螺柱焊在船舶甲板除冰加熱電纜安裝中的應用

劉 桑，彭紅英，許 斌

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州510725）

1 前言

為滿足BV 低溫環(huán)境航行Cold DI 入級符號要求，我司建造的4 艘1 100TEU 集裝箱船的上層建筑和A、B 兩層甲板通道外門到左、右舷救生筏和救生艇區(qū)域，均需要安裝甲板除冰加熱電纜。加熱電纜是由電纜托架通過2 600 多個M8 不銹鋼緊固螺柱固定在甲板底部，保證船舶短時間能在低溫環(huán)境航行操作時甲板除冰要求。

但首制船在離交船還剩16 天時，船東不接受設計部門如圖1 所示的加熱電纜緊固螺柱安裝方法，認為電纜托架上的螺柱不與甲板焊牢易受振動和加熱影響導致螺柱松動滑移使加熱電纜與甲板離空，并且墊板厚度影響電纜與甲板的貼合距離，兩個因素都影響到加熱除冰效果，要求拆除墊板，螺柱直接焊到甲板上。

圖1 加熱電纜緊固布置

由于緊固螺柱焊接時處于仰焊位置，如果采用傳統(tǒng)焊條電弧焊或CO2氣保焊等焊接方法需要先點焊固定螺柱，再進行一圈角焊，焊后還要修磨焊角高度，并且對甲板頂部油漆造成破壞，需要重新打磨補漆，投入較多作業(yè)人員，生產(chǎn)周期長，影響交船節(jié)點的完成。為此，決定采用螺柱焊進行螺柱的安裝及焊接。

2 螺柱焊基本方法

螺柱焊可分為兩種基本方法：電容儲能放電式螺柱焊和電弧拉弧式螺柱焊。兩者在焊接時間、適用螺柱直徑、焊接電源和牢固度等方面都有差異。

2.1 電容儲能放電式螺柱焊

使用電容儲能放電式螺柱焊機，適合薄板和直徑為M3～8 的螺柱焊接：焊接時需先給焊機內(nèi)的儲能電容充電，當螺柱尖梢與鋼板接觸扣動焊槍上啟動開關，儲能電容瞬間放電將尖梢及相連接觸點位置的鋼板表面熔化融合形成一個焊點；螺柱焊具有焊接時間短、熔深淺和融合面焊點小的特點；螺柱焊放電電壓與焊機電容量有關，放電時間只有1～15 ms，焊機焊接放電后電網(wǎng)需要對焊機電容充滿電后才能進行下一個螺柱的焊接，焊機一般只有放電電壓一個可調(diào)節(jié)參數(shù)。

電容儲能放電式螺柱焊常用于上層建筑巖棉保溫釘?shù)陌惭b及焊接。船用保溫釘直徑一般為M3，材質(zhì)為碳鋼表面鍍銅，端頭有一個法蘭面，法蘭面有引弧尖梢；尖梢一般有凸臺尖和梅花尖兩種型式：凸臺尖比梅花尖起弧成功率高，操作工人容易掌握，法蘭面與鋼板融合面較大，連接強度相對較高，掉釘率相對較低。

2.2 電弧拉弧式螺柱焊

使用拉弧式電弧螺柱焊機，適合厚板和直徑為M3～25 的螺柱焊接：直徑越大，需要的焊接電流越大及焊接時間越長，焊接時間通常為0.1～2 s；螺柱頂部一般要求加工成錐形，大直徑碳鋼螺柱還需要在頂端鉆孔打入鋁質(zhì)引弧結(jié)；因焊接接頭是螺柱全截面與鋼板焊透且螺柱周邊形成飛邊（焊角），連接強度遠高于電容儲能放電式螺柱焊接頭。

（1）焊接過程：

① 先將螺柱裝到焊槍螺柱夾頭內(nèi)，并在端頭套上陶瓷環(huán)，然后螺柱垂直接觸工件，如圖2 a）所示；

② 扣動槍上焊接開關，焊槍的螺柱夾持機構(gòu)自動提升螺柱，此時螺柱與工件之間出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒電弧，如圖2 b）所示；

