船舶高效焊接裝備的研究

黎文航 于瑞 陳書錦 王加友 朱杰 王儉辛

摘要：江蘇科技大學(xué)是一所以船舶、海工為特色的地方應(yīng)用型高校。長期以來，致力于船舶海工裝備的高效優(yōu)質(zhì)焊接制造，開展了窄間隙焊接、多絲氣電立焊、水下電弧切割等方法的機(jī)理、工藝、裝備研究，很多研究達(dá)到國內(nèi)一流甚至世界一流水平，為海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略貢獻(xiàn)了力量。

關(guān)鍵詞：窄間隙焊;水下切割;攪拌摩擦焊;高效焊接

中圖分類號(hào)：U671.81? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0291-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.34

0? ? 前言

海洋強(qiáng)國是我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，而船舶與海工裝備的高效優(yōu)質(zhì)建造和維護(hù)則是該戰(zhàn)略的重要支撐。江蘇科技大學(xué)從1953年建校伊始，就致力于高效焊接裝備的研究，近年來，隨著焊接從機(jī)械化、自動(dòng)化向信息化、智能化轉(zhuǎn)變，開展了窄間隙焊接技術(shù)、水下電弧焊接與切割技術(shù)、新型攪拌摩擦焊等方法的研究。

1 窄間隙焊接技術(shù)

窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊是一種以氣體作為保護(hù)介質(zhì)、焊絲自動(dòng)送入焊接區(qū)的機(jī)械化或自動(dòng)化電弧焊接方法，一般適用母材板厚大于30 mm、I型坡口間隙小于20 mm的場(chǎng)合[1]。該工藝使用氣體保護(hù)，焊后無需清渣，可在不同空間位置施焊，焊接熱輸入適中，工藝性好，綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越，是一種高效、高質(zhì)量、低成本的先進(jìn)焊接技術(shù)，受到人們的高度重視。如何保證坡口兩側(cè)壁得到均勻穩(wěn)定的熔深，是窄間隙熔化極電弧焊接技術(shù)的關(guān)鍵之一。為此，王加友課題組研發(fā)了搖動(dòng)/旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊接設(shè)備，主要由搖動(dòng)/旋轉(zhuǎn)電弧焊炬、搖動(dòng)/旋轉(zhuǎn)電弧數(shù)字化控制器、紅外視覺傳感的窄間隙焊縫跟蹤系統(tǒng)、焊接熔敷量自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)字化焊接操作機(jī)、焊接電源系統(tǒng)等構(gòu)成。該設(shè)備適用于厚板及大厚板窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊接。

搖動(dòng)電弧窄間隙焊炬原理如圖1所示[2]。通過搖動(dòng)電弧數(shù)字化控制器控制空心軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)折彎導(dǎo)電桿，帶動(dòng)普通導(dǎo)電嘴和電弧一起繞焊炬中心做圓弧形搖動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，焊絲指向性好，導(dǎo)電嘴磨損小，搖動(dòng)參數(shù)可控性強(qiáng)，電弧搖動(dòng)參數(shù)評(píng)價(jià)直觀，可用于空間位置焊接。旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊炬原理如圖2所示[3]。該方法通過旋轉(zhuǎn)電弧數(shù)字化控制器控制空心軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電桿繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)從偏心導(dǎo)電嘴穿出焊絲端部的電弧作旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)施成本低，電弧和熔池的可觀察性好;結(jié)構(gòu)簡單緊湊、使用與維護(hù)方便，能實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的側(cè)壁熔深。

為了提高搖動(dòng)/旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊設(shè)備的工程實(shí)用性能，王加友課題組還研發(fā)了紅外視覺傳感的窄間隙焊縫跟蹤系統(tǒng)和焊接熔敷量自適應(yīng)控制系統(tǒng)，原理如圖3所示[4]。系統(tǒng)以窄間隙焊接電弧光和熔池自身輻射光作為光源，利用紅外窄帶濾光系統(tǒng)濾除干擾信號(hào)并調(diào)節(jié)光強(qiáng)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集并顯示焊接圖像。通過圖像提取電弧及坡口邊緣信息，根據(jù)提取的焊縫偏差信息進(jìn)行焊縫跟蹤且同時(shí)反饋，調(diào)整焊接過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接熔敷量的自適應(yīng)控制。系統(tǒng)構(gòu)成簡單、監(jiān)控圖像清晰、焊縫偏差檢測(cè)精度高、焊接熔敷量控制準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、工程實(shí)用性好，可達(dá)到窄間隙焊接實(shí)時(shí)監(jiān)控、焊縫偏差同步檢測(cè)及熔敷量自適應(yīng)控制的目的。實(shí)際使用過程中，在焊接飛濺、弧光及煙塵等強(qiáng)干擾條件下焊縫偏差檢測(cè)精度高于±0.1 mm，檢測(cè)時(shí)間小于30 ms。

