自動化焊接小車在船舶焊接中的應(yīng)用

王 博

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程系，遼寧 葫蘆島 125105）

1 前言

隨著自動化高效焊接技術(shù)及船舶建造精度控制技術(shù)的不斷發(fā)展，全自動焊接替代半自動焊接在船舶的分段建造、分段合攏及大合攏中逐步得到推廣應(yīng)用。在中海40 000 t 成品油船的建造中，板對接焊縫的焊接中使用全自動CO2氣體保護焊取代半自動CO2保護焊接。但全自動化焊接在船舶建造中未得到廣泛應(yīng)用，主要原因是全自動化焊接設(shè)備引進較晚，操作者不熟悉設(shè)備，缺乏操作經(jīng)驗；相關(guān)的焊接工藝未能完善；船舶分段制作精度較差，導(dǎo)致斷口誤差大，阻礙導(dǎo)軌的鋪設(shè)；焊接區(qū)域的障礙物較多，設(shè)備操作空間不足等。在船舶焊接中，全自動CO2氣體保護焊對提高焊接生產(chǎn)效率、減輕焊工的勞動強度和保證焊接質(zhì)量方面具有十分重要的意義。本研究詳細介紹全自動CO2氣體保護焊焊接設(shè)備組成及焊接工藝，并分析了經(jīng)濟效益及推廣方法，現(xiàn)總結(jié)如下。

2 全自動CO2 氣體保護焊焊接設(shè)備組成

全自動CO2氣體保護焊焊接設(shè)備由焊接電源、自動送絲機、焊接小車及軌道、控制系統(tǒng)及供氣系統(tǒng)組成。

2.1 焊接電源

采用唐山松下YD-500CL 晶閘管控制MIG/MAG 弧焊電源。該電源采用無控制電纜設(shè)計，能夠減少磨損及剮蹭，機動性更好。該電源具有引弧成功率高，電弧穩(wěn)定，飛濺少，焊縫成型美觀等優(yōu)點。

2.2 送絲機

采用與焊接電源配套的YW-50CA2HJ 送絲機，具有三規(guī)范調(diào)節(jié)功能，可適用于多種焊接方式頻繁切換的場合。

2.3 焊接小車及軌道

采用GR-1CW 型焊接小車，該設(shè)備具有體積小、重量輕，易于移動和安裝等優(yōu)點。焊接小車是實現(xiàn)自動焊接過程的驅(qū)動裝置。行走機構(gòu)由伺服電機和齒輪傳動機構(gòu)組成,通過和軌道上的齒條嚙合來帶動焊接小車實現(xiàn)沿焊縫方向的運動和速度控制。焊槍擺動調(diào)節(jié)機構(gòu)采用GR-33 搖擺器實現(xiàn)擺動的軌跡，可設(shè)置左/中/右三點停留，停留時間可調(diào)節(jié)。焊接小車每次使用完畢后要把粘在焊接小車上的焊接飛濺抹拭干凈，然后將齒輪、軸承加潤滑油。

軌道采用磁吸式導(dǎo)軌，可以根據(jù)工況條件選擇剛性軌道或柔性軌道。剛性軌道定位精度高、軌道安裝后變形較小，焊接小車行走平穩(wěn)，焊接時焊槍徑向調(diào)整較小，但軌道重量較大、裝拆不方便。而柔性軌道裝拆方便、重量較輕，但精度沒有剛性軌道高。導(dǎo)軌安裝前要將安裝面的鐵銹層或金屬雜質(zhì)清理干凈，避免因吸力不足導(dǎo)致導(dǎo)軌滑落。

2.4 控制系統(tǒng)

采用GR-28-H 控制系統(tǒng)控制焊接起弧/收弧時間，控制小車行走速度，以及搖擺器左/中/右三點停留時間，從而保證焊縫成型及質(zhì)量。小車和控制盒是分體式的，控制盒上裝有數(shù)字化顯示屏和各個功能開關(guān)。

3 全自動CO2 氣體保護試板焊接試驗

試驗采用板對接橫焊位焊接試驗，要求試驗焊縫成形美觀，無表面缺陷，并對焊縫進行力學(xué)性能測試。

3.1 焊接材料

試驗?zāi)覆臑榇酶邚婁揂H36，板厚為15 mm。焊接材料選用韓國現(xiàn)代的SF-71 焊絲，直徑ф1.2 mm，SF-71 是鈦型全位置焊接藥芯焊絲，具有飛濺少，焊縫成型美觀，電弧穩(wěn)定柔和，熔渣覆蓋均勻，脫渣性能好等特點。保護氣體采用CO2氣體，純度≥99.5%。采用上海泰昌焊接襯墊材料有限公司的TC-A2 襯墊做反面強制成型。

