饒洪華

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

近幾年，隨著我國科技水平不斷進步及工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃的提出，智能化制造已逐漸在各個領(lǐng)域開始實施應(yīng)用。焊接作為一個重要的制造技術(shù)和材料科學(xué)的重要專業(yè)學(xué)科，智能化焊接技術(shù)制造的發(fā)展也備受人們的關(guān)注。短短幾十年間，通過電子智能、機械智能、數(shù)據(jù)智能等各學(xué)科的發(fā)展和帶動，智能焊接機器已經(jīng)應(yīng)用于船舶、汽車、橋梁、電氣制造等多個領(lǐng)域，為我國工業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展做出了重要的貢獻，獲得了顯著的經(jīng)濟與社會效益[1]。

本文以超級雙相不銹鋼焊接在船舶智能制造中的應(yīng)用為背景，闡述弧焊機器人在智能化條件下實現(xiàn)焊縫自動跟蹤，實現(xiàn)弧焊動態(tài)過程智能控制技術(shù)，滿足模塊建造中超級雙向不銹鋼的焊接質(zhì)量要求 （高的強度、優(yōu)異的低溫韌性及符合鐵素體含量）。對此我們對相關(guān)焊接設(shè)備及工藝要求進行了詳細研究。

1 智能弧焊機器人的焊接質(zhì)量控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)機器人主要適用于重復(fù)性的焊接工作，而船舶制造中的有色金屬管道焊接工作卻具有小批量、多規(guī)格、復(fù)雜等焊接特點，因此使用傳統(tǒng)機器不易于有色金屬管道施工。而智能機器人在傳統(tǒng)工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上增加了視覺系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、預(yù)測系統(tǒng)等功能，對于焊接船舶金屬管道具有較好的，現(xiàn)將其特點簡要說明：

1.1 焊縫自動跟蹤系統(tǒng)

智能機器人對于管子壁厚、直徑誤差、管子橢圓度達到國標上下限以內(nèi)，均能兼容。針對待焊工件的間隙差異，焊縫坡口尺寸不一致等問題，智能機器人的視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)均能進行兼容和適應(yīng)，在焊接過程中根據(jù)偏差實時調(diào)節(jié)。

智能機器人焊接對管子組對誤差可兼容±3 mm，對管子的橢圓度可兼容±0.3%，對管子的直徑誤差可兼容±1.5%。并且具備TIG 弧長跟蹤功能，其弧長跟蹤效應(yīng)速度10 mm/min～700 mm/min，跟蹤范圍0 mm～60 mm，橢圓度變化均可滿足兼容工件一致性誤差。

1.2 焊接過程可視

智能機器人對焊接過程中的參數(shù)，電流、電壓進行實時監(jiān)控。對焊接電流、電壓的監(jiān)控精度可達±0.1 A 和±0.1 V，頻率達100 Hz 以上，可以發(fā)現(xiàn)焊接過程中參數(shù)的細微變化。

2 超級雙相不銹鋼的焊接性分析

2.1 概述

超級雙相不銹鋼中奧氏體和鐵素體兩相組織的微觀結(jié)構(gòu)各約占一半，因此其具備了雙重“不銹鋼”的屬性，雙相不銹鋼具有鐵素體不銹鋼的大強度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低線性膨脹系數(shù)等特點。同時其優(yōu)秀韌性、脆性轉(zhuǎn)溫小、良好焊接性又與奧氏體不銹鋼相同。其次，其耐氯腐蝕、抗疲勞和晶體間腐蝕、屈服強度是18-8 奧氏體不銹鋼的2 倍。這些性能都是工業(yè)生產(chǎn)的需要，可以節(jié)省大量焊接料,降低生產(chǎn)制造成本。因此超級雙相不銹鋼已廣泛應(yīng)用在船舶制造、石油制造、天然氣設(shè)備等各個領(lǐng)域[2]。

優(yōu)秀物理也決定了其焊接性能方面的優(yōu)異表現(xiàn)，S32750 超級雙相不銹鋼具有焊接高溫條件下開裂低、脆化傾向小、熱影響區(qū)內(nèi)晶粒不易粗化、韌性變化小等特點，利用這些特點可以使用GTAW 對S32750 超級雙相不銹鋼進行焊接，如熔化極氣體保護焊——SMAW，但要大面積在造船工業(yè)中應(yīng)用，還需詳細掌握超級雙相鋼滿足的以下性能。

