合龍工裝裝配焊接工藝

孫 露

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

目前，國內(nèi)船廠在裝配焊接工藝上，尤其在分段合龍階段，主要采用焊接大量的馬板、壓馬、卡馬、定位馬等對板材的變形進(jìn)行控制，然后再進(jìn)行焊接。裝配焊接結(jié)束后，需要對大量的馬板、壓馬、卡馬、定位馬等進(jìn)行切割，對板材表面進(jìn)行打磨、補漆等工作。

使用插入式合龍工裝后，不再需要焊接大量的馬板、壓馬、卡馬、定位馬等來對板材的焊接變形進(jìn)行控制，而是通過工裝進(jìn)行變形控制，減少了后期大量的切割、打磨、補漆等工作[1]。插入式合龍工裝對焊接工藝要求有所提高，本文主要介紹使用工裝后的裝配焊接工藝。

1 傳統(tǒng)的拼板裝配定位焊工藝

定位焊是對焊件定位固定的焊接工作，傳統(tǒng)的拼板裝配定位焊的工藝流程為：背燒反變形→內(nèi)構(gòu)件按規(guī)范開刀→燒油泵馬→燒卡馬→開坡口→打磨→拆馬板→碳刨馬板→打磨。

采用傳統(tǒng)的拼板定位焊有以下缺點：

(1) 傳統(tǒng)的拼板裝配定位焊工藝需要大量的馬板，用以固定和支撐拼板，如圖1所示。制作和安裝馬板需要額外消耗鋼材、焊材和勞動力，有些船廠甚至成立了專門制作馬板的工位和班組，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)定位焊工藝需要大量的馬板固定

圖2 船廠制作的大量馬板

(2) 傳統(tǒng)拼板定位焊方法將馬板在焊縫兩側(cè)固定，平均間隔250 mm需安裝1塊馬板，因擋住焊接方向，焊接接頭較多，影響了焊縫的質(zhì)量。

(3) 傳統(tǒng)的拼板裝配定位焊工藝在焊縫焊接完成后還需去除馬板，拆除馬板需要大量的修補和打磨工作，且可能損傷母材，如圖3所示。

圖3 拼板完成后拆除馬板

2 插入式工裝裝配定位焊工藝

2.1 新裝配定位焊工藝基本原理

針對在傳統(tǒng)造船過程中裝配焊接工藝存在的問題，介紹一種使用新型插入式工裝的裝配定位焊工藝。由于該新型插入式工裝在國內(nèi)外應(yīng)用較少，本文將首先對其基本原理進(jìn)行介紹。

(1) 由作業(yè)人員將工裝插入拼板焊縫中，如圖4所示。沿著焊縫長度，每隔500 mm放置1個工裝，放置間距可隨焊縫兩側(cè)鋼板高度差增大而酌情增加。

圖4 將工裝插入焊縫

(2) 作業(yè)人員通過旋緊桿將螺紋壓桿頂壓需調(diào)整的鋼板進(jìn)行調(diào)平，如圖5所示，作業(yè)人員使用鋼筆尺檢驗焊縫兩端鋼板平整度。

圖5 通過螺紋壓桿進(jìn)行調(diào)平

(3) 在板列調(diào)平完成后，采用CO2陶質(zhì)襯墊單面焊接工藝方法，在焊縫坡口內(nèi)進(jìn)行定位焊，如圖6所示。

圖6 坡口定位焊

2.2 新裝配定位焊工藝適用范圍

本文介紹的新裝配定位焊工藝適用于各類船型分段/總段的裝配定位焊，包括：C/D型總段(圖7)、雙層底總段(圖8)、主甲板總段(見圖9)、舷側(cè)總段(見圖10)等，達(dá)到外板無馬腳，外板表面無損傷的效果，實現(xiàn)船體平面結(jié)構(gòu)的快速裝配焊接，降低成本，提高裝配效率。

圖7 C/D型總段

圖8 雙層底總段

圖9 主甲板總段

圖10 舷側(cè)總段

2.3 新裝配定位焊工藝要求

新裝配定位焊工藝采用CO2陶質(zhì)襯墊單面焊接工藝的方法。采用插入式工裝后，取消馬板固定，可直接在焊縫內(nèi)進(jìn)行定位焊(包括1道打底焊和2道填充焊，共3道焊縫)，具體工藝要求如下。

