自動(dòng)化焊接技術(shù)在薄板成型中的應(yīng)用

周昌盛

（大連遼南船廠，遼寧大連 116041）

自動(dòng)化焊接技術(shù)在薄板成型中的應(yīng)用

周昌盛

（大連遼南船廠，遼寧大連 116041）

結(jié)合某型高速船鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的建造，闡述了在薄板焊接成型質(zhì)量控制過程中，針對船體建造流程和船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定詳細(xì)的焊接施工工藝。通過采用多種自動(dòng)化焊接方式以及不同焊接方式的組合，有效控制了薄板的焊接變形，使該船薄板結(jié)構(gòu)的整體成型效果達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平?？偨Y(jié)的大量自動(dòng)化焊接技術(shù)在薄板成型中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可供業(yè)內(nèi)同行參考使用。

自動(dòng)化焊接；薄板成型；自動(dòng)化率

0 引言

自動(dòng)化焊接技術(shù)在我國飛速發(fā)展的造船業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代船舶產(chǎn)品的多樣化、大型化和海洋工程的開發(fā)，船舶產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化率也在逐年提升。目前，我國船舶產(chǎn)品焊接技術(shù)機(jī)械化、自動(dòng)化率可以達(dá)到45%以上，先進(jìn)船廠的焊接自動(dòng)化率已突破了50%。但對于航速要求較高的中小型高速船舶，其焊接自動(dòng)化率一直不高?？紤]高速船舶的特殊性能，為了保證一定的航速，在設(shè)計(jì)時(shí)不得不盡量采用強(qiáng)度較高、厚度較薄的鋼板作為船體的主要材料，以降低船體自身重量。船體結(jié)構(gòu)中大量薄板的應(yīng)用，導(dǎo)致自動(dòng)化焊接設(shè)備的高效性和適應(yīng)性受到很大制約，這是其焊接自動(dòng)化率偏低的主要原因之一。

薄板焊接成型問題一直是船舶企業(yè)所面臨的一個(gè)難題。焊接時(shí)的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的決定因素[1]。以大連遼南船廠（以下簡稱“船廠”）承造的某型高速船為例，在該型船的建造前期，工廠通過總結(jié)以往的薄板焊接經(jīng)驗(yàn)和外出調(diào)研成果，并根據(jù)全船薄板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以鋼板受熱均勻、成型美觀為基本原則，進(jìn)行了三十余項(xiàng)焊接工藝性試驗(yàn)，最終針對薄板焊接變形控制精選出一系列較實(shí)用的自動(dòng)焊焊接方式、方法用于該船的實(shí)際焊接施工中，并取得了巨大的成功，得到了各級領(lǐng)導(dǎo)和專家的高度贊揚(yáng)。本文將結(jié)合某型高速船的建造，按照船體建造流程（船體建造一般分為鋼料加工、分段建造、分段總組、塢臺(tái)搭載等四個(gè)階段[2]）和船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對厚度為3mm~6mm的薄板自動(dòng)焊焊接工藝進(jìn)行總結(jié)和完善。

1 鋼料加工階段

鋼料加工階段是船體建造過程中最能體現(xiàn)焊接自動(dòng)化水平的階段。該階段主要包括數(shù)控下料、拼板、劃線、零部件組對及焊接等工序，除型材組對外，平板的拼接、平面板架的焊接均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

