基于爬壁机器人的EH36船用高强钢立焊工艺研究

曹立超，刘晓光,，蒋晓明，张浩，王振民

（1.广东省智能制造研究所 广东省现代控制技术重点实验室，广州 510070；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）

高强度的海洋工程用结构钢板具有良好的综合机械性能[1]、焊接性能和工艺性能[2]，适用于近海、深海采油平台、大型船舶、沿海发电厂、码头设施等结构件[3—6]。随着国内造船业的迅速发展，我国已成为世界最主要的造船大国之一[7—8]。高强钢的应用在节约钢材，减轻焊接结构自重方面起到了积极作用[9—13]。

目前在船体焊接组装过程中，主要通过人工焊接和铺设轨道的焊接小车来完成[14]，生产效率低，成本高，同时无法保证焊接质量的均匀性[15]。由于船体的外形尺寸比较大，船身绝大部分焊缝都是长直焊缝，需要一种特殊的焊接设备来完成[6]。磁吸附无轨爬壁机器人越来越广泛地应用于船舶的喷涂、探伤、检测、除锈等方面，但是采用无轨爬壁机器人进行自动化焊接的应用还很少。

为了提高船体等大型钢结构设备的焊接工作效率、降低焊接成本，文中在自主设计搭建的立焊实验平台上采用磁吸附爬壁机器人进行EH36船用钢板的焊接工艺研究，探究基于爬壁机器人焊接船用 EH36钢板垂直立焊上的焊接工艺参数。

1 材料及焊接工艺方法

1.1 材料及参数

结合场地及设备的复杂性，本次实验用钢板为武汉钢铁公司生产的船用高强度钢板 EH36，板厚为5 mm。主要化学成分及力学性能如表1所示，屈服强度≥395 MPa，抗拉强度≥520 MPa，伸长率≥21%，−40 ℃冲击功≥34 J。

表1 船用EH36高强钢的主要化学成分（质量分数）Tab.1 Main chemical compositions of marine EH36 high-strength steel (mass fraction) %

1.2 焊接工艺参数

由于本次实验用钢板为5 mm厚薄板，为了提高焊接质量和成形效果，采用熔化极气体保护焊，保护气为富氩混合气体（82% Ar+18% CO，体积分数）。使用国产E711（Q）焊丝，焊丝直径为1.2 mm。平板堆焊，本次实验的主要焊接工艺参数如表2所示。

表2 焊接工艺参数Tab.2 Process parameters of welding

1.3 分析测试方法

首先采用放大倍数在6～10倍之间的蔡司Stemi-305型体视镜对焊缝正反面进行宏观成形形貌观察，然后采用 DK7735型线切割机将材料加工成10 mm×10 mm×5 mm矩形试样，进行金相显微试验，经过研磨、抛光，以及用体积分数为 4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用蔡司 Axioskop40型光学显微镜对试样进行显微组织观察。

采用MH-3型显微硬度计进行硬度检测，选取的加载力为300 g，保压时间为12 s，相邻两个测量点之间的距离为0.5 mm。在CMT-5150型万能力学试验机上进行样品的拉伸试验。

2 实验

2.1 设备

实验采用广东省智能制造研究所自主研发的WRobot-50型磁吸附爬壁机器人，其结构紧凑简单，能够利用磁轮的结构特点，实现平面、曲面、大型钢体等各种复杂导磁面的爬行和转向，利用操作机构的中铝合金型材的连接实现各类作业模块的有效组合，准确高效地完成焊接、探伤、除锈、清洗等作业任务。该爬壁机器人的型号为WRobot-50，本体质量为52 kg，负载能力为110 kg，最小爬行的曲面直径为D>0.35 m，爬壁角度为 0～180°，行走能力为 0～20 m/min速度可调，曲面上稳定行走，可自由转向，可跨越宽度为50 mm，高度为15 mm的焊缝，工作高度为50 m，工作温度范围为−10～40 ℃，可以搭载焊接、清洗、喷涂、检测、打磨等作业平台。

2.2 焊接实验平台搭建

为了模拟实际的大构建焊接场景，在实验室搭建如图1所示的焊接实验平台，同时考虑到实验的可重复性，在焊接平台上开出了几种不同的“窗口”，方便更换实验板。焊机型号为乐驰 S8，最大焊接电流可达400 A，满足本次实验5 mm薄板的焊接需求。

采用爬壁机器人在试验平台上进行EH36船用钢立焊工艺研究，采用下行焊，焊枪夹角及焊接方向如图2所示。

图1 焊接实验平台Fig.1 Experiment platform of welding

图2 焊枪角度及焊接方向示意图Fig.2 Schematic diagram of welding torch angle and welding direction

3 结果及分析

分别对焊缝的宏观形貌、微观组织、硬度和拉伸性能进行观测和测量。

3.1 焊缝宏观形貌

从图3中1#—3#焊缝可以看出，随着焊接电流的减少，焊缝宽度越来越小，其中1#和2#焊缝有少量飞溅，3#焊缝由于焊接电流最小，几乎没有任何飞溅产生，但是1#和3#焊缝的焊缝宽度不是很均匀，有部分位置出现了变窄或变宽的现象，2#焊缝整体很均匀，几乎没有明显的宽度变化现象。

