薄板拼板焊接工藝研究

唐鑫 陳憲剛

【摘 要】薄板焊接一直以來(lái)都是船舶建造中的難點(diǎn)，研究薄板焊接工藝有利于提高船舶建造的質(zhì)量。本文通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)不同類型的焊接設(shè)備的使用，采用設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和檢驗(yàn)等方法，摸索出一套完整的薄板焊接工藝，對(duì)船舶建造有較好的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】船舶建造；薄板焊接；工藝指導(dǎo)

中圖分類號(hào)： TP391.9；U671 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）05-0171-002

【Abstract】Thin plate welding has always been a difficult point in shipbuilding. Studying thin plate welding process is beneficial to improving the quality of shipbuilding. This article through the use of different types of welding equipment in actual production， the use of design， testing and inspection and other methods， find out a complete set of thin plate welding process， has a good guiding significance for shipbuilding.

【Key words】Shipbuilding； Thin plate welding； Process guidance

0 引言

許多產(chǎn)品由于要考慮產(chǎn)品重量會(huì)影響產(chǎn)品的性能和使用，需要采用輕體薄壁材料，在船舶建造過(guò)程中，薄板焊接是一項(xiàng)重要的工作，并且我國(guó)在建造大型水面船舶時(shí)，出于對(duì)船舶自身的重量考慮，普遍涉及薄板焊接，現(xiàn)在薄板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船體各個(gè)部位，如船殼材料、上層建筑、橋樓結(jié)構(gòu)等，但是薄板在焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)拼板焊接變形和焊縫表面缺陷等諸多問(wèn)題，因此研究薄板焊接工藝有主要意義。經(jīng)過(guò)研究，采用薄板雙面埋弧自動(dòng)焊的方法可以提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，滿足工廠造船生產(chǎn)發(fā)展的需要[1]。

1 研究背景和意義

1.1 研究背景

隨著現(xiàn)代造船領(lǐng)域采用的薄板材料越來(lái)越多，焊接技術(shù)工藝要求顯著增加，特別是對(duì)研發(fā)的新產(chǎn)品、新材料焊接工藝性能的掌握不足，加上薄板復(fù)雜的焊接工藝，此工藝研發(fā)結(jié)果的成敗將會(huì)影響產(chǎn)品建造周期和焊接質(zhì)量，這樣必將影響船舶建造計(jì)劃的完成。為了產(chǎn)品順利建造，在無(wú)壓力架設(shè)備裝置的情況下提高薄板焊接質(zhì)量以及焊后的自由恢復(fù)，并完善焊接工藝，為滿足薄板焊接工藝規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，在船舶制造方面大力對(duì)薄板焊接工藝的推廣及應(yīng)用勢(shì)在必行。

1.2 研究意義

研究本工藝是企業(yè)發(fā)展的需要，同時(shí)符合國(guó)家科技研發(fā)方向。隨著我國(guó)造船業(yè)的快速化發(fā)展，高科技領(lǐng)域造船，最新焊接技術(shù)等一些先進(jìn)造船理念的提出，對(duì)船舶制造企業(yè)在造船周期和質(zhì)量上都有很嚴(yán)格的要求，為此，企業(yè)必須具備很強(qiáng)的應(yīng)變能力和先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)能力[2]。

研究本工藝符合先進(jìn)制造技術(shù)理念。在保證并考慮提高焊縫質(zhì)量的基礎(chǔ)上，按照薄板的焊接特性編制合理的焊接工藝并有效地控制焊縫強(qiáng)度和焊接變形，并綜合考慮改善其獲得線性光順、焊接質(zhì)量合格、美觀焊縫的成型。對(duì)提高產(chǎn)品的壽命、降低維護(hù)費(fèi)用及維修時(shí)間，為減少焊接表面缺陷、焊接變形的產(chǎn)生實(shí)施奠定基礎(chǔ)，符合現(xiàn)代造船先進(jìn)制造理念。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 重點(diǎn)與開發(fā)內(nèi)容

該研究通過(guò)自主研發(fā)的自有技術(shù)，通過(guò)對(duì)不同類型的焊接設(shè)備的使用，在無(wú)壓力架設(shè)備裝置的情況下通過(guò)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)，檢驗(yàn)等，得出一套完成的自有的薄板制造工藝指導(dǎo)生產(chǎn)，并逐漸形成自有操作規(guī)程。研究目的是使該產(chǎn)品的焊接減少變形，外觀具有良好的平整度，對(duì)提高產(chǎn)品的整體美觀極為重要。

