埋弧單面焊雙面成型工藝在客滾船薄板建造中的研究與應(yīng)用前景

劉亞偉 王玉 秦永剛

（廣船國(guó)際技術(shù)中心）

0 前言

客滾船是中短途乘客和貨物、車輛運(yùn)輸?shù)囊环N重要交通方式。目前，國(guó)際客滾船運(yùn)輸主要集中在歐洲波羅的海、北海、地中海以及日本列島之間和美國(guó)沿海地區(qū)，我國(guó)主要在渤海灣使用較多?？蜐L船每年的建造數(shù)量并不多，但對(duì)建造技術(shù)要求極高，屬于高技術(shù)、高附加值類船舶。大部分由歐洲船廠建造，中國(guó)、韓國(guó)和日本等國(guó)每年的交付數(shù)量并不多，但數(shù)量呈逐年遞增之勢(shì)。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，客滾船因自身重量和穩(wěn)定性的控制要求，其主甲板以上的上建甲板多采用厚度5～7mm 的鋼板，由此在客滾船建造過程中涉及大量薄板平對(duì)接縫焊接。薄板焊接工藝和焊接變形控制成為客滾船建造的難題之一。

結(jié)合國(guó)內(nèi)船企薄板焊接經(jīng)驗(yàn)，薄板平對(duì)接縫焊接主要采用以下焊接方法：雙面埋弧焊（以下簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)SAW）；陶瓷襯墊 CO2 半自動(dòng)氣體保護(hù)焊（以下簡(jiǎn)稱FCAW）；陶瓷襯墊CO2 半自動(dòng)氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊填充、蓋面焊（以下簡(jiǎn)稱FCAW+SAW）。

上述薄板焊接方法在焊接質(zhì)量、焊接效率、焊接變形控制等方面都存在各自的不足。目前最理想的是薄板激光單面焊雙面成型和埋弧單面焊雙面成型薄板拼板流水線，但由于設(shè)備昂貴，設(shè)備需定置使用等因素影響，所以適用范圍有限，很難在各類船廠中推廣應(yīng)用。

結(jié)合柔性陶瓷襯墊埋弧單面埋弧焊（以下簡(jiǎn)稱FAB 埋弧焊，屬于單面單道焊雙面成型焊接方法）具有焊接效率高，不需要翻身，焊接質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)[4]。因此，提出FAB 埋弧焊在薄板平對(duì)接縫焊接中的研究與應(yīng)用，對(duì)提高客滾船薄板焊接質(zhì)量和效率，減小薄板焊接變形，推進(jìn)國(guó)內(nèi)客滾船建造技術(shù)發(fā)展具重要意義。

圖1 焊縫尺寸示意圖

圖2 不同間隙坡口形式和處理要求

圖3 焊縫成型和焊縫尺寸圖

1 試驗(yàn)研究

對(duì)于薄板的焊接，綜合焊接效率、質(zhì)量、變形等方面因素考慮，只有采用高速焊接，才有可能降低焊接熱輸入，減小焊接變形，提高焊接效率。

表1 φ4.0mm 不同電流種類及極性埋弧焊I 型對(duì)接坡口焊接參數(shù)和焊縫尺寸

表2 預(yù)設(shè)試驗(yàn)焊接參數(shù)范圍

表3 適用焊接參數(shù)范圍

表4 焊縫不同位置V 型缺口沖擊韌性值

表5 焊縫橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 HV10 硬度試驗(yàn)結(jié)果

1.1 試驗(yàn)條件選擇

結(jié)合I 型坡口雙面埋弧焊經(jīng)驗(yàn)，焊接電流I=650±15A，電弧電壓U=35±1V，速度V=30m/h 時(shí)，不同電流種類和極性埋弧焊I 型坡口對(duì)接焊縫成型示意見圖1，焊縫尺寸見表1。

改變埋弧焊的焊絲直徑會(huì)改變給定的電流密度，當(dāng)其它焊接參數(shù)不變而焊絲直徑減小時(shí)，弧柱直徑隨之減小，即電流密度增大，會(huì)造成焊縫寬度減小，熔深增加。在綜合考慮焊接速度對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的焊接熱輸入的影響與焊材填充量之間關(guān)系的前提下，選擇采用φ3.2mm 埋弧焊絲，I 型對(duì)接坡口，直流反接型電源極性作為試驗(yàn)條件。