1.1 平板的拼接

1.1.1 薄板拼接方法的選擇

對于6mm以下薄板的拼接，按以往的經(jīng)驗(yàn)，正反面焊接均采用CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊進(jìn)行。該種焊接方法雖然使得焊縫成型美觀，但也存在工序繁雜、效率底、焊接質(zhì)量不易控制等缺點(diǎn)?？紤]到CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊的諸多缺點(diǎn)，引進(jìn)了細(xì)絲埋弧焊技術(shù)，利用Ф2.0mm焊絲對4mm~6mm薄板進(jìn)行自動(dòng)化焊接，大大地提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。細(xì)絲埋弧焊的焊縫成型不如CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊美觀，相對而言，其焊接變形也較大。為此，經(jīng)過對船體薄板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和在實(shí)船上所處位置的仔細(xì)分析，既考慮焊接效率又兼顧焊縫表面成型效果，嘗試采用組合焊，并取得了成功。在焊縫設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)調(diào)將細(xì)絲埋弧焊焊縫放在有結(jié)構(gòu)一側(cè)（一般為艙室內(nèi)側(cè)），在甲板面和通道兩側(cè)盡量設(shè)置CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊焊縫。

1.1.2 薄板拼接工藝要求

1）嚴(yán)格控制鋼板對接間隙，3mm板材拼接對接間隙不大于1mm，6mm及以下板材拼接對接間隙控制在1.5mm~2mm之間（板材拼接焊縫間隙僅適用于CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊），并且在坡口處倒角，薄板拼接坡口參數(shù)如表1所示，示意圖如圖1所示。

表1 薄板拼接坡口參數(shù)

圖1 薄板拼接坡口示意圖

2）定位焊焊點(diǎn)直徑為5mm，焊點(diǎn)間距為50mm，均勻分布。焊前對定位焊部位進(jìn)行打磨，焊肉磨平高度約為 0~0.5mm，焊點(diǎn)高度不能超過鋼板表面0.5mm，以免影響焊縫表面質(zhì)量。

3）采用單面定位焊，先焊接定位焊面，翻身后，除3mm板材需清根后焊接外，4mm~6mm板材打磨后直接采用細(xì)絲埋弧焊進(jìn)行焊接。

4）平板拼接前將磁性壓碼或?qū)Ｓ脡喊迤骶鶆蚍胖迷诤缚p兩側(cè)，磁性壓碼間距為500mm左右，板材周邊用馬板固定，防止板材翹起，如圖2所示。在不影響焊接的情況下，磁性壓碼或?qū)Ｓ脡喊迤鲬?yīng)盡量靠近焊縫，待焊縫冷卻后方可移開。磁性壓碼應(yīng)采用防磁措施（在靠近焊縫一側(cè)的磁性壓碼旁墊上鋁板），避免造成焊接作業(yè)時(shí)產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。

圖2 平板拼板壓鐵擺放示意圖

5）平板拼接焊接時(shí)，CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊選用Φ0.8mm實(shí)芯焊絲，埋弧自動(dòng)焊選用Φ2.0mm焊絲，此種焊接方法僅適用于4mm~6mm板材的拼接，其規(guī)范如表2所示。

表2 平板拼接焊接規(guī)范（組合焊）

1.2 平面板架的焊接

1.2.1 平面板架焊接方法的選擇

薄板平面板架的焊接效果是薄板成型的關(guān)鍵，該工序焊接方法使用不當(dāng)會(huì)直接影響后續(xù)工序乃至全船薄板整體成型質(zhì)量。要想板架成型效果好必須做好以下三點(diǎn)：1）焊腳尺寸一致且趨近設(shè)計(jì)尺寸下限；2）板架整體受熱均勻；3）做到焊接有序。

自動(dòng)角焊小車是同時(shí)滿足前兩點(diǎn)要求的不二選擇。結(jié)構(gòu)安裝時(shí)應(yīng)考慮自動(dòng)焊小車的利用率情況。在平面板架結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，應(yīng)將方向一致且數(shù)量多的結(jié)構(gòu)先安裝。一般情況下，先安裝全部縱向結(jié)構(gòu)，使用自動(dòng)角焊小車焊接后，再安裝橫向結(jié)構(gòu)。由于形成了十字相交結(jié)構(gòu)形式，須將小車的軌道用特定的工裝墊平，分段焊接橫向結(jié)構(gòu)。此種方法焊接的平面板架，自動(dòng)化焊接量最高可達(dá)到焊縫總長的80%以上。