在焊接過(guò)程中，由于焊接熱源和焊接熱循環(huán)的作用，使焊件受熱不均勻，有先焊和后焊之分，焊縫全長(zhǎng)加熱時(shí)間不一致，因此金屬各部分受熱使的膨脹與冷卻使收縮也不同，先焊部分先冷卻，后焊部分后冷切，先冷切部分又限制后冷切部分的橫向收縮，這種相互之間的限制和反限制，就在焊件中產(chǎn)生了應(yīng)力和變形.焊接變形將引起甲板失穩(wěn)以及艙壁、外板的凹凸變形，使船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的脆斷、應(yīng)力腐蝕開裂都有很大的影響。

影響焊接變形的因素有很多，如施焊方法和焊接工藝參數(shù)，焊縫長(zhǎng)度及其截面積，焊接熱輸入，裝配和焊接程序等。綜上所述影響薄板焊接變形的因素時(shí)多方面的，現(xiàn)在從實(shí)際工藝生產(chǎn)角度，主要從控制焊接熱輸入及焊接工藝參數(shù)入手進(jìn)行試驗(yàn)，在焊接過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生缺陷。

CO2氣體保護(hù)焊一般采用φ1.2mm的盤式焊絲；埋弧焊一般采用φ2.4mm的盤式焊絲。焊絲材料可選用：GB-E501T-1、GB-H08A/ CHF431或CHF301。上述焊材與規(guī)格僅供本研究參考選用。

2.2 薄板焊接主要設(shè)備

埋弧焊設(shè)備：可選用630E埋弧焊機(jī)；CO2氣體保護(hù)焊設(shè)備：可選用350A CO2焊機(jī)和自動(dòng)化氣保焊車（自動(dòng)焊接小車）以及氣體流量計(jì)、氣瓶等。

2.3 薄板焊接工藝—雙面埋弧自動(dòng)焊

（1）首先鋼板切割完后使用三芯滾校正，然后吊裝在拼板的胎架上，防止鋼板向下凹陷。

（2）埋弧焊拼板需將薄板拼在拼板的胎架上，注意整塊鋼板必須落在胎架模板條上，整個(gè)焊接過(guò)程必須使用壓鐵將其固定。板兩側(cè)用直角馬板固定，并且每個(gè)直角馬板間隔200mm左右，焊縫的兩側(cè)全部加上長(zhǎng)的壓條，壓條長(zhǎng)度不少于板長(zhǎng)，拼板的四角最好再加上箱型壓鐵。

（3）板的間隙最好控制在0.5mm-1.0mm以內(nèi)，因?yàn)樘畛洳牧显蕉?，焊接變形越大。坡口邊緣要整齊，接口處上下錯(cuò)邊應(yīng)不大于板厚的1/3，以減少變形。

（4）拼板對(duì)接裝配時(shí)，定位焊長(zhǎng)度30mm，間距150～200mm。拼板兩端應(yīng)安裝引弧板和熄弧板，規(guī)格為不小于100×100 mm，厚度與被焊板材一致，焊接時(shí)引弧和熄弧板上的焊縫長(zhǎng)度<50mm。

（5）埋弧自動(dòng)焊焊劑領(lǐng)用前必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)溫度和時(shí)間的烘焙，其中CHF301屬硅鈣型中型燒結(jié)焊劑，在使用前須經(jīng)300-350°烘焙1-2小時(shí)。CHF431是熔煉型高錳高硅低氟焊劑，在使用前須經(jīng)200-250°左右烘焙1-2小時(shí)。

（6）焊前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)那謇砉ぷ?，?duì)焊縫部位及焊縫周圍30mm范圍的油污、水、銹等贓物，采用鋼絲刷或砂輪打磨進(jìn)行清理。必須磨出金屬光澤，必要時(shí)需采用氧—乙炔炬火焰烘烤焊接部位，以燒掉工件表面的污垢和油漆，并烘干水分。

（7）焊完第一面，板縫兩邊稍待冷卻平復(fù)，吊開壓鐵翻身，注意板片外緣須落在胎架模板條上，再吊上壓鐵于焊縫兩側(cè)。

焊接工藝參數(shù)如下：

埋弧焊第一道：焊絲直徑φ2.4mm、電流280-300A、電壓24-28V、焊接速度28-30m/h；

埋弧焊第二道：焊絲直徑φ2.4mm、電流320-340A、電壓28-30V、焊接速度36-40m/h。

2.4 工藝要點(diǎn)控制

通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)工裝、夾具改進(jìn)；縮短拼板胎架間距，埋弧焊拼板需將薄板拼在拼板的胎架上，注意整塊鋼板必須落在胎架模板條上，整個(gè)焊接過(guò)程必須使用壓鐵將其固定，焊縫的兩側(cè)全部加上長(zhǎng)的壓條。片體制作時(shí)板片四周須落在胎架模板條上，如有落空須加強(qiáng)胎架。板片四周加壓碼固定，注意必須先裝結(jié)構(gòu)后加壓碼。板片的四角最好再加上箱型壓鐵板兩側(cè)用直角馬板壓鐵固定，并且每個(gè)直角馬板壓鐵間隔200mm左右。

