Y形坡口埋弧自動(dòng)焊反面定位法應(yīng)用

馮濤，熊浩，刁鳳軍，張?chǎng)?/p>

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

船舶建造中的焊接作業(yè)占據(jù)較大的比重[1]，提高焊接質(zhì)量和效率是船企的重要課題。為促進(jìn)總體效率提升，考慮改變傳統(tǒng)工藝工法[2]，利用現(xiàn)有資源持續(xù)改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件與習(xí)慣。

通常，大型鋼制船舶零件數(shù)量能達(dá)到10萬(wàn)及以上，這些零件主要通過(guò)焊接進(jìn)行連接。焊接從零件連接方式分為角接和對(duì)接，從焊接型式分為單面焊和雙面焊，從坡口形式主要分為V形、I形、Y形和X形。對(duì)接焊中常見(jiàn)的有CO2氣體保護(hù)焊(FCAW)、FCB法埋弧自動(dòng)單面焊(FCB SAW)、單絲或雙絲埋弧自動(dòng)焊(single-wire or double-wire SAW)、FAB法埋弧自動(dòng)焊(FAB SAW)、垂直氣電焊(EGW)、手工電弧焊(SMAW)等。其中單絲或雙絲埋弧自動(dòng)焊主要應(yīng)用于分段內(nèi)部平直區(qū)域拼板，在整個(gè)造船對(duì)接焊中占比較高[3]，特別是在不配備FCB流水線的船廠。埋弧自動(dòng)焊是雙面焊，根據(jù)不同的板厚坡口形式通常分為I形、Y形和X形[4]，施工步驟通常分為焊道清潔、定位焊、埋弧焊接、碳刨、反變形控制。以最為常見(jiàn)的Y形坡口單絲埋弧自動(dòng)焊為例，通過(guò)分析定位焊在正面和反面時(shí)各施工步驟的優(yōu)缺點(diǎn)，為生產(chǎn)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 焊道清潔

Y形埋弧自動(dòng)焊縫在拼板前處理要求與其他焊縫基本一致，坡口上的鐵銹斑、氧化皮、車(chē)間底漆、油污、潮氣和由氣割、碳刨產(chǎn)生的殘?jiān)榷紩?huì)影響到埋弧焊縫的質(zhì)量，產(chǎn)生氣孔、夾渣、未焊透等缺陷。所以埋弧焊縫拼板前必須用手工鋼絲刷和鋼絲盤(pán)等工具打磨、清理坡口面及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的污物，見(jiàn)圖1。

一般現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中建議將此范圍擴(kuò)大到50 mm，以確保焊縫焊接質(zhì)量。在此施工步驟中，正面定位焊和反面定位焊要求相同。

2 定位焊

2.1 定位前準(zhǔn)備

在板材定位前需復(fù)核板材來(lái)料尺寸、邊緣直線度等與前道自測(cè)數(shù)據(jù)是否吻合，和圖紙要求是否一致，自動(dòng)焊縫的要求通常要高于半自動(dòng)焊縫和手工焊縫。還要檢查原始坡口的角度、過(guò)渡段長(zhǎng)度、坡口深度是否達(dá)標(biāo)，有缺陷的部分需按工藝要求先行修整，必要時(shí)使用砂輪打磨或焊補(bǔ)修整缺口。最后需檢查兩塊板材的錯(cuò)邊量和平整度。具體要求參照相關(guān)建造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)無(wú)誤后方可準(zhǔn)備拼板定位。

2.2 焊材選擇

根據(jù)生產(chǎn)和設(shè)備要求，通常采用手工電弧焊或者CO2氣體保護(hù)焊。隨著船舶生產(chǎn)的高速發(fā)展，常用焊條E5015(J507)或E4315(J427)，由于存放、烘焙、保溫、回收、現(xiàn)場(chǎng)使用效率低下等原因，一般在大型船廠使用較少，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中大都使用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行定位。

2.3 正面定位焊

焊工需要具備定位焊資質(zhì)。定位焊具體要求：對(duì)于開(kāi)坡口的焊縫厚度D通常為6～8 mm，且不超過(guò)板厚的1/2。定位焊長(zhǎng)度L一般為30～50 mm，對(duì)于高強(qiáng)度鋼可超過(guò)60 mm，定位焊間距T一般為200～500 mm，見(jiàn)圖2。