通過對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行電弧傳感[5]、視覺傳感[6]、聲音傳感等多傳感信息融合與分析[7]，以及進(jìn)行溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的模擬[8]，提高了其信息化和智能化水平。該設(shè)備已成功用于艦船建造，并多項(xiàng)榮譽(yù)。

2 水下焊接與切割技術(shù)

隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，焊接與切割作為重要的水下作業(yè)手段受到重視。水下藥芯割絲電弧切割是一種安全高效、設(shè)備簡單、成本較低的熱切割方法，在0～200 m水深范圍內(nèi)具有良好的應(yīng)用前景[9-10]。該方法在烏克蘭等國家偏工程應(yīng)用，對(duì)切割機(jī)理研究不夠深入。國內(nèi)學(xué)者也針對(duì)該方法的切割工藝[11]、割口成形[12-13]開展了研究，但由于切割時(shí)氣泡波動(dòng)及渾濁物產(chǎn)生，影響切割過程的觀察，對(duì)機(jī)理研究同樣不夠深入。與水下濕法焊接[14-15]不同的是，割口在工件內(nèi)部，即使采用X攝像[16]也難以觀察切割過程;黎文航[17]采用邊緣切割方式對(duì)空氣中藥芯割絲電弧切割機(jī)理進(jìn)行研究，但用于水下切割時(shí)大量氣泡橫向逸出會(huì)影響觀察。綜上，需要根據(jù)水下切割特點(diǎn)設(shè)計(jì)合適的觀測(cè)系統(tǒng)以獲取有關(guān)圖像，并結(jié)合電弧傳感來分析其切割機(jī)理。

試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖4所示[18]，主要由切割系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。切割系統(tǒng)組成與自保護(hù)藥芯焊絲焊接系統(tǒng)類似，由平特性切割電源、藥芯割絲及送絲系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)等構(gòu)成;觀測(cè)系統(tǒng)由電弧傳感系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)構(gòu)成。電弧傳感系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、霍爾電壓/電流傳感器等構(gòu)成;高速攝像系統(tǒng)主要由光源、玻璃水箱、三明治結(jié)構(gòu)、高速攝像機(jī)等構(gòu)成。

為觀察切割區(qū)域，切割時(shí)使用寬度窄的工件，切割區(qū)域金屬可被電弧完全切除，光源光線可由切割區(qū)域側(cè)面透過進(jìn)入高速攝像;為避免氣泡及渾濁物橫向逸出影響水下光路的清晰度，在窄鋼條兩側(cè)加上高溫玻璃，構(gòu)成一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)，使氣泡及渾濁物從工件厚度方向逸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割區(qū)域的有效觀察[19]。

切割過程機(jī)理研究示意如圖5所示?？梢钥闯觯虑懈顣r(shí)，割絲與工件短路，先在接觸處產(chǎn)生氣泡，然后電弧在氣泡中引燃。之后，電弧熱和藥芯反應(yīng)產(chǎn)生的氣體流會(huì)熔化并吹開電弧底部金屬。而在電弧自身調(diào)節(jié)作用下，割絲端部隨割口的下移而下移。金屬被割穿后，通過割絲與上部割口的接觸實(shí)現(xiàn)電弧從下部轉(zhuǎn)移到上部，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割。對(duì)低碳鋼、不銹鋼和鋁合金等材料進(jìn)行了切割工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水深、電流、電壓、切割速度是影響切割質(zhì)量的主要因素[20-21]。淺水環(huán)境下，電壓大小會(huì)影響電弧寬度，進(jìn)而影響割口寬度，但電壓過大會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性;深水環(huán)境下，電壓主要影響電弧長度，影響切割熱的作用范圍。電流主要受送絲速度影響，也與藥芯成分、焊絲直徑有關(guān)。電流越大，則電弧越容易伸入割絲下部，上部割口變窄、下部割口變寬。切割速度需要與電流、電壓匹配，切割速度過慢，容易引起長時(shí)間熄弧;切割速度越快，容易出現(xiàn)未割穿。通過模擬水深實(shí)驗(yàn)，目前可對(duì)16 mm厚度的金屬板在200 m水深范圍內(nèi)進(jìn)行成功切割。不銹鋼和鋁合金相比低碳鋼更容易切割，前者工件導(dǎo)熱差、受熱集中，后者有鋁熱反應(yīng)輔助。