2.5 埋弧焊焊接主要缺陷的解決對(duì)策

（1）第一面采用埋弧焊焊接時(shí)易產(chǎn)生了大量的焊縫表面氣孔。

原因分析如下：4-7mm薄板埋弧焊，由于埋弧焊在焊接薄板時(shí)速度比較快，電弧功率小，對(duì)氣孔的敏感性甚為強(qiáng)烈，其電弧能量小，冷切速度塊，金屬的熔化-結(jié)晶時(shí)間很短，弧氛中的的攪拌作用減弱，在熔池中某些氣體就沒(méi)有充分時(shí)間溢出，鐵銹、油、水分等若干存在于焊接端面，在焊接過(guò)程中熔池的底部就會(huì)使氣體猛烈析出，由于焊接過(guò)程很短部分氣泡來(lái)不及浮到表面，就會(huì)在焊縫中產(chǎn)生氣孔，焊接過(guò)程中保護(hù)不良，有較多的空氣浸入熔池從而形成氣孔。

解決措施：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析多數(shù)情況氣孔是成堆出現(xiàn)，結(jié)合拍片和對(duì)比氣孔的形狀發(fā)現(xiàn)氫氣孔是少數(shù)，更多的是成蜂窩狀的氮?dú)饪?。因?yàn)榈谝幻娌捎玫氖荂HF431焊劑。然而CHF431顆粒度是8-40目，顆粒度比較大，焊接過(guò)程中保護(hù)不好，有較多的空氣浸入熔池，從而形成氣孔。后來(lái)第一面采用CHF301焊劑，顆粒度為10-60目，氣孔問(wèn)題得到良好的解決。

（2）焊縫表面成形有斑點(diǎn)問(wèn)題。

分析原因：這個(gè)主要是因?yàn)楹附訁^(qū)未清理干凈，焊劑和工件潮濕，焊接過(guò)程中焊劑鋪附過(guò)厚。焊劑堆散高度太薄或太厚都會(huì)在焊縫表面引起斑點(diǎn)、凹坑并改變焊道形狀。按照焊絲直徑和所使用的焊接電流值，焊劑層的堆散高度通常在25-40mm范圍內(nèi)。

措施：加強(qiáng)焊前清理，烘干焊劑和工件，將焊劑鋪覆高度降低到40mm一下。

2.6 工藝方案總結(jié)

工藝方案能在沒(méi)有壓力架的條件下有效控制薄板焊接的變形，能為企業(yè)節(jié)約成本較多成本。雙面使用埋弧焊不但提高了工廠的生產(chǎn)效率較少了火工矯正，而且還獲得了內(nèi)部質(zhì)量良好，外部成形美觀的焊縫。為現(xiàn)代船舶建造質(zhì)量奠定良好的基礎(chǔ)，也為以后的薄板拼板焊接提供了一個(gè)規(guī)范。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)主要包括市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)、資源風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、工程風(fēng)險(xiǎn)、資金風(fēng)險(xiǎn)、外部協(xié)作風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)和其它風(fēng)險(xiǎn)等。本研究的技術(shù)來(lái)自主研發(fā)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小；涉及的到資源，材料為公司生產(chǎn)必需品，設(shè)備工程為常規(guī)性項(xiàng)目，并只有簡(jiǎn)單的工裝制作項(xiàng)目，因此，其市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)和資源風(fēng)險(xiǎn)較小，本研究跟隨企業(yè)工程開展同步進(jìn)行，在研究支持上有保障，風(fēng)險(xiǎn)較??；外部協(xié)作較少，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)和其他風(fēng)險(xiǎn)較?。徊⒕哂忻黠@的產(chǎn)業(yè)資源的優(yōu)勢(shì)，和人力資源優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。

因此進(jìn)行本研究的風(fēng)險(xiǎn)較小。

4 總結(jié)

針對(duì)聯(lián)合工廠拼板焊接變形和焊縫表面缺陷等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，提出了關(guān)于“薄板拼板焊接工藝研究”課題。工藝方案能在沒(méi)有壓力架的條件下有效控制薄板焊接的變形，節(jié)約造船成本。經(jīng)過(guò)研究，采用雙面使用埋弧焊不但提高了工廠的生產(chǎn)效率較少了火工矯正，而且還獲得了內(nèi)部質(zhì)量良好，外部成形美觀的焊縫。為現(xiàn)代船舶建造質(zhì)量奠定良好的基礎(chǔ)，也為以后的薄板拼板焊接提供了一個(gè)參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]石子.薄板焊接技術(shù)[M].金屬加工（熱加工）雜志編輯部，1986.

[2]曹雷.艦船建造工藝[M].海潮出版社，2003.