定位焊焊完后需要進(jìn)行定位焊打磨、焊道清潔、定位焊缺陷處理、焊前交驗(yàn)等程序。要確保正面埋弧焊焊接質(zhì)量，對(duì)定位焊的處理要求相當(dāng)高，尤其是海工產(chǎn)品的焊前報(bào)驗(yàn)對(duì)定位焊點(diǎn)要求相當(dāng)苛刻，見(jiàn)圖3。

圖3 正面定位焊

2.4 反面定位焊

需要拼板胎架高度足夠定位操作人員施工，一般內(nèi)場(chǎng)大組立拼板都在胎位上拼板，自然條件成熟，適合反面定位焊操作。

小組立主要在地面拼板，目前不具備條件，以后可以考慮埋弧自動(dòng)焊在某一集中區(qū)域進(jìn)行拼板，使用專(zhuān)用拼板胎架周轉(zhuǎn)拼板。為減少鋼板翻身，反面定位焊采用仰焊，焊工需要具備三類(lèi)資質(zhì)焊工，定位焊間距一般同樣為200～500 mm，只是定位焊本身無(wú)需像正面定位焊一樣打磨處理，反面定位焊樣式見(jiàn)圖4。

圖4 反面定位焊

反面定位焊的拼板正面焊道(見(jiàn)圖5)相對(duì)均衡，焊前處理比較方便，除銹打磨后可以直接進(jìn)行焊前報(bào)驗(yàn)。

圖5 反面定位焊的正面焊道

3 埋弧焊接

3.1 埋弧自動(dòng)焊原理

施工時(shí)，在電弧熱作用下焊絲和母材被熔化，在電弧底下形成液態(tài)金屬熔池[5]，熔池的形狀和尺寸由焊寬、熔深及熔池長(zhǎng)度來(lái)表示，這3個(gè)尺寸的大小是由電弧的功率和電弧的移動(dòng)速度(即焊接速度)來(lái)決定的，熔池尺寸大小和電弧功率成正比，而與焊接速度成反比，見(jiàn)圖6。

圖6 埋弧焊熔池的形狀和尺寸

電弧形成熔池，隨著電弧的前移形成新的熔池，而原來(lái)的熔池冷凝結(jié)晶成焊縫。焊縫的形狀和尺寸由熔寬B、熔深H和余高a來(lái)表示，熔寬和熔深就是焊縫的寬度和深度，而余高取決于焊絲熔化敷入的量。為了保證焊縫的力學(xué)性能，焊縫必須有足夠的熔深，和合適焊縫的尺寸比例。對(duì)接焊縫的熔寬和熔深之比成為焊縫的形狀系數(shù)(φ=B/H)，對(duì)于埋弧自動(dòng)焊來(lái)說(shuō)，較為合適的焊縫形狀系數(shù)為1.3～2.0。余高是焊縫的增強(qiáng)量，適量的余高是有利于提高焊縫的強(qiáng)度，但并非越大越好。過(guò)大的余高將使焊縫趾部形成截面突變，造成應(yīng)力集中，降低了焊接接頭的動(dòng)載強(qiáng)度。在埋弧對(duì)接焊縫中，?？刂朴喔邽槿蹖挼?/4～1/8，一般為0.5～3.0 mm，見(jiàn)圖7。

圖7 熔深、熔寬和余高

埋弧自動(dòng)焊的工藝參數(shù)有：焊絲直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲伸出長(zhǎng)度、焊絲的傾角等，這些焊接工藝參數(shù)影響著焊縫的形狀尺寸和焊縫質(zhì)量。

3.2 正面定位焊的焊接

正面埋弧焊的焊道內(nèi)由于定位焊的存在，實(shí)際操作中無(wú)法精確、及時(shí)地微調(diào)定位焊區(qū)域與原始板縫區(qū)域的不同焊接工藝參數(shù)來(lái)確保焊縫的熔深和熔寬均衡。尤其是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中的相對(duì)薄板(12～20 mm)，焊接容易造成焊縫成型余高不均衡，有定位焊的區(qū)域受定位焊制約熔深不夠，造成相對(duì)余高超高，需要焊后打磨修整。同時(shí)由于正面定位焊熔合在焊縫內(nèi)部，如果定位焊存在缺陷又沒(méi)有被埋弧焊完全熔合，就會(huì)造成埋弧焊焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，就要進(jìn)行焊縫修補(bǔ)，見(jiàn)圖8。