3.2 焊前清理

試板尺寸為800 mm×200 mm×15 mm，試板長度方向沿著鋼板的軋制方向。采用氧乙炔焰進行坡口加工，一組試板的坡口角度分別為15°和30°，鈍邊為0～2 mm。使用角向磨光機或砂紙將坡口及坡口兩側(cè)20～30 mm 的區(qū)域清理干凈，露出金屬光澤。

3.3 焊接裝配

裝配兩組試板，橫焊位下板坡口角度為15°，上板坡口角度為30°。試板間隙為6 mm。把襯墊貼在鋼板背面，貼合要緊密，不能出現(xiàn)縫隙，保證襯墊中心和焊縫坡口中心線重合。焊接試板裝配如圖1 所示。

圖1 焊接裝配圖

3.4 焊接工藝參數(shù)

采用全自動CO2氣體保護焊，直流反接進行施焊。焊道分布如圖2 所示。焊接工藝參數(shù)，見表1。完成一道焊縫后，要將飛濺物清理干凈?？刂频篱g溫度≤250 ℃，防止過熱引起焊縫及熱影響區(qū)組織晶粒粗大和合金元素嚴(yán)重?zé)龘p。

圖2 焊道分布

表1 橫焊焊接工藝參數(shù)

3.5 焊接操作

在橫焊縫位置預(yù)先鋪設(shè)磁吸式導(dǎo)軌，導(dǎo)軌鋪距坡口中心大約150～200 mm 的距離，導(dǎo)軌接頭要貼緊且順直，兩端與焊縫距離必須相等。打開離合，將焊接小車安裝在導(dǎo)軌上，再裝上搖擺器和焊槍夾，然后將電源線插頭對插進控制盒，最后把連接焊槍的電源線接好。將焊槍水平固定在焊接小車上，打開電源控制盒電源開關(guān)，各功能的顯示屏?xí)袛?shù)據(jù)顯示，檢查各功能刻度調(diào)節(jié)能否正常使用。特別是行走小車能否正常行走，焊接前先預(yù)調(diào)好各功能參數(shù)，啟動焊接后必須及時跟蹤各功能調(diào)整。

3.6 試驗結(jié)果分析

3.6.1 焊縫外觀檢查

施焊完成過后，焊縫表面波紋均勻，寬窄一致，高低平整，焊縫與母材圓滑過渡，無表面焊接缺陷。經(jīng)測量焊縫的余高和寬度符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.6.2 力學(xué)性能檢測

對焊接試件取樣，進行力學(xué)性能檢測。依據(jù)GB/T 2651—2008 焊接接頭拉伸試驗方法，進行拉伸試驗，試驗結(jié)果見表2。依據(jù)GB/T 2653—2008 焊接接頭彎曲試驗方法，進行彎曲試驗，試驗結(jié)果見表3。依據(jù)GB/T 2650—2008 焊接接頭沖擊試驗方法，進行沖擊試驗，試驗結(jié)果見表4。依據(jù)GB/T 4340.1 金屬維氏硬度試驗，進行硬度試驗，結(jié)果試驗見表5。

表2 拉伸試驗結(jié)果

表3 彎曲試驗結(jié)果

表4 沖擊試驗結(jié)

表5 維氏硬度試驗結(jié)果

3.6.3 無損檢測

焊接完成24 h 后，使用X 射線探傷機進行拍片探傷，結(jié)果為Ⅰ級合格。

4 全自動CO2 氣體保護焊焊接工藝措施

通過在中海40 000 t 成品油船的建造中的實際應(yīng)用，全自動CO2氣體保護焊在應(yīng)用過程中要注意的工藝措施如下：

（1）通過減小坡口角度，降低焊接線能量的輸入，有利于減小焊接變形。

（2）焊接過程保持連續(xù)，減少引熄弧造成的搭接頭，減少焊縫表面的打磨及缺陷修補工作量，可以提高焊縫探傷合格率。

（3）焊接過程飛濺很容易堵塞噴嘴,造成氮氣入侵,可以采用P-3 型噴嘴防堵劑以提高生產(chǎn)效率。

（4）電流過大時容易造成襯墊脫落，影響焊接質(zhì)量?？梢约友b襯墊緊固裝置，增加襯墊貼合力，防止襯墊脫落。

（5）多道焊時注意控制道間溫度≤250 ℃，避免焊縫及熱影響區(qū)組織晶粒粗大而導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

