王晶晶

(中國船舶重工集團公司 第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

在船舶分段建造過程中，鋼板表面的底漆由于焊接、切割、機械碰撞等原因受到破壞，鋼材表面產(chǎn)生銹蝕，因此需要對分段表面銹蝕部位再次進行處理，稱為二次處理[1]。目前船廠常用的二次處理方法為噴砂處理。噴砂處理以壓縮空氣為動力源，將磨料以一定的速度噴向鋼板表面，通過磨料對鋼板表面的沖擊和磨削作用，去除鋼板表面的銹跡、氧化層和其他污染物，以達到鋼板表面清潔的目的[2-3]。

隨著造船技術(shù)的進步及節(jié)能減排增效的要求，掃砂工藝被越來越多的船廠采納。掃砂工藝通過在船舶分段建造過程中確保車間底漆的完整性及清潔度，以輕度噴砂的方式對鋼板表面進行二次處理，大幅減少在分段涂裝前的表面處理工作量[4-5]。噴砂工藝參數(shù)的選擇對掃砂工藝的實施具有重要影響。

1 噴砂工藝分析

為滿足綠色環(huán)保要求，降低污染物排放，自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備得到較為廣泛的應(yīng)用。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備由壓縮空氣將儲砂罐中的砂料運送至噴砂槍形成噴砂，通過真空回收設(shè)備將噴砂槍中的砂料與廢屑混合物回收至分離器進行分離，分離后的砂料進入儲砂罐循環(huán)利用。影響噴砂作業(yè)效果的主要參數(shù)包括噴砂壓力、噴砂距離、噴砂速度和噴砂角度等[6]。掃砂工藝作為一種輕度噴砂技術(shù)，在自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備的基礎(chǔ)上，可通過改變噴砂壓力和噴砂速度的方式實現(xiàn)輕度的噴砂表面處理，因此主要研究噴砂壓力和噴砂速度對噴砂工藝效果的影響。

1.1 噴砂壓力

噴砂壓力主要是指砂料輸送空氣閥處的壓力，該壓力最終決定砂料噴出時的動能大小。若壓力過小，則氣體無法帶動出砂管的丸料運動，導(dǎo)致噴砂斷斷續(xù)續(xù)，不穩(wěn)定，粗糙度無法得到保證；若壓力過大，則丸料動能變大，導(dǎo)致其切削在船體分段表面時，丸料自身磨損嚴重，甚至直接粉化，使用壽命降低，且丸料與壓縮空氣無法充分混合，即壓縮空氣沒有得到最大化利用，造成動能浪費。

1.2 噴砂速度

在噴砂程序中兩點間距離恒定，伺服電機通過輸入的時間改變機器人的行進速度。噴砂速度不僅影響最終粗糙度，而且影響型材表面的均勻性。若噴砂速度過快，則船舶分段表面的粗糙度將較不均勻，噴砂痕跡呈現(xiàn)波浪式，僅痕跡內(nèi)的粗糙度合格，而痕跡外的粗糙度值則偏低，甚至未經(jīng)噴砂處理。

2 試驗系統(tǒng)設(shè)置

試驗系統(tǒng)采用自動化設(shè)備以提高試驗精度，通過工業(yè)機器人與自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備集成為試驗平臺，開展噴砂試驗。試驗平臺組成如圖1所示，主要包括噴砂機器人本體及門架、電控系統(tǒng)、自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備等。按照功能，噴砂機器人本體分為機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動機構(gòu)、噴槍安裝機構(gòu)；自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備分為噴砂槍、粉塵分離單元、動力單元、回收單元。

圖1 自循環(huán)式噴砂工藝試驗平臺

試驗系統(tǒng)原理如圖2所示。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備的儲砂罐與氣源連接，通過過濾器對氣體進行過濾，通過調(diào)壓閥控制氣體壓力以調(diào)節(jié)噴砂壓力。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備通過砂料輸送管路為噴砂槍提供動力，與砂料形成噴砂，鋼板表面噴砂處理后的砂料及廢屑通過真空泵及回收管路進入分離器進行分離，分離后的砂料進入儲砂罐進行循環(huán)利用。機器人懸掛安裝在門架上以實現(xiàn)多自由度的大范圍運動，通過機器人搭載噴砂槍對鋼板表面進行處理。

圖2 試驗系統(tǒng)原理

噴砂機器人本體采用多關(guān)節(jié)型六軸工業(yè)機器人，重復(fù)定位精度為±0.1 cm。自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備氣源壓力為0.4～0.8 MPa，耗氣量為3.0～6.0 m3/min。試驗平臺鋼板材料為Q235，鋼板厚度為7.0 mm，在試驗平臺上均勻噴涂底漆，底漆的平均漆膜厚度為20.8 μm。

噴砂槍為自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備的主要部件之一，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。噴砂槍原理為：壓縮空氣以高速將磨料混合，沿噴槍噴嘴組件噴射至工件表面；磨料保護毛刷頭將磨料局限于噴槍體，噴射出去的磨料及廢屑由旋渦真空泵產(chǎn)生的負壓回收至噴砂機的儲砂罐內(nèi)，從而實現(xiàn)噴砂時的無粉塵作業(yè)。

