淺談船體焊接工藝方法的改進(jìn)

摘 要：本文主要分析了船體焊接的幾種主要方法及其特點(diǎn)，對船體焊接工藝的發(fā)展進(jìn)行了闡述，并闡述了船體焊接改進(jìn)的新工藝，包括高速雙絲平角焊新工藝、高速焊劑銅襯墊單面埋弧焊新工藝以及自動高速旋轉(zhuǎn)電弧焊接新工藝等。

關(guān)鍵詞：船體焊接 焊接工藝 焊接方法

中圖分類號：TG457.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（c）-0099-01

目前電弧焊是船體建造工程中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種焊接方法。它是以電弧的形式將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砣刍饘佟?shí)現(xiàn)焊接的。不同的