（6）預(yù)先設(shè)定焊接工藝參數(shù),并在焊接過程中根據(jù)實際情況隨時調(diào)整。

（7）如果焊縫坡口間隙在8 mm 以下可直接用全自動CO2氣體保護焊進行打底，且背面成型均勻，美觀，熔合較好。如果大于8 mm 的間隙，必要時要使用半自動焊打底，然后使用全自動CO2氣體保護焊，才能保證焊縫質(zhì)量。

5 全自動CO2 氣體保護焊應(yīng)用經(jīng)濟效益分析

據(jù)統(tǒng)計，船體大合攏中，焊接工時一般約占船體建造工時的20%～30%，焊接成本約占船體建造成本的20%～30%，因此合理選用各種高效焊接技術(shù)在船體建造中至關(guān)重要。

購置自動化設(shè)備一次投入較大，但相應(yīng)的對焊工技能要求降低，焊工只要操作幾次就可以掌握要點，培訓(xùn)投入少。在設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用之后經(jīng)濟效益就顯現(xiàn)出來了。以船體大合攏旁板橫對接焊縫為例，人工費用按每小時35 元、每人每天8 h 計算，一人用半自動焊可以焊5 m/d，但用全自動橫焊可以焊15 m/d，內(nèi)外焊縫大約有400 m，用半自動焊人工費用大約22 400 元，完成時間需要80 d，而用全自動橫焊只需約7 560 元，完成時間大約27 d，可以節(jié)約14 800 元，施工周期也縮短了2/3。由此可見，全自動CO2氣體保護焊能縮短作業(yè)周期、減少焊接成本、降低焊工勞動強度、降低對焊工操作技能的要求，可以給船體建造帶來巨大效益。

在實際生產(chǎn)過程中，工況條件好的情況下，例如甲板面拼接時，可以實現(xiàn)一人同時操作兩臺設(shè)備，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益還會大大提高。

6 全自動CO2 氣體保護焊技術(shù)應(yīng)用推廣方法

6.1 開展操作技術(shù)研究

研究設(shè)備說明書并向設(shè)備廠商專業(yè)技術(shù)人員請教，通過試驗摸索出適合生產(chǎn)的設(shè)備使用特點與操作方法，通過參與制定焊接工藝，總結(jié)焊接工藝參數(shù)設(shè)定、操作技巧等。

6.2 改善作業(yè)條件

加強6S 管理，提高生產(chǎn)精度管理，提升船舶分段制作精度；改善船塢生產(chǎn)條件，進行分段預(yù)組合、模擬搭載等工藝方法，使大合攏斷口的線型修整提早進行；完善裝配工藝要求，采用自動化修割坡口，嚴(yán)格控制坡口間隙和質(zhì)量。

6.3 逐步推廣

通過操作技能培訓(xùn)，重點培養(yǎng)技術(shù)骨干，通過技術(shù)骨干以點帶面，互相學(xué)習(xí)，使得熟悉該套設(shè)備、技術(shù)、工藝參數(shù)的焊工越來越多，經(jīng)驗越來越豐富。在實際生產(chǎn)應(yīng)用方面，采用先易后難，先少后多，逐步推廣的策略。在工程實踐中逐步展現(xiàn)該焊接技術(shù)的優(yōu)勢，為更廣方面的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

7 結(jié)論

（1）通過板對接橫焊試驗可知，全自動CO2氣體保護焊焊縫成形美觀，無表面焊接缺陷，并且具有較好的力學(xué)性能。

（2）全自動CO2氣體保護焊焊縫成形美觀、焊接質(zhì)量好，效率是半自動CO2氣體保護焊的3 倍以上，還能減輕工人的勞動強度，降低成本，縮短建造周期。

（3）全自動CO2氣體保護焊在船舶建造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但是由于操作技術(shù)、作業(yè)條件等原因，目前還未得到廣泛應(yīng)用。還需要行業(yè)共同努力，積極推廣好的焊接技術(shù)。