③ 電弧熱熔化螺柱頂部和工件表面形成熔池，焊接結(jié)束后斷電，隨后螺柱夾持機構(gòu)壓迫螺柱下沉到工件熔池，鐵水填滿瓷環(huán)空處形成焊腳及全熔透接頭，如圖2 c）所示；

④ 焊縫凝固后，敲掉瓷環(huán)，焊接結(jié)束，如圖2 d）所示。

圖2 電弧拉弧式螺柱焊焊接過程

（2）主要工藝參數(shù)

① 焊接電流：一般按螺柱直徑50～100 倍選擇；② 焊接時間：按螺柱直徑50～150 倍選擇；

③ 伸出長度：伸出長度與螺柱直徑成正比，一般為2～5 mm，如圖3 所示；螺柱的伸出長度實際上是螺柱的熔化長度，若太短則焊釘伸不到溶池內(nèi)，造成焊角偏焊等；若太長則焊釘壓入溶池過深，鐵水四處飛濺或擠滿瓷環(huán)所有縫隙，出現(xiàn)焊角不美觀、夾渣等缺陷；

④ 提升高度：提升高度反映了焊接時的電弧電壓，提升高度與螺柱直徑成正比，一般為2～7 mm，如圖3所示。

圖3 提升高度和伸出長度示意圖

3 適用材料

螺柱焊的螺柱及母材，按表1 進行選用，材質(zhì)需滿足GB/T902.3-2008《儲能焊用焊接螺柱》和GB/T100433-2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》要求。

表1 螺柱材料和母材匹配表

4 在除冰電纜安裝中的應用

因交船時間緊迫，螺柱生產(chǎn)廠家建議采用M8 不銹鋼螺柱進行電纜托架的固定。螺柱長度18 mm，頂部法蘭面直徑10 mm，法蘭厚0.8 mm，法蘭凸臺尖梢直徑0.75 mm，高度0.8 mm。

船廠使用廠家提供的焊機進行緊固螺柱試焊，發(fā)現(xiàn)焊點不牢固，螺柱稍為扳動就脫落，操作時很容易焊偏，破斷后的熔合面有較多氣孔，不能滿足電纜托架緊固要求。

4.1 螺柱脫落原因

（1）電纜托架緊固螺柱，既受電纜彎曲的張力，又受固定托架時擰緊螺母的扭力，焊點對抗彎抗扭能力及焊點牢固度要求高。廠家提供的CD132 焊機為電容儲能放電式焊機，理論適用螺柱直徑為M2～M8，但對于較大直徑螺柱只適用于2 mm 以下薄板，而電纜緊固螺柱是焊在母材為7 mm 的碳鋼甲板上，7 mm 甲板對船舶結(jié)構(gòu)來講屬于薄板，但對于螺柱焊來講屬于厚板，隨著厚度增加，電弧熱量流失加快，接觸點熔化能力下降，生產(chǎn)現(xiàn)場螺柱端部法蘭面大部分未熔化，在這種條件下需要焊機能夠輸出較高的焊接能量才能保證接觸點的熔化和融合，而電容儲能焊機放電時間只有1～10 ms，焊接能量遠遠不夠，這種情況需要電弧拉弧式螺柱焊機才能滿足焊接要求，其焊接周期長、焊接電流穩(wěn)定。廠家忽略了母材厚度和螺柱頂部法蘭直徑的對焊機輸出能量的影響，因此推薦使用CD132電容儲能放電式螺柱焊機，屬于選型不當；

