廠商能夠提高機(jī)器人的適應(yīng)能力，如加裝視覺傳感器實(shí)時(shí)跟蹤坡口尺寸變化，同時(shí)能及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)以適應(yīng)坡口尺寸變化，則機(jī)器人會(huì)在船舶制造中具有更廣闊的應(yīng)用前景。