(1) 根部間隙。由于根部間隙會影響焊縫的成形，合適的間隙是保證焊縫質(zhì)量的前提。通常最佳間隙范圍為4 ～8 mm，此時可獲得良好的反面焊縫成形；當(dāng)根部間隙小于4 mm時，為了保證根部焊透，必定會加快焊接速度，過快的焊接速度導(dǎo)致焊縫過薄，在應(yīng)力作用下容易開裂。

(2) 引、熄弧板。在焊縫兩端應(yīng)安裝引、熄弧板，以確保兩端的焊接質(zhì)量。

(3) 坡口清理。接縫兩邊20 mm范圍內(nèi)(包括正反面)及正面坡口內(nèi)的鐵銹油漆、飛濺物等需清理干凈，以保證襯墊能緊貼在焊件背面而不影響背面焊縫質(zhì)量。對于坡口內(nèi)的水分、油污等可采用氧炔焰加熱去除。

(4) 粘貼襯墊。在采用新工裝進(jìn)行裝配時，一般定位焊長度為100 mm，襯墊粘貼長度約為150 mm。在襯墊安裝時，撕去鋁箔上的防粘紙，以襯墊塊的紅色中線對準(zhǔn)焊縫中心，接著將鋁箔貼在焊件背面，一定要把鋁箔捋平，保證襯墊塊緊貼在焊件的背面，襯墊與襯墊銜接處應(yīng)相互推緊無間隙。

(5) 焊接規(guī)范。新裝配定位焊工藝的焊接規(guī)范要求如表1所示。

表1 新裝配定位焊工藝的焊接規(guī)范要求

2.4 后續(xù)焊接工藝要求

定位焊后的后續(xù)焊接工藝、焊接規(guī)范基本與定位焊焊接工藝相同，只是把焊縫剩余部分全部連接。焊接時需注意以下幾點：

(1) 在打底層焊接時，每段定位焊縫間需一次焊接完成，中間不能停頓，以免接頭處產(chǎn)生塑孔等焊接缺陷影響焊縫質(zhì)量[2]。

(2) 引弧應(yīng)在打磨成斜坡狀的定位焊焊縫上，可起到預(yù)熱作用，以保證能與定位焊縫充分熔合。

(3) 收弧時焊至定位焊縫處不能立即收弧，需向后延伸20 mm左右，以免接頭處產(chǎn)生塑孔和弧坑裂紋。

(4) 在打底層焊接時，應(yīng)根據(jù)間隙大小調(diào)整焊接速度，間隙較小時焊接速度稍快，焊絲擺動幅度減小，使整條焊縫寬度盡可能均勻。

(5) 選用合適的電弧電壓，可參照公式U=14+0.05I進(jìn)行選定(其中：U為電壓；I為電流)，過高的電弧電壓和過快的焊接速度會在背面成形焊縫上產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象。

(6) 需特別提醒和注意:在打底層焊接時，電流應(yīng)嚴(yán)格控制在200 A以下。如果焊接電流過大，為了保證根部焊透，必定會加快焊接速度，造成焊道過薄，在焊接應(yīng)力作用下易開裂，形成縱向裂紋。特別是在間隙較小(小于6 mm)時更應(yīng)注意，間隙越小，焊速越快，焊道越薄，越容易開裂。過快的焊接速度也不利于熔池中氣體的逸出(易形成氣孔)。

2.5 新裝配定位焊工藝操作要求

(1) 新裝配定位焊工藝需2人配合，其中1人安排在分段外，負(fù)責(zé)將工裝插入焊縫中，另1人在分段內(nèi)，負(fù)責(zé)將調(diào)整銷安裝到位，如圖11所示。