（2） 焊接時沒有陶瓷環(huán)保護或氣體保護，空氣侵入熔池產(chǎn)生較多焊接氣孔，減弱了螺柱焊縫有效截面；

（3）所用螺柱為帶法蘭面凸臺尖梢型式，法蘭面外沿邊容易接觸到母材形成兩個接觸起弧點，容易造成偏焊。

4.2 螺柱焊機選擇

（1）一般以螺柱直徑10 mm 為界，大于10 mm必須選擇電弧拉弧式螺柱焊機；

（2）直徑小于或等于10 mm，考慮牢固度要求、螺柱直徑和母材厚度三個因素來決定：牢固度要求低的，如巖棉保溫釘，可以采用電容儲能放電式螺柱焊機；牢固度要求高的，如果母材厚度小于或等于2 mm，也可以采用電容儲能放電式螺柱焊機；母材厚度大于2 mm，則需要選擇電弧拉弧式螺柱焊機；

（3）螺柱直徑指的是接觸點處的螺柱直徑，螺柱如果有法蘭面，則直徑指的是法蘭面直徑，而不是螺柱標稱直徑。

4.3 螺柱焊工藝

（1）螺柱焊機：選擇型號為N800i 的電弧拉弧式螺柱焊機，其焊接電流調(diào)節(jié)范圍50～800 A 焊接時間調(diào)節(jié)范圍0.005～1 s。

（2）陶瓷環(huán)：螺柱法蘭面直徑為10 mm，選擇匹配的直徑10 mm 瓷環(huán)。主要作用是強制熔池金屬在螺柱周邊形成環(huán)狀焊角，同時瓷環(huán)內(nèi)高溫正壓氣體從瓷環(huán)排氣口排出，阻止空氣與熔池接觸，減少氣孔產(chǎn)生；安裝瓷環(huán)時，要注意與螺柱保持同軸，以便使形成的飛邊（焊角）360°均勻分布；

（3）螺柱垂直度：螺柱不垂直甲板是造成偏焊、焊點不牢固的重要原因，焊工在扣動焊槍開關前應下壓焊槍使瓷環(huán)卡箍與甲板360°全接觸，不離空時才扣動開關，保證螺柱垂直于甲板；

（4）焊前清潔：須將待安裝螺柱位置的表面磨出金屬光澤，因為甲板上的油漆會影響到焊接回路形成，造成起弧困難、火花飛濺增多和焊不牢等問題；打磨最好采用千葉砂輪片，其彈性大、與鋼板接觸面大，而采用常規(guī)剛玉砂輪片，其剛性大、與鋼板接觸面小、效率低。

（5）試焊和焊牢：必須經(jīng)過不少于10 個螺柱的試焊來確定工藝參數(shù)，才能進行生產(chǎn)焊接；檢驗焊牢的方法：目視螺柱周界360°有飛邊，用錘子或套管使螺柱正反向反復彎曲30°直到折斷，以斷裂位置不在焊縫為合格；

（6）工藝參數(shù)：經(jīng)過試焊，確定采用如表2 所列工藝參數(shù)。

表2 焊接工藝參數(shù)

5 應用效果

在螺柱焊接工藝調(diào)整到位后，依靠一臺焊機完成了首制船兩層甲板共2 600 多顆不銹鋼螺柱的安裝和焊接，比使用傳統(tǒng)焊接方法預期工期減少36 天，為后續(xù)除冰加熱電纜敷設爭取到較充裕施工時間。

螺柱焊焊接通電時間短，熱輸入極低，甲板油漆無破損，避免了采用傳統(tǒng)焊接工藝對甲板面油漆的破壞及隨后的補涂。焊接結(jié)果得到了船東的認可，保證了首制船按期簽字交船，后續(xù)三條船采用同樣的工藝施工，現(xiàn)已全部交船。

6 結(jié)束語

螺柱焊首次在船舶甲板除冰加熱電纜安裝中應用，對縮短工期發(fā)揮了關鍵作用。螺柱焊焊機類型選擇，需要同時考慮待焊螺柱規(guī)格和母材厚度兩個因素，并在正式焊接前經(jīng)過試焊，設定好焊接電流、焊接時間、提升高度和伸出長度等參數(shù)，做好焊前清潔和池熔保護，可以得到滿意的螺柱焊效果。