1.1.1 焊接設(shè)備與焊接材料

焊接設(shè)備選擇唐山開元特種設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZD5-630E 直流埋弧焊設(shè)備；焊材選擇韓國(guó)現(xiàn)代φ3.2mm 的 H-14 埋弧焊絲、S-707T 焊劑、CMB-G22襯墊、鐵粉（IRN）；試驗(yàn)板材選擇5-7mmAH36 級(jí)船用高強(qiáng)鋼。

1.1.2 坡口形式與裝配間隙

根據(jù)I 型坡口對(duì)接試驗(yàn)的熔深情況，5-7mm 薄板，0-2mm 間隙I 型對(duì)接坡口能滿足所需要的熔深，理論上可以實(shí)現(xiàn)埋弧焊單面焊雙面成型；對(duì)于間隙超過2mm 的I 型對(duì)接坡口，預(yù)先在坡口內(nèi)填充與板厚相同高度的鐵粉（IRN）來(lái)保證正常焊接，5-7mm薄板不同間隙坡口形式和處理要求見圖2。

1.1.3 焊接參數(shù)

根據(jù)埋弧焊I 型坡口對(duì)接試驗(yàn)的熔深情況，結(jié)合提高焊接速度來(lái)減小焊接熱輸入的要求，預(yù)設(shè)試驗(yàn)焊接參數(shù)范圍見表2。

通過多次試驗(yàn)研究和對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的不斷改進(jìn)，得到能滿足焊縫成型和焊接質(zhì)量要求的焊接參數(shù)范圍，焊接參數(shù)范圍見表3。

1.2 焊縫成型與焊接質(zhì)量

以6mm 板0-1mm 間隙I 型對(duì)接坡口FAB 埋弧焊試驗(yàn)焊縫為例，整條焊縫MT、RT 探傷檢測(cè)結(jié)果合格，焊縫無(wú)氣孔、夾渣、裂紋、未焊透等缺陷。焊縫正、反面成型均勻、光亮，焊縫外觀成型和尺寸滿足相關(guān)要求，焊縫成型和焊縫尺寸見圖3。

1.3 焊縫力學(xué)性能

（1）沖擊試驗(yàn)，在表面焊縫中心（Cap WM）、熔合線(Cap FL)、熔合線+2(Cap FL+2)位置取樣進(jìn)行20℃沖擊韌性試驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表4。按船級(jí)社規(guī)范換算成10×10×55mm 試驗(yàn)沖擊值，最小沖擊值為85.5J，平均沖擊值為105J，滿足船級(jí)社規(guī)范最低值34J 的沖擊要求。

（2）拉伸試驗(yàn)，對(duì)焊縫進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

（3）彎曲和硬度試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)所用彎頭直徑24mm，彎曲角度180°，試驗(yàn)結(jié)果合格。硬度試驗(yàn)所測(cè)數(shù)值見表6，最大值為HV205，滿足船級(jí)社規(guī)范最大硬度值不超過HV350 的要求。

（4）宏觀金相試驗(yàn),對(duì)焊縫接頭斷面進(jìn)行宏觀檢測(cè)，焊縫與母材熔合良好，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見焊接缺陷，宏觀金相見圖4。

2 焊接工藝評(píng)定

為滿足客滾船上建薄板拼板焊接需求，完成了薄板FAB 埋弧焊工藝評(píng)定的BV 船級(jí)社認(rèn)可，工藝評(píng)定覆蓋范圍和焊接參數(shù)見表7。

3 現(xiàn)場(chǎng)模擬應(yīng)用

薄板FAB 埋弧焊工藝的研究主要針對(duì)客滾船上建5-7mm 甲板、壁板拼板焊接，所以選用3 件8000mmX1800mmX5mm 的AH36 鋼板在胎并列裝配拼板，薄板FAB 埋弧焊在胎拼板示意見圖5。模擬甲板、壁板等采用薄板FAB 埋弧焊焊接，驗(yàn)證其應(yīng)用可行性，并統(tǒng)計(jì)焊接質(zhì)量、效率和焊接變形情況，焊接參數(shù)見表8。

焊縫成型均勻、光順，焊縫尺寸見表9。RT 探傷檢測(cè)結(jié)果顯示焊縫內(nèi)部質(zhì)量合格，無(wú)未焊透、氣孔等缺陷。

圖4 宏觀金相圖片

圖5 現(xiàn)場(chǎng)模擬應(yīng)用示意圖

16 米焊縫焊接總耗時(shí)約30min，同長(zhǎng)度焊縫使用傳統(tǒng)SAW 拼板焊接耗時(shí)約50min。除此之外，雙面埋弧焊拼板還需要約20min 的翻身時(shí)間和30min左右的吊運(yùn)上胎時(shí)間。焊接效率較傳統(tǒng)SAW 拼板焊接提高67%，同時(shí)避免了翻身和吊運(yùn)上胎時(shí)間，整個(gè)拼板焊接、翻身效率提高約200%。

