基于爬壁機器人的EH36船用高強鋼立焊工藝研究

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 廣東省現代控制技術重點實驗室，廣州 510070；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

高強度的海洋工程用結構鋼板具有良好的綜合機械性能[1]、焊接性能和工藝性能[2]，適用于近海、深海采油平臺、大型船舶、沿海發電廠、碼頭設施等結構件[3—6]。隨著國內造船業的迅速發展，我國已成為世界最主要的造船大國之一[7—8]。高強鋼的應用在節約鋼材，減輕焊接結構自重方面起到了積極作用[9—13]。

目前在船體焊接組裝過程中，主要通過人工焊接和鋪設軌道的焊接小車來完成[14]，生產效率低，成本高，同時無法保證焊接質量的均勻性[15]。由于船體的外形尺寸比較大，船身絕大部分焊縫都是長直焊縫，需要一種特殊的焊接設備來完成[6]。磁吸附無軌爬壁機器人越來越廣泛地應用于船舶的噴涂、探傷、檢測、除銹等方面，但是采用無軌爬壁機器人進行自動化焊接的應用還很少。

為了提高船體等大型鋼結構設備的焊接工作效率、降低焊接成本，文中在自主設計搭建的立焊實驗平臺上采用磁吸附爬壁機器人進行EH36船用鋼板的焊接工藝研究，探究基于爬壁機器人焊接船用 EH36鋼板垂直立焊上的焊接工藝參數。

1 材料及焊接工藝方法

1.1 材料及參數

結合場地及設備的復雜性，本次實驗用鋼板為武漢鋼鐵公司生產的船用高強度鋼板 EH36，板厚為5 mm。主要化學成分及力學性能如表1所示，屈服強度≥395 MPa，抗拉強度≥520 MPa，伸長率≥21%，?40 ℃沖擊功≥34 J。

表1 船用EH36高強鋼的主要化學成分（質量分數）Tab.1 Main chemical compositions of marine EH36 high-strength steel (mass fraction) %

1.2 焊接工藝參數

由于本次實驗用鋼板為5 mm厚薄板，為了提高焊接質量和成形效果，采用熔化極氣體保護焊，保護氣為富氬混合氣體（82% Ar+18% CO，體積分數）。使用國產E711（Q）焊絲，焊絲直徑為1.2 mm。平板堆焊，本次實驗的主要焊接工藝參數如表2所示。

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

1.3 分析測試方法

首先采用放大倍數在6～10倍之間的蔡司Stemi-305型體視鏡對焊縫正反面進行宏觀成形形貌觀察，然后采用 DK7735型線切割機將材料加工成10 mm×10 mm×5 mm矩形試樣，進行金相顯微試驗，經過研磨、拋光，以及用體積分數為 4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用蔡司 Axioskop40型光學顯微鏡對試樣進行顯微組織觀察。

采用MH-3型顯微硬度計進行硬度檢測，選取的加載力為300 g，保壓時間為12 s，相鄰兩個測量點之間的距離為0.5 mm。在CMT-5150型萬能力學試驗機上進行樣品的拉伸試驗。

2 實驗

2.1 設備

實驗采用廣東省智能制造研究所自主研發的WRobot-50型磁吸附爬壁機器人，其結構緊湊簡單，能夠利用磁輪的結構特點，實現平面、曲面、大型鋼體等各種復雜導磁面的爬行和轉向，利用操作機構的中鋁合金型材的連接實現各類作業模塊的有效組合，準確高效地完成焊接、探傷、除銹、清洗等作業任務。該爬壁機器人的型號為WRobot-50，本體質量為52 kg，負載能力為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，曲面上穩定行走，可自由轉向，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、打磨等作業平臺。

2.2 焊接實驗平臺搭建

為了模擬實際的大構建焊接場景，在實驗室搭建如圖1所示的焊接實驗平臺，同時考慮到實驗的可重復性，在焊接平臺上開出了幾種不同的“窗口”，方便更換實驗板。焊機型號為樂馳 S8，最大焊接電流可達400 A，滿足本次實驗5 mm薄板的焊接需求。

采用爬壁機器人在試驗平臺上進行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 焊接實驗平臺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 結果及分析

分別對焊縫的宏觀形貌、微觀組織、硬度和拉伸性能進行觀測和測量。

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，幾乎沒有任何飛濺產生，但是1#和3#焊縫的焊縫寬度不是很均勻，有部分位置出現了變窄或變寬的現象，2#焊縫整體很均勻，幾乎沒有明顯的寬度變化現象。

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

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

為了進一步對焊縫成形的最佳參數進行確定，對焊縫的橫截面進行了測量，得到圖4所示的焊縫截面。

圖4 焊縫橫截面Fig.4 Cross section of weld

對比1#—3#焊縫，隨著焊接電流的減小，焊縫的深寬比越來越大，每一組焊縫均未產生缺陷；對比4#，2#，5#焊縫，隨著焊接速度的增加，焊縫的深寬比越來越大，其中4#焊縫中出現了縮孔缺陷。對比以上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，焊縫中也沒有出現氣孔縮松等缺陷，是本體立焊工藝中試驗的最佳工藝參數。

3.2 焊縫微觀組織

對2#焊縫進行微觀組織觀察，分別觀測焊核區、熱影響區以及母材區的組織。

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

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

母材區的硬度值較低，平均硬度值在 HV170左右，說明高強鋼基體金屬的強度和韌性都比較高，力學性能優良；熱影響區的硬度略高于母材區，平均硬度值在 HV185左右，分析是因為熱影響區由粗大的粗晶奧氏體組成，導致顯微硬度略有升高。

焊核區的硬度最高，平均硬度值達到了 HV220左右，由于焊核區的晶粒長成了粗大的長條狀柱狀晶，導致焊核區的硬度顯著升高。

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，對拉伸試樣進行拉伸試驗，拉伸完成后試樣斷裂位置如圖8所示。可以看到，由于采用平板堆焊的方式進行焊接試驗，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程中測得的屈服強度和抗拉強度見表3，屈服強度的平均值為412 MPa，母材屈服強度為395 MPa；抗拉強度的平均值為567 MPa，母材抗拉強度為520 MPa。

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

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

4 結論

通過自主設計搭建的實驗平臺以及爬壁機器人進行了EH36船用鋼豎直立焊的工藝研究，通過對焊縫的宏觀形貌、微觀組織、硬度和拉伸性能進行分析，得到以下結論：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、內部沒有任何缺陷的立焊焊縫；通過對試樣的硬度和拉伸性能進行分析，證明爬壁機器人完全適用于船用 EH36鋼的豎直立焊，并且可以應用到船舶、石化等大型鋼結構件的焊接工作中。