1.2.2 平面板架裝配、焊接工藝要求

1）使用專用平臺(tái)裝配、焊接，平臺(tái)表面平面度保證在±1mm/5m。

2）平面板架結(jié)構(gòu)裝配間隙應(yīng)控制在0.5mm以下，盡量做到“不透光”。

3）定位焊分布均勻，間距為50mm為宜，并只在結(jié)構(gòu)的一側(cè)定位焊，不得使用拉桿固定。

4）焊前使用厚度為 25mm~35mm、寬度為300mm的條形壓鐵，放置在預(yù)先釘焊好的結(jié)構(gòu)兩側(cè)，待焊縫冷卻后方可移開。為使焊接應(yīng)力能夠自由釋放，板架邊緣無需剛性固定，平面板架焊接壓鐵擺放如圖3所示。

圖3 平面板架焊接壓鐵擺放示意圖

5）單道焊縫由中向兩端施焊，多道焊縫由中向兩側(cè)交錯(cuò)施焊，型材同一側(cè)焊縫一次性焊接完畢后再焊另一側(cè)焊縫，焊接順序如圖4所示。

6）平板板架焊接時(shí)采用CO2氣體保護(hù)自動(dòng)角焊進(jìn)行，選擇Φ0.8mm焊絲，焊前打磨清理待焊部位，其焊接規(guī)范如下：電流 70A~90A；電壓18V~20V；小車行走速度：350mm/min~400mm/min。

7）薄板平面板架焊接時(shí)，應(yīng)將焊腳高度控制在0.9K~1.0K（K為焊腳設(shè)計(jì)高度）范圍內(nèi)。

圖4 平面板架焊接順序示意圖

2 分段建造階段

分段建造即分段裝配，是將鋼料加工階段所形成的部件和零件組裝成分段或總段的工藝過程[3]。對于某型高速船而言，在該階段自動(dòng)化焊接主要體現(xiàn)在分段反造和舷側(cè)板架安裝、焊接兩個(gè)方面。

2.1 分段反造時(shí)甲板結(jié)構(gòu)的焊接

分段反造時(shí)，一般以甲板或平臺(tái)為基本操作面，將板材直接鋪于胎架上，然后進(jìn)行板材拼接、劃線、結(jié)構(gòu)件安裝、焊接等作業(yè)，其施工要點(diǎn)與平板的拼接、平面板架的焊接類似。不同之處是在坡口的選擇上，當(dāng)板厚大于或等于5mm時(shí)，對于對接板縫就可以嘗試使用陶質(zhì)襯墊，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型的效果；當(dāng)板厚小于5mm時(shí)，就只能選擇CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊（使用帶有擺動(dòng)功能的自動(dòng)焊小車）進(jìn)行焊接，以確保焊接質(zhì)量和焊縫成型美觀。

2.2 舷側(cè)板架安裝、焊接

2.2.1 焊接方法的選擇

對于深 V船型或舷側(cè)結(jié)構(gòu)線型不大的船體而言，其舷側(cè)外板由于橫向線型多為斜直線型或直線型，所以舷側(cè)結(jié)構(gòu)十分適合形成板架后整體安裝。為了提高焊接自動(dòng)化率和薄板成型質(zhì)量，在設(shè)計(jì)時(shí)將舷側(cè)結(jié)構(gòu)組成平面板架在鋼加階段進(jìn)行焊接，最后在分段建造階段整體安裝到分段上，這樣既節(jié)省了工時(shí)又有利于薄板成型控制。所以，其焊接方法與鋼加階段平面板架的焊接相同。