2.2 硬度

很多工程項目都會有不同的硬度要求，一般管材要符合NACE0175 要求時，硬度需要滿足小于32HRC。一般來說，根部的硬度值容易超出要求，這是由于焊接過程中熱循環(huán)造成的。這就要求弧焊機器人焊接過程中盡量減少焊接層數(shù)，以免造成根部的硬度增加，而智能控制熱輸入及層間溫度對硬度影響也很大。

2.3 韌性

一般要求超級雙相不銹鋼滿足?46℃，27 J 沖擊，此鋼材韌性與焊縫金屬的氧含量密切相關(guān)，采用弧焊機器人GTAW 焊接方法可以獲得好的韌性指標。

2.4 鐵素體含量

一般要求超級雙相不銹鋼鐵素體含量為35%～65%，這是超級雙相不銹鋼焊接難點。當焊材選定時，影響鐵素體含量的主要因素為冷卻速率，而冷卻速率又與熱輸入、層間溫度、預(yù)熱、接頭厚度等因素相關(guān)。冷卻速度越快、鐵素體含量越高。

2.5 腐蝕性能

超級雙相不銹鋼要求進行ASTM G 48 A，24 h，40°腐蝕試驗。要求20X，無腐蝕斑點、質(zhì)量損耗不超過4.0 g/m2。引起試驗失敗的主要原因是根部焊接工藝和根部氮缺失，因此推薦根部使用98%Ar+2%N 的氣體進行保護，根部焊接采用機器人視覺跟蹤系統(tǒng)尤為重要。

3 試驗材料及弧焊智能機器人焊接方法

3.1 試驗材料

試驗?zāi)覆牟捎忙?19 mm、δ8.2 mm 的鋼管，化學(xué)成分見表1[3]，力學(xué)性能見表2[3]。

表1 鋼管的化學(xué)成分

表2 S 32750 鋼管的力學(xué)性能

3.2 弧焊智能機器人焊接方法

根據(jù)產(chǎn)品的實際情況，采用弧焊智能機器人鎢極氬弧焊（GTAW），,焊接材料采用AWS C LASS: ER2594 型焊材，具體化學(xué)成分見表3。

表3 焊材的化學(xué)成分（wt%）

3.3 焊前準備

1）S32750 鋼管的切割以及坡口加工盡量采用機械加工的方法，也可采用氣割或等離子下料和制備坡口，加工或切割后的坡口應(yīng)進行打磨。

2）本次設(shè)計坡口形式為施工中最常用的坡口形式：雙面V 型55°坡口，間隙1 mm～3 mm，鈍邊0 mm～1 mm，錯邊量小于1.5 mm[2]。

3）因定位焊縫將成為正式焊縫一部分，所以在正式焊接之前必須對定位焊道用打磨、銼等方法將起、收弧點進行光順處理，使其能與正式焊縫較好的熔合。

4）坡口及其兩側(cè)各20 mm 范圍內(nèi)應(yīng)用機械方法及有機溶劑進行表面清理，清除表面的油污、銹跡、金屬屑、氧化膜及其他污物[4]。

3.4 焊接工藝參數(shù)

1）熱輸入量為單位長度焊縫所接受的能量，是影響焊接熱循環(huán)的主要因素，也就是說控制熱輸入是保機械性能和鐵素體含量試驗的關(guān)鍵[5]。智能機器人依據(jù)視覺傳感器自動跟蹤焊縫形狀,在電流一定的條件下對焊接速度進行調(diào)整，以滿足在焊接過程中的坡口形狀、間隙變化等情況下的焊接熱輸入。具體焊接參數(shù)，見表4。

表4 焊接參數(shù)

2）起弧須在坡口內(nèi)進行，打底焊道完成后直接進行填充焊接，焊縫連續(xù)一次完成。

3）熄弧時根據(jù)電流相應(yīng)，調(diào)整電流的衰減來延時斷氣（控制在3 s 以上）后噴嘴緩慢退出熔池。收弧時機器人設(shè)定良好工藝，自動識別收弧方法，保證填滿弧坑。

