曹立超，劉曉光,，蔣曉明，張浩，王振民

（1.廣東省智能制造研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

高強(qiáng)度的海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼板具有良好的綜合機(jī)械性能[1]、焊接性能和工藝性能[2]，適用于近海、深海采油平臺(tái)、大型船舶、沿海發(fā)電廠、碼頭設(shè)施等結(jié)構(gòu)件[3—6]。隨著國(guó)內(nèi)造船業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)已成為世界最主要的造船大國(guó)之一[7—8]。高強(qiáng)鋼的應(yīng)用在節(jié)約鋼材，減輕焊接結(jié)構(gòu)自重方面起到了積極作用[9—13]。

目前在船體焊接組裝過(guò)程中，主要通過(guò)人工焊接和鋪設(shè)軌道的焊接小車來(lái)完成[14]，生產(chǎn)效率低，成本高，同時(shí)無(wú)法保證焊接質(zhì)量的均勻性[15]。由于船體的外形尺寸比較大，船身絕大部分焊縫都是長(zhǎng)直焊縫，需要一種特殊的焊接設(shè)備來(lái)完成[6]。磁吸附無(wú)軌爬壁機(jī)器人越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于船舶的噴涂、探傷、檢測(cè)、除銹等方面，但是采用無(wú)軌爬壁機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化焊接的應(yīng)用還很少。

為了提高船體等大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備的焊接工作效率、降低焊接成本，文中在自主設(shè)計(jì)搭建的立焊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上采用磁吸附爬壁機(jī)器人進(jìn)行EH36船用鋼板的焊接工藝研究，探究基于爬壁機(jī)器人焊接船用 EH36鋼板垂直立焊上的焊接工藝參數(shù)。

1 材料及焊接工藝方法

1.1 材料及參數(shù)

結(jié)合場(chǎng)地及設(shè)備的復(fù)雜性，本次實(shí)驗(yàn)用鋼板為武漢鋼鐵公司生產(chǎn)的船用高強(qiáng)度鋼板 EH36，板厚為5 mm。主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示，屈服強(qiáng)度≥395 MPa，抗拉強(qiáng)度≥520 MPa，伸長(zhǎng)率≥21%，?40 ℃沖擊功≥34 J。

表1 船用EH36高強(qiáng)鋼的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Main chemical compositions of marine EH36 high-strength steel (mass fraction) %

1.2 焊接工藝參數(shù)

由于本次實(shí)驗(yàn)用鋼板為5 mm厚薄板，為了提高焊接質(zhì)量和成形效果，采用熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣為富氬混合氣體（82% Ar+18% CO，體積分?jǐn)?shù)）。使用國(guó)產(chǎn)E711（Q）焊絲，焊絲直徑為1.2 mm。平板堆焊，本次實(shí)驗(yàn)的主要焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of welding

1.3 分析測(cè)試方法

首先采用放大倍數(shù)在6～10倍之間的蔡司Stemi-305型體視鏡對(duì)焊縫正反面進(jìn)行宏觀成形形貌觀察，然后采用 DK7735型線切割機(jī)將材料加工成10 mm×10 mm×5 mm矩形試樣，進(jìn)行金相顯微試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)研磨、拋光，以及用體積分?jǐn)?shù)為 4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用蔡司 Axioskop40型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察。

采用MH-3型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，選取的加載力為300 g，保壓時(shí)間為12 s，相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離為0.5 mm。在CMT-5150型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行樣品的拉伸試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用廣東省智能制造研究所自主研發(fā)的WRobot-50型磁吸附爬壁機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，能夠利用磁輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)平面、曲面、大型鋼體等各種復(fù)雜導(dǎo)磁面的爬行和轉(zhuǎn)向，利用操作機(jī)構(gòu)的中鋁合金型材的連接實(shí)現(xiàn)各類作業(yè)模塊的有效組合，準(zhǔn)確高效地完成焊接、探傷、除銹、清洗等作業(yè)任務(wù)。該爬壁機(jī)器人的型號(hào)為WRobot-50，本體質(zhì)量為52 kg，負(fù)載能力為110 kg，最小爬行的曲面直徑為D>0.35 m，爬壁角度為 0～180°，行走能力為 0～20 m/min速度可調(diào)，曲面上穩(wěn)定行走，可自由轉(zhuǎn)向，可跨越寬度為50 mm，高度為15 mm的焊縫，工作高度為50 m，工作溫度范圍為?10～40 ℃，可以搭載焊接、清洗、噴涂、檢測(cè)、打磨等作業(yè)平臺(tái)。

2.2 焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了模擬實(shí)際的大構(gòu)建焊接場(chǎng)景，在實(shí)驗(yàn)室搭建如圖1所示的焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，在焊接平臺(tái)上開出了幾種不同的“窗口”，方便更換實(shí)驗(yàn)板。焊機(jī)型號(hào)為樂(lè)馳 S8，最大焊接電流可達(dá)400 A，滿足本次實(shí)驗(yàn)5 mm薄板的焊接需求。

采用爬壁機(jī)器人在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行EH36船用鋼立焊工藝研究，采用下行焊，焊槍夾角及焊接方向如圖2所示。

圖1 焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experiment platform of welding

圖2 焊槍角度及焊接方向示意圖Fig.2 Schematic diagram of welding torch angle and welding direction

3 結(jié)果及分析

分別對(duì)焊縫的宏觀形貌、微觀組織、硬度和拉伸性能進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)量。

3.1 焊縫宏觀形貌

從圖3中1#—3#焊縫可以看出，隨著焊接電流的減少，焊縫寬度越來(lái)越小，其中1#和2#焊縫有少量飛濺，3#焊縫由于焊接電流最小，幾乎沒(méi)有任何飛濺產(chǎn)生，但是1#和3#焊縫的焊縫寬度不是很均勻，有部分位置出現(xiàn)了變窄或變寬的現(xiàn)象，2#焊縫整體很均勻，幾乎沒(méi)有明顯的寬度變化現(xiàn)象。