為提高外板橫焊縫的美觀程度，引進(jìn)自動(dòng)焊擺頭小車，使用CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊（藥芯）在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)焊接，外側(cè)氣刨清根，CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊（實(shí)芯）蓋面。此種工藝有效地杜絕了外板橫焊縫的“雙眼皮”問題，大大地提高了外板橫焊縫的美觀程度。立對接焊縫比照以往手工焊縫的成型效果也有很大提高。這樣，除艏艉分段外板有部分焊縫手工焊外，其余外板焊縫均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)焊蓋面，焊縫成型效果極佳。

2.2.2 橫、立對接焊縫氣體保護(hù)自動(dòng)焊焊接規(guī)范

橫、立對接焊縫氣體保護(hù)自動(dòng)焊（蓋面焊）焊接規(guī)范如表3所示。

表3 外板對接蓋面焊焊接規(guī)范（CO2自動(dòng)焊）

3 分段總組、塢臺(tái)搭載階段

分段總組、塢臺(tái)搭載階段是將分段合成總段，再將總段吊到船塢或船臺(tái)進(jìn)行搭載，最終形成完整船體的施工階段。該階段主要是針對合攏縫的焊接，其焊接方法與分段建造階段相似，僅在蓋面層應(yīng)用CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊，本文不再重復(fù)介紹。

4 薄板自動(dòng)化焊接技術(shù)總結(jié)

在某型高速船的薄板焊接中，先后應(yīng)用了細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊、CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊、CO2氣體保護(hù)自動(dòng)角焊、半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊、帶陶質(zhì)襯墊的CO2氣體保護(hù)焊等高效焊接方法，僅在定位焊和一些施焊位置狹小的部位用了一些焊條電弧焊。以下是船廠根據(jù)該工程焊接材料實(shí)際消耗量，按照國內(nèi)某權(quán)威院所提供的計(jì)算方法，得出的焊接自動(dòng)化率結(jié)果如表4所示。由于該統(tǒng)計(jì)結(jié)果為批量產(chǎn)品前期階段性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在該工程后續(xù)統(tǒng)計(jì)中焊接自動(dòng)化率還應(yīng)有所上升。

表4 焊接材料實(shí)際消耗總量及焊接自動(dòng)化率統(tǒng)計(jì)表

表5 組合焊方式及使用范圍

為提高焊縫成型質(zhì)量，在全船薄板焊接施工中，除在鋼加階段外，船體外板、各層甲板、平臺(tái)等較平直部位均采用了組合焊工藝，在大大地提高了焊接自動(dòng)化率的同時(shí)，對薄板成型質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。具體組合焊方式及使用范圍如表5所示。

5 結(jié)束語

薄板焊接成型質(zhì)量的好壞直接影響船舶整體的美觀效果，薄板焊接成型問題也一直是船舶企業(yè)所面臨的一個(gè)難題。自動(dòng)化焊接是提高薄板成型質(zhì)量的重要手段之一，結(jié)合實(shí)際建造經(jīng)歷，總結(jié)了大量自動(dòng)化焊接技術(shù)在薄板成型中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，僅供廣大業(yè)內(nèi)同行參考。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(第 3卷)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[2] 應(yīng)長春. 船舶工藝技術(shù)[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2013.

[3] GB 12924-91, 船舶工藝術(shù)語[S]. 1991.

Application of Automatic Weld Technology in Sheet Forming

Zhou Chang-sheng

(Dalian Liaonan Shipyard, Liaoning Dalian 116041, China)

Combining with the steel structures’ construction of some high speed vessel, the detailed welding construction scheme in the quality control process of sheet weld forming is set down, aiming at hull’s building procedure and structure features. The sheet welding distortion is controlled effectively by adopting multiple automatic welding methods and combination of different welding methods, which make the sheet structures’ overall forming effect achieve the leading domestic level. The automatic weld technology applied to sheet forming in this paper can be used as a reference in this industry.

automatic weld; sheet forming; automatization ratio

U671.8

A

1005-7560 (2014) 06-0013-04

周昌盛（1975-），男，工程師，主要從事船舶焊接工藝及設(shè)計(jì)工作。