4 試驗分析結(jié)果

4.1 無損檢驗

焊接全部結(jié)束后，進行外觀檢查。咬邊、表面氣孔、裂紋、夾渣等缺陷焊縫區(qū)均未發(fā)現(xiàn)，焊縫余高1.0 mm 左右。焊接區(qū)域圓滑過渡，成型較好；經(jīng)RT 探傷也未發(fā)現(xiàn)缺陷，符合質(zhì)量標準[6]。

4.2 拉伸試驗

強度試驗采用WE-100 型電液式萬能材料試驗機，該是采用了液壓動力源驅(qū)動，采用智能測控儀表對試驗數(shù)據(jù)采集處理，其由主機、供油動力系統(tǒng)、監(jiān)測控儀、試驗機具等部分組成，MAX 試驗力可以達到100 kN，準確度大于1 級。WE-100B 型電液式萬能材料試驗機可以滿足國家級別標準試驗，不同材料或產(chǎn)品的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等可由其完成。

拉伸試驗將拉伸試樣固定在WE-100 型萬能試驗機上，試驗機器測量為2%～100%FS，試驗力測量準確度±1%。通過構(gòu)件兩端施加應(yīng)力，直到構(gòu)件延長度方向破斷為止，試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 拉伸試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果可以看出拉伸試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.3 彎曲試驗

焊接后承受變形能力是此試驗的目的，試驗機放置焊接好的構(gòu)件進行彎曲。按照規(guī)范要求，取不小于4 個側(cè)彎試樣，施加63.5 mm 壓頭直徑進行試驗，彎曲180°，在施加應(yīng)力后試樣表面無裂紋，且無長度大于3 mm 的裂紋缺陷，其試驗結(jié)果滿足要求[7]。

4.4 沖擊試驗

將加工試塊安裝在JB-30B 沖擊試驗機，通過施加外界沖擊力使得結(jié)合面的標價處發(fā)生破斷，通過變形處單位面積上所產(chǎn)生的沖擊力來，間接計算出焊接接頭的沖擊力，試驗中建議采用?46℃的夏比型沖擊，取樣區(qū)域在距焊縫表面2 mm，分別列出焊縫中心以及距離熔合線0 mm、1 mm、2 mm、5 mm處，試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 沖擊試驗結(jié)果

沖擊結(jié)果分析出試件焊接位置性能滿足規(guī)范要求。

4.5 宏觀及硬度試驗

1）宏觀部分的焊接檢查發(fā)現(xiàn)完全焊透中沒有裂紋缺陷等問題。

2）焊接接頭焊縫金屬的熱影響區(qū)和母材的硬度測量，硬度值如表7 所示。

表7 硬度試驗結(jié)果

4.6 腐蝕試驗

按照ASTM G48 A要求，對試樣在試驗溫度為40℃條件下進行24 h 腐蝕試驗。結(jié)果在20X 未發(fā)現(xiàn)點腐蝕，腐蝕率0.39 g/m2，滿足要求。

4.7 鐵素體含量測量

按照ASTM E562-11 測定方法對試樣進行鐵素體含量測量[8]，測量結(jié)果如表7 所示。

5 結(jié)論

大連中遠海運重工有限公司通過利用智能焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)應(yīng)用，開展智能鎢極氬弧焊焊接S32750 鋼，并在合理焊接工藝條件要求下，試驗各項數(shù)據(jù)說明智能焊接完全可以達到人工施焊要求，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。經(jīng)過長時間反復(fù)試驗和經(jīng)驗積累，逐步對試驗中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行了詳細掌握和分析，基本掌握了S32750 鋼的弧焊機械機器人智能化鎢極氬弧焊焊接技術(shù)，為今后指導(dǎo)生產(chǎn)提供了寶貴經(jīng)驗。

表7 鐵素體檢測結(jié)果

中國勞動成本的上升，低價勞動力優(yōu)勢逐漸消失，以舊的經(jīng)營方式將不可能持續(xù)推進“中國制造”的快速發(fā)展，這使得越來越多的加工制造企業(yè)發(fā)展焊接機器人技術(shù)。焊接機器人不應(yīng)該再是制造領(lǐng)域中的奢侈品，應(yīng)該讓焊接機器人逐漸走入“平常百姓家”。因此，將通過現(xiàn)有的技術(shù)改進和優(yōu)化，努力突破機器人焊接智能關(guān)鍵技術(shù)，使得“奢侈”的焊接機器人技術(shù)可以在工業(yè)基層中得到廣泛的應(yīng)用。