圖3 焊縫宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of weld

對(duì)比圖3中2#，4#，5#焊縫可以看出，當(dāng)焊接速度減?。?#焊縫）時(shí)，焊縫寬度變大，焊縫寬度方向上整體變得很不均勻，外觀上出現(xiàn)了很多缺陷；當(dāng)焊接速度增加（5#焊縫）時(shí)，焊縫寬度變小，同樣在焊縫寬度方向上出現(xiàn)了不均勻的現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步對(duì)焊縫成形的最佳參數(shù)進(jìn)行確定，對(duì)焊縫的橫截面進(jìn)行了測(cè)量，得到圖4所示的焊縫截面。

圖4 焊縫橫截面Fig.4 Cross section of weld

對(duì)比1#—3#焊縫，隨著焊接電流的減小，焊縫的深寬比越來(lái)越大，每一組焊縫均未產(chǎn)生缺陷；對(duì)比4#，2#，5#焊縫，隨著焊接速度的增加，焊縫的深寬比越來(lái)越大，其中4#焊縫中出現(xiàn)了縮孔缺陷。對(duì)比以上5組焊縫可以看出，2#焊縫的深寬比適合，焊縫外觀成形良好，焊縫中也沒(méi)有出現(xiàn)氣孔縮松等缺陷，是本體立焊工藝中試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)。

3.2 焊縫微觀組織

對(duì)2#焊縫進(jìn)行微觀組織觀察，分別觀測(cè)焊核區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)的組織。

從圖5a可以看到母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊核區(qū)界限明顯，圖5b為母材區(qū)組織，以細(xì)小的等軸晶為主，圖5c為熱影響區(qū)組織，以粗大的粗晶奧氏體為主，熱影響區(qū)由于受到 MIG焊急熱急冷的熱循環(huán)作用，使得熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒急劇長(zhǎng)大，粗大的晶粒硬且脆。圖5d為焊核區(qū)組織，以長(zhǎng)條狀的柱狀晶為主。焊核區(qū)中的晶粒在熔合區(qū)附近被加熱到半熔化狀態(tài)，附著在基體金屬表面形核，以柱狀晶形態(tài)不斷向焊核中心生長(zhǎng)，最終長(zhǎng)成為長(zhǎng)條狀的粗大柱狀晶。

圖5 焊縫微觀組織Fig.5 Microstructures of weld

3.3 焊接接頭的硬度

接頭試樣的顯微硬度取樣位置如圖6所示。材料不同區(qū)域的顯微硬度值分布如圖7所示。

圖6 焊縫取樣位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of weld sampling position

母材區(qū)的硬度值較低，平均硬度值在 HV170左右，說(shuō)明高強(qiáng)鋼基體金屬的強(qiáng)度和韌性都比較高，力學(xué)性能優(yōu)良；熱影響區(qū)的硬度略高于母材區(qū)，平均硬度值在 HV185左右，分析是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)由粗大的粗晶奧氏體組成，導(dǎo)致顯微硬度略有升高。

焊核區(qū)的硬度最高，平均硬度值達(dá)到了 HV220左右，由于焊核區(qū)的晶粒長(zhǎng)成了粗大的長(zhǎng)條狀柱狀晶，導(dǎo)致焊核區(qū)的硬度顯著升高。

圖7 顯微硬度值分布Fig.7 Distribution of microhardness

3.4 焊接接頭的拉伸性能

拉伸試樣的取樣位置為沿著焊縫的方向，對(duì)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸完成后試樣斷裂位置如圖8所示?？梢钥吹?，由于采用平板堆焊的方式進(jìn)行焊接試驗(yàn)，所有拉伸試樣的斷裂位置均分布在試樣的中部，且斷裂位置不一致。結(jié)合圖3中焊縫橫截面可以看到，平板堆焊的堆焊層很淺，所以拉伸試樣的拉伸性能主要以母材的性能為主，所以所有的焊縫斷裂位置均集中在中部。

圖8 拉伸試樣斷裂位置Fig.8 Fracture position of the tensile specimen

所有拉伸試樣拉伸過(guò)程中測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表3，屈服強(qiáng)度的平均值為412 MPa，母材屈服強(qiáng)度為395 MPa；抗拉強(qiáng)度的平均值為567 MPa，母材抗拉強(qiáng)度為520 MPa。

表3 不同焊縫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值Tab.3 Tensile strength and yield strength of different welds MPa

從表3可以看到，經(jīng)過(guò)堆焊后5組焊縫之間的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度和母材比較差別不大，也說(shuō)明了由于堆焊層較淺，性能以母材為主，其中屈服強(qiáng)度較母材約提高了4.3%，抗拉強(qiáng)度較母材約提高了9.0%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)堆焊后，堆焊層可以增加組織的屈服強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度不會(huì)降低。

4 結(jié)論

通過(guò)自主設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及爬壁機(jī)器人進(jìn)行了EH36船用鋼豎直立焊的工藝研究，通過(guò)對(duì)焊縫的宏觀形貌、微觀組織、硬度和拉伸性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：在電流為160 A、電壓為24.5 V、焊接速度為0.6 m/min條件下，焊接5 mm厚EH36船用鋼，可以得到外觀成形較好、內(nèi)部沒(méi)有任何缺陷的立焊焊縫；通過(guò)對(duì)試樣的硬度和拉伸性能進(jìn)行分析，證明爬壁機(jī)器人完全適用于船用 EH36鋼的豎直立焊，并且可以應(yīng)用到船舶、石化等大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接工作中。