目前正在進(jìn)行水下切割過程數(shù)值模擬、水下電弧傳感、超聲傳感和水下切割裝備等方面的研究，力圖將半自動(dòng)切割提升為自動(dòng)化智能切割[22-23]。

3 先進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、環(huán)保等特點(diǎn)，被譽(yù)為“世界焊接史上的第二次革命”，在航空、航天、交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，江蘇科技大學(xué)對(duì)雙軸肩攪拌摩擦焊、高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊等新方法進(jìn)行了研究。

雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)是利用兩個(gè)軸肩分別作用于工件上下表面，與嵌入工件內(nèi)部的攪拌針共同完成焊接過程[24]。該方法無需焊縫背部支撐，不會(huì)產(chǎn)生未焊透或根部缺陷等問題。采用雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)，可以大大簡化生產(chǎn)工藝流程，降低成本。該方法可用于焊接中空部件。

高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊（High Rotation-Friction Stir Welding，HR-FSW）有效規(guī)避了傳統(tǒng)FSW軸向力大、設(shè)備剛度要求高、微薄器件焊縫減薄嚴(yán)重等缺點(diǎn)，同時(shí)有利于輕量化和機(jī)器人焊接，非常適合小厚度材料（如厚度小于2 mm的鋁合金蒙皮、薄壁異種金屬以及其他熱塑性材料）的連接，因而迅速得到人們的特別關(guān)注[25]。美國NASA馬歇爾航天飛行中心甚至認(rèn)為，高轉(zhuǎn)速FSW最有潛力成為太空手持式焊接技術(shù)。輕量化攪拌摩擦焊接能夠降低對(duì)焊接工裝及焊機(jī)剛度要求，具有軸向壓力小、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多位置焊接、方便高效等優(yōu)點(diǎn)[26]。江蘇科技大學(xué)對(duì)圓柱形、棱錐形、棱臺(tái)形、圓錐形等不同形狀攪拌針的影響進(jìn)行了研究，指出棱臺(tái)形更為適合HR-FSW，在異種金屬高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦搭接中更有優(yōu)勢(shì)。對(duì)1 mm厚的6061鋁合金薄板進(jìn)行了對(duì)接實(shí)驗(yàn)，高轉(zhuǎn)速有利于控制薄板在焊接過程中的翹曲，使得焊完后的工件平整美觀。同時(shí)，在焊接過程中加入水冷也能抑制薄板變形;在10 000～16 500 r/min時(shí)，軸向力僅為0.2 kN，尤其適用于小結(jié)構(gòu)薄壁工件焊接。

4 結(jié)論

通過對(duì)接海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，江蘇科技大學(xué)在船舶、海工制造所需的高效焊接技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究，在窄間隙焊接新方法工藝和裝備、水下電弧切割方法工藝與裝備、先進(jìn)攪拌摩擦焊方面取得了一定成就，并致力于推進(jìn)焊接的信息化、智能化水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] Malin V Y. Novel rotation arc system for narrow gapMAG welding[J]. British Maritime Technology， 2007.

[2] Wang J， Zhu J， Ping F U， et al. A Swing Arc System?for Narrow Gap GMA Welding[J]. Isij International， 2012， 52（1）： 110-114.

[3] Wang J Y， Ren Y S， Yang F， et al. Novel rotation arcsystem for narrow gap MAG welding[J]. Science & Technology of Welding & Joining， 2007， 12 （6）： 505-507.

[4] Zhu J， Wang J， Su N， et al. An infrared visual sensingdetection approach for swing arc narrow gap weld deviation[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2017（243）： 258-268.

[5] 任彥勝. 窄間隙焊縫跟蹤電弧傳感技術(shù)研究[D].?江蘇： 江蘇科技大學(xué)， 2007.

[6] Wang J， Zhu J， Zhang C， et al. Infrared vision sensingdetection method and device for narrow-gap weld seam deviation[P].15541021， 2018.

[7] 黎文航， 王加友. 基于VC的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊多信息融合焊縫跟蹤系統(tǒng)[J]. 焊接， 2014（010）： 30-33.

[8] Li W， Yu R， Huang D， et al. Numerical simulation ofmulti-layer rotating arc narrow gap MAG welding for medium steel plate[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2019（45）： 460-471.

[9] 王儉辛， 朱青， 黎文航， 等. 水下切割研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2018， 32 （02）： 180-185+207.

[10] 巴頓焊接研究所， 英國焊接研究所. 水下濕式焊接與切割[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2007： 101-102.

[11] Liu D， Li H， Yan Y， et al. Effects of processing para-meters on arc stability and cutting quality in underwater wet flux-cored arc cutting at shallow water[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2018（33）： 24-34.

[12] Wang J， Shi J， Wang J， et al. Numerical study on thetemperature field of underwater flux-cored wire arc cutting process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 91（5-8）： 2777-2786.

[13] 施佳慧， 王儉辛， 黎文航， 等. 藥芯割絲水下濕式電弧切割割口成形及熱影響區(qū)組織分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2017（02）： 97-100+105.

[14] 杜永鵬， 郭寧， 馮吉才. 基于X射線高速攝像水下焊接熔滴過渡分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2017 （10）： 29-32+130.

[15] Jia C， Zhang? Y， Zhao B， et al. Visual sensing of the phy-sical process during underwater wet FCAW [J]. Welding Journal， 2016（95）： 202-209.

[16] Guo N， Xu C， Guo W， et al. Characterization of spatterin underwater wet welding by X-ray transmission meth-od[J]. Materials & Design， 2015（85）： 156-161.

[17] 黎文航， 李澤新， 王儉辛， 等. 空氣中的藥芯割絲電弧切割機(jī)制[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016（10）： 1597-1600.

[18] 王懷東. 基于高速攝像的水下藥芯割絲電弧切割過程分析[D]. 江蘇： 江蘇科技大學(xué)， 2019.

[19] Wenhang Li H W， Rui Yu， Jianxin Wang， et al. High-Speed Photography Analysis for Underwater Flux-Cored Wire Arc Cutting Process[J]. Transactions on Intelligent Welding Manufacturing， 2019（？？）： 141-151.

[20] 陳旻驊， 王儉辛， 徐鵬， 等. 5052鋁合金水下藥芯割絲電弧切割工藝[J]. 電焊機(jī)， 2016， 46 （12）： 7-10+20.

[21] 徐鵬， 黎文航， 陳旻驊， 等. 304不銹鋼水下藥芯割絲電弧切割工藝[J]. 電焊機(jī)， 2017， 47 （01）： 35-37.

[22] Li W， Zhao J， Wang Y， et al. Research on underwaterflux cored arc cutting mechanism based on simu-lation of kerf formation[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2019（40）： 169-177.

[23] Li W， Zhao J， Wang J， et al. Research on arc cutting me-chanism and procedure of flux-cored cutting wire in water[J]. The International Journal of Advanced Manu-facturing Technology， 2018， 98 （9-12）： 2895-2904.

[24] 周利， 劉朝磊， 王計(jì)， 等. 雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 焊接， 2015（6）： 14-18.

[25] 劉奮軍. 鋁合金薄板高速攪拌摩擦焊組織和性能研究[D]. 陜西： 西北工業(yè)大學(xué)， 2018.

[26] 夏晶宇. 薄板鋁合金輕量化攪拌摩擦焊接裝備及工藝研究[D]. 江蘇： 江蘇科技大學(xué)， 2018.

Research on efficient welding equipment for ships

——Taking Jiangsu university of science and technology as an example

LI Wenhang， YU Rui， CHEN Shujin， WANG Jiayou， ZHU Jie， WANG Jianxin

（School of Material Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

Abstract： As a local application-oriented university，Jiangsu University of Science and Technology ischaracterized shipbuilding and marine Engineering. For a long time， it serves efficient and high quality ship and marine welding manufacturing， and carries out research onmethods， processes and equipment for narrow gap welding， multi-wire vertical gas welding， underwater welding and cutting. Many researches have reached the domestic and even world-class levels， contributing to the strategy of strong marine country.

Key words： narrow gap welding; underwater cutting; friction stir welding; efficient welding