薄板FAB 埋弧焊拼板焊接前后使用全站儀對(duì)變形情況進(jìn)行測(cè)量，焊縫周圍平均變形量為±3mm/1000mm，整體平面度和局部平面度均滿足要求，變形較大位置主要集中在焊縫端頭。相同條件下傳統(tǒng)SAW 拼板焊接前后，焊縫周圍平均變形量為±5.5mm/1000mm，局部平整度較差，特別在板自由邊，焊縫端頭位置。

4 應(yīng)用前景

4.1 應(yīng)用范圍

（1）薄板FAB 埋弧焊適用于客滾船甲板、壁板等4-7mm 薄板拼板焊接，也可以用于客滾船甲板4-7mm 薄板分段總組、搭載階段平對(duì)接縫焊接；

（2）設(shè)備、材料簡(jiǎn)單、無(wú)需定置使用，也無(wú)需專門的拼板流水線設(shè)備和場(chǎng)地，適用范圍廣。工藝簡(jiǎn)單、實(shí)用，易實(shí)現(xiàn)在薄板平對(duì)接焊中應(yīng)用。

表7 工藝評(píng)定覆蓋范圍和焊接參數(shù)

表8 現(xiàn)場(chǎng)模擬應(yīng)用焊接參數(shù)

表9 現(xiàn)場(chǎng)模擬應(yīng)用焊縫尺寸

4.2 應(yīng)用質(zhì)量

（1）焊縫成型、尺寸完全滿足船級(jí)社規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫質(zhì)量合格，未發(fā)現(xiàn)氣孔、未焊透等缺陷，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫探傷合格率與傳統(tǒng)SAW拼板質(zhì)量相當(dāng)；

（2）由于薄板FAB 埋弧焊拼板不需要吊運(yùn)翻身，單面單道焊雙面成型，整體熱輸入量小，在具有相同防變形措施條件下較傳統(tǒng)SAW 拼板可以明顯減少焊接變形和火工矯正。

4.3 應(yīng)用效率

相對(duì)于傳統(tǒng)SAW 拼板，焊接效率可以提高約67%。再加上傳統(tǒng)SAW 拼板需翻身和上胎時(shí)間，薄板FAB 埋弧焊拼板效率較傳統(tǒng)SAW 整個(gè)拼板焊接、翻身效率提高約200%。

4.3 自身不足

（1）薄板FAB 埋弧焊對(duì)于本廠仍是一種新工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的焊接質(zhì)量還需經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)規(guī)?；瘧?yīng)用后才能體現(xiàn)；

（2）薄板FAB 埋弧焊由于是在胎架上拼板焊接，所以對(duì)胎架的剛性、疏密度和防變形措施要求較傳統(tǒng)SAW 拼板焊接稍高。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)薄板FAB 埋弧焊工藝的試驗(yàn)研究，完成4-7mm 薄板FAB 埋弧焊焊接工藝評(píng)定，并在模擬實(shí)際生產(chǎn)中成功應(yīng)用，關(guān)于薄板FAB 埋弧焊拼板得出以下結(jié)論：

（1）焊接性良好，焊縫成型均勻，力學(xué)性能滿足船級(jí)社規(guī)范要求?，F(xiàn)已完成BV 船級(jí)社焊接工藝評(píng)定認(rèn)可，可用于A、AH32、AH36 級(jí)船體結(jié)構(gòu)用鋼4-7mm 薄板平對(duì)接焊接。工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，可以完全替代薄板雙面埋弧焊和部分替代薄板拼板流水線，易于在各型船廠中應(yīng)用；

（2）焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫探傷合格率與SAW探傷合格率相當(dāng).，但明顯高于其他傳統(tǒng)拼板焊接方法。不需要翻身雙面焊接，可以實(shí)現(xiàn)單面單道焊雙面成型效果，生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)SAW 拼板的2 倍以上；

（3）焊接效率與焊接質(zhì)量在客滾船、郵輪等薄板船建造中極具優(yōu)勢(shì)，可以明顯縮短分段建造周期，達(dá)到企業(yè)降本增效、提質(zhì)上量的目標(biāo)。