图3 焊缝宏观形貌Fig.3 Macro appearance of weld

对比图3中2#，4#，5#焊缝可以看出，当焊接速度减小（4#焊缝）时，焊缝宽度变大，焊缝宽度方向上整体变得很不均匀，外观上出现了很多缺陷；当焊接速度增加（5#焊缝）时，焊缝宽度变小，同样在焊缝宽度方向上出现了不均匀的现象。

为了进一步对焊缝成形的最佳参数进行确定，对焊缝的横截面进行了测量，得到图4所示的焊缝截面。

图4 焊缝横截面Fig.4 Cross section of weld

对比1#—3#焊缝，随着焊接电流的减小，焊缝的深宽比越来越大，每一组焊缝均未产生缺陷；对比4#，2#，5#焊缝，随着焊接速度的增加，焊缝的深宽比越来越大，其中4#焊缝中出现了缩孔缺陷。对比以上5组焊缝可以看出，2#焊缝的深宽比适合，焊缝外观成形良好，焊缝中也没有出现气孔缩松等缺陷，是本体立焊工艺中试验的最佳工艺参数。

3.2 焊缝微观组织

对2#焊缝进行微观组织观察，分别观测焊核区、热影响区以及母材区的组织。

从图5a可以看到母材区、热影响区和焊核区界限明显，图5b为母材区组织，以细小的等轴晶为主，图5c为热影响区组织，以粗大的粗晶奥氏体为主，热影响区由于受到 MIG焊急热急冷的热循环作用，使得热影响区的粗晶区晶粒急剧长大，粗大的晶粒硬且脆。图5d为焊核区组织，以长条状的柱状晶为主。焊核区中的晶粒在熔合区附近被加热到半熔化状态，附着在基体金属表面形核，以柱状晶形态不断向焊核中心生长，最终长成为长条状的粗大柱状晶。

图5 焊缝微观组织Fig.5 Microstructures of weld

3.3 焊接接头的硬度

接头试样的显微硬度取样位置如图6所示。材料不同区域的显微硬度值分布如图7所示。

图6 焊缝取样位置示意图Fig.6 Schematic diagram of weld sampling position

母材区的硬度值较低，平均硬度值在 HV170左右，说明高强钢基体金属的强度和韧性都比较高，力学性能优良；热影响区的硬度略高于母材区，平均硬度值在 HV185左右，分析是因为热影响区由粗大的粗晶奥氏体组成，导致显微硬度略有升高。

焊核区的硬度最高，平均硬度值达到了 HV220左右，由于焊核区的晶粒长成了粗大的长条状柱状晶，导致焊核区的硬度显著升高。

图7 显微硬度值分布Fig.7 Distribution of microhardness

3.4 焊接接头的拉伸性能

拉伸试样的取样位置为沿着焊缝的方向，对拉伸试样进行拉伸试验，拉伸完成后试样断裂位置如图8所示。可以看到，由于采用平板堆焊的方式进行焊接试验，所有拉伸试样的断裂位置均分布在试样的中部，且断裂位置不一致。结合图3中焊缝横截面可以看到，平板堆焊的堆焊层很浅，所以拉伸试样的拉伸性能主要以母材的性能为主，所以所有的焊缝断裂位置均集中在中部。

图8 拉伸试样断裂位置Fig.8 Fracture position of the tensile specimen

所有拉伸试样拉伸过程中测得的屈服强度和抗拉强度见表3，屈服强度的平均值为412 MPa，母材屈服强度为395 MPa；抗拉强度的平均值为567 MPa，母材抗拉强度为520 MPa。

表3 不同焊缝抗拉强度和屈服强度值Tab.3 Tensile strength and yield strength of different welds MPa

从表3可以看到，经过堆焊后5组焊缝之间的屈服强度和抗拉强度和母材比较差别不大，也说明了由于堆焊层较浅，性能以母材为主，其中屈服强度较母材约提高了4.3%，抗拉强度较母材约提高了9.0%，说明经过堆焊后，堆焊层可以增加组织的屈服强度，而抗拉强度不会降低。

4 结论

通过自主设计搭建的实验平台以及爬壁机器人进行了EH36船用钢竖直立焊的工艺研究，通过对焊缝的宏观形貌、微观组织、硬度和拉伸性能进行分析，得到以下结论：在电流为160 A、电压为24.5 V、焊接速度为0.6 m/min条件下，焊接5 mm厚EH36船用钢，可以得到外观成形较好、内部没有任何缺陷的立焊焊缝；通过对试样的硬度和拉伸性能进行分析，证明爬壁机器人完全适用于船用 EH36钢的竖直立焊，并且可以应用到船舶、石化等大型钢结构件的焊接工作中。