圖3 噴砂槍結(jié)構(gòu)示例

試驗采用棕剛玉作為鋼板表面處理砂料，平均粒徑為700.0 μm，莫式硬度>9.0，軟化溫度為2 250 ℃，沖擊強度為60.0 MPa。

試驗步驟如下：(1)根據(jù)試驗參數(shù)，通過示教器確定機器人動作；(2)開啟自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備，調(diào)整噴砂參數(shù)，按照設(shè)定的運行軌跡運行機器人，開始鋼板表面噴砂作業(yè)；(3)噴砂結(jié)束，關(guān)閉砂料輸送，機器人復(fù)位；(4)數(shù)據(jù)采集。

噴砂處理后的鋼板表面形態(tài)如圖4所示。通過粗糙度儀對鋼板表面粗糙度進行測量，分析不同噴砂工藝參數(shù)對鋼板表面處理粗糙度的影響。

圖4 噴砂處理后的鋼板表面形態(tài)

3 結(jié)果與討論

3.1 噴砂壓力的影響

在噴砂距離為60.0 mm、噴砂速度為70.0 mm/s、噴砂角度為90°保持不變的情況下，噴砂壓力分別為0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa和0.7 MPa進行鋼板表面處理，噴砂作業(yè)完成，通過相機采集處理后的鋼板表面形態(tài)。放大30倍的鋼板表面特征如圖5所示。從噴砂效果來看，隨著壓力的增大，鋼板表面的粗糙度逐漸增大，原因主要在于：隨著壓力的增大，砂料獲取更大的動能，粒料顆粒對機體材料表面沖撞力量增大，從而局部粗糙度增大。在噴砂壓力為0.4 MPa時，鋼板表面仍有部分漆料的殘留物，說明在其他條件保持不變的情況下，0.4 MPa的噴砂壓力對鋼板表面的處理效果不理想。

圖5 不同噴砂壓力下的鋼板表面形態(tài)

對不同噴砂壓力下的鋼板表面粗糙度進行測量，在不同區(qū)域測量共計100組數(shù)據(jù)，取平均值作為該工況的噴砂處理表面粗糙度值。圖6為不同噴砂壓力下的鋼板表面粗糙度變化曲線。由圖6可知：鋼板表面粗糙度隨著壓力的增大而逐漸增大，在壓力為0.5 MPa、0.6 MPa和0.7 MPa時，鋼板表面粗糙度分別為41.0 μm、59.0 μm和65.0 μm，滿足鋼板后續(xù)涂覆30.0～70.0 μm的粗糙度要求[7]。

圖6 不同噴砂壓力下的鋼板表面粗糙度

3.2 噴砂速度的影響

噴砂速度對噴砂效果的影響主要在于鋼板表面噴砂時間的長短。在噴砂壓力為0.6 MPa、噴砂距離為60.0 mm、噴砂角度為90°保持不變的情況下，噴砂速度分別為50.0 mm/s、60.0 mm/s、70.0 mm/s和90.0 mm/s進行鋼板表面處理，噴砂作業(yè)完成，通過相機采集處理后的鋼板表面形態(tài)。放大30倍的鋼板表面特征如圖7所示。從噴砂效果來看，在其他條件保持不變時，隨著噴砂移動速度的增大，鋼板表面粗糙度逐漸減小。原因主要在于：隨著速度的增大，相同大小區(qū)域內(nèi)的噴砂時間減少，砂料顆粒對機體材料表面沖撞次數(shù)減少，從而局部粗糙度減小。

圖7 不同噴砂速度下的鋼板表面形態(tài)

對不同噴砂速度下的鋼板表面粗糙度進行測量，在不同區(qū)域測量共計100組數(shù)據(jù)，取平均值作為該工況的噴砂處理表面粗糙度值。圖8為不同噴砂速度下的鋼板表面粗糙度變化曲線，噴砂速度為50.0 mm/s、60.0 mm/s、70.0 mm/s和90.0 mm/s時，鋼板表面粗糙度分別為66.0 μm、63.0 μm、59.0 μm和51.0 μm，鋼板表面粗糙度隨著噴砂速度的增大而逐漸減小，與理論分析結(jié)果一致。

圖8 不同噴砂速度下的鋼板表面粗糙度

4 結(jié) 語

自循環(huán)式噴吸砂設(shè)備可通過調(diào)節(jié)噴砂壓力和噴砂速度實現(xiàn)掃砂工藝的應(yīng)用?；谧匝h(huán)式噴砂工藝試驗平臺進行鋼板表面噴砂處理試驗，通過控制變量的方法對噴砂壓力和噴砂速度的影響特性進行研究，對噴砂處理后的鋼板表面粗糙度情況進行測量，鋼板表面粗糙度隨著噴砂壓力的增大而增大，隨著噴砂速度的增大而減小，與理論結(jié)果一致。