圖11 2位操作人員協(xié)作安裝工裝

(2) 在分段外的人員將工裝插板反態(tài)插入焊縫中，注意螺紋壓桿必須對準(zhǔn)需頂壓的一側(cè)鋼板，如圖12所示。

圖12 螺紋壓桿對準(zhǔn)需頂壓的一側(cè)鋼板

(3) 在分段內(nèi)的人員將調(diào)整銷插入插板孔中，注意插銷的支點應(yīng)在螺紋壓桿的對立方向，如圖13所示。

圖13 插銷的支點應(yīng)在螺紋壓桿的對立方向

(4) 待準(zhǔn)備工作完成后，在分段外的作業(yè)人員通過旋緊桿將螺紋壓桿頂壓需調(diào)整的鋼板，檢驗焊縫兩端鋼板平整度，如圖14所示。

圖14 檢驗焊縫兩端鋼板平整度

(5) 原則上該新裝配工裝間隔500 mm放置1個，可隨焊縫兩側(cè)鋼板高度差增大而酌情增加，如圖15所示。

圖15 新工裝沿著焊縫間距500 mm放置

(6) 襯墊安裝后，應(yīng)立即開始焊接。在打底層焊接時，焊接電流應(yīng)嚴(yán)格控制在200 A以下，減少襯墊的熔入量，焊接速度需根據(jù)坡口間隙調(diào)整，不能過快，以防止產(chǎn)生裂紋；焊縫需達(dá)到平或凸起狀態(tài)，不能使焊縫表面形成內(nèi)凹。在打底層焊接時，引弧應(yīng)引在坡口根部的鋼板上并略做橫向擺動，待熔池形成后再開始作前進(jìn)運動。當(dāng)坡口較大時，應(yīng)在坡口根部兩側(cè)進(jìn)行堆焊，待坡口間隙達(dá)到要求時再進(jìn)行正常焊接[3]。在焊接中，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行手勢擺動，兩根趾處略作停頓，以確保焊縫背面成形良好。打底層定位焊接如圖16所示。

圖16 打底層定位焊接示例

(7) 當(dāng)板厚≤20 mm時，只進(jìn)行1道填充層即可；當(dāng)板厚>20 mm時，填充層需焊2道以防止定位焊縫產(chǎn)生裂紋。對結(jié)構(gòu)拘束度大的焊縫，在打底焊完成后，接著完成第2層焊縫，不允許打底焊后放置較長時間再焊，以免引起焊縫的縱向裂縫。

定位焊的長度為100 mm，打底層長度為100 mm,第1道填充層長度為80～90 mm,第2道填充層長度為70～80 mm，每道逐漸縮短約10 mm，以便將定位焊焊縫兩端打磨成斜坡，利于后續(xù)焊縫焊接時獲得良好的接頭質(zhì)量。圖17為3層定位焊示例。

圖17 3層定位焊示例

(8) 定位焊其他需注意事項。因為該定位焊縫直接作為正式焊縫的一部分，所以焊接定位焊縫的人員需持有相對應(yīng)的焊工上崗證書。對定位焊縫質(zhì)量要求與正式焊縫相同，發(fā)現(xiàn)有裂紋、氣孔、夾渣和未焊透等缺陷應(yīng)予以清除并重新焊接。定位焊采用與正式焊縫相同的焊接材料和焊絲直徑，因母材溫度較低，焊接電流可適當(dāng)偏大。如果正式焊縫的母材需預(yù)熱，則定位焊縫的預(yù)熱要求與正式焊縫相同。在保證焊件不離散的條件下，定位焊縫尺寸盡可能控制得小，以免妨礙正式焊接工作。定位焊縫在焊件上的位置一定要避免在焊縫交叉點上(需距丁字型或十字型接頭交叉點60 mm以上)，否則會影響相交焊縫的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。

3 經(jīng)濟效益分析

船廠的焊接馬板一般由工廠余料切割加工而成，馬板使用后需切割焊接固定面，以保證平整。插入式工裝為螺桿固定，可循環(huán)使用，一般情況下無需保養(yǎng)，因此工裝成本約為馬板成本的1/4。

采用插入式工裝可快速完成焊縫調(diào)平固定作業(yè)，焊接后也無需對焊件表面進(jìn)行打磨、補漆處理，節(jié)省大量工人工作量，人工成本約為采用焊接馬板作業(yè)成本的1/4。

以18萬 t油船為例，總合龍縫長度為21 931 m，肋骨間距為0.65 m，該船可分為33 740段肋距。在一般情況下，每段肋骨間距需要5塊起馬板、5塊卡馬板，共需要馬板337 400塊。

全船共節(jié)省約450萬元。每米合龍縫可節(jié)約費用為4 500 000 元/21 931 米=205元/米，如表2所示。

表2 新工裝工藝經(jīng)濟效益分析

4 結(jié) 語

船廠通過使用該類插入式合龍工裝輔助焊接作業(yè)，裝配工序減少，大幅縮短裝配時間，對焊接母材影響小，較大地提高生產(chǎn)效率，同時降低生產(chǎn)成本，不過也存在焊接作業(yè)不規(guī)范導(dǎo)致的塑孔等焊接缺陷問題，需進(jìn)一步結(jié)合生產(chǎn)實際情況，繼續(xù)對合龍工裝的裝配焊接工藝進(jìn)行研究，不斷優(yōu)化工藝和工裝。