圖8 正面定位焊埋弧焊焊縫成型

3.3 反面定位焊的焊接

反面定位焊的正面焊道不存在定位焊區(qū)域與原始板縫區(qū)域差異，實(shí)際操作中，熔深和熔寬相對(duì)均衡，不需要微調(diào)焊接參數(shù)。尤其是厚度在12～20 mm的鋼板，焊縫余高控制比較容易，基本不需要焊后打磨修整。反面定位焊由于定位在碳刨面，定位焊在碳刨中全部清除，不存在對(duì)埋弧焊焊接內(nèi)部質(zhì)量隱患，見(jiàn)圖9。

圖9 反面定位焊埋弧焊焊縫成型

4 碳刨

4.1 正面定位焊的焊縫碳刨

正面定位焊的埋弧焊縫碳刨相對(duì)比較深，這是由于拼板正面定位焊區(qū)域與正面焊縫區(qū)域熔深不均衡、正面定位焊焊點(diǎn)可能存在缺陷(這一般在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中碳刨發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的幾率較高)、反面碳刨時(shí)正面的定位焊位置無(wú)法確定等因素，為確保埋弧焊焊道的均衡和焊縫質(zhì)量，一般正面定位焊的焊道碳刨需要刨掉原定位焊焊點(diǎn)[6]，也就是相當(dāng)于整體焊道加深碳刨，對(duì)實(shí)際碳刨工作量相對(duì)增加較多，碳刨面焊接工作量也相應(yīng)增加。

4.2 反面定位焊的焊縫碳刨

反面定位焊的埋弧焊縫碳刨相對(duì)比較淺，這是因?yàn)檎婧傅老鄬?duì)一致，正面焊接時(shí)埋弧焊熔深和熔寬相對(duì)均衡，碳刨時(shí)可以根據(jù)具體情況相對(duì)控制碳刨深度，尤其是對(duì)正面焊接熔深控制相對(duì)較好的焊縫，碳刨工作量比較小，碳刨面焊接工作量也相應(yīng)較少。

5 反變形控制

5.1 正面定位焊的反變形控制

正面定位焊埋弧焊焊接后，由于定位焊質(zhì)量和碳刨深度不受控，碳刨深度會(huì)因?yàn)檎娑ㄎ缓竻^(qū)域埋弧焊熔深而變化。所以一般靠拼板前加放反變形量幅度較大，不容易掌控，相對(duì)碳刨深度比較深的焊道焊接變形就難以控制，火工較平工作量較大。

5.2 反面定位焊的反變形控制

反面定位焊埋弧焊焊接因?yàn)榕c定位焊質(zhì)量關(guān)系不大，正面焊接時(shí)的熔深和熔寬都受控，所以碳刨深度基本受控，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)積累，一般加放反變形量幅度較小，對(duì)焊道焊接變形容易掌控，火工較平工作量較小。

6 對(duì)比分析

1)通過(guò)正反面定位焊對(duì)比分析，可以得出二者的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表1。

2)Y形拼板埋弧焊采用反定位焊法屬于基本利用原有作業(yè)條件，通過(guò)優(yōu)先確保埋弧焊焊道的均衡促成焊縫成型美觀；通過(guò)將定位焊設(shè)置在碳刨面減少焊前“定位焊”處理，減少能耗；通過(guò)確保正面熔深減少碳刨工作量，同時(shí)相對(duì)節(jié)約焊材；通過(guò)減少碳刨相對(duì)控制拼板變形程度等。

表1 正反面定位焊對(duì)比分析

在某型FPSO船的101和103分段上實(shí)施拼板反面定位，通過(guò)拼板前準(zhǔn)備、拼板定位、埋弧焊接、碳刨、反變形控制等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。對(duì)減少定位焊打磨工作量(以及打磨耗材與動(dòng)能損耗)、減少碳刨工作量(以及碳刨耗材與動(dòng)能損耗)、減少焊縫變形(以及減少火工校正耗能及工作量)、提高埋弧焊焊接質(zhì)量、節(jié)約焊材等都有好處，如果以量化估算，節(jié)約成本約30%。在該項(xiàng)目其他在建分段初步統(tǒng)計(jì)效率提升20%以上，綜合成本節(jié)約25%以上。

3)Y形坡口埋弧自動(dòng)焊采用反定位焊法可以對(duì)“在胎拼板”無(wú)需特別投入輔助資源，對(duì)不具備“在胎拼板”條件的可以考慮集中“借胎拼板”，還可以擴(kuò)展運(yùn)用到I形和X形坡口的埋弧自動(dòng)焊，以確保焊道均衡、正面熔深用足等。經(jīng)過(guò)反復(fù)和各種情況試驗(yàn)、驗(yàn)證和評(píng)審，或可升級(jí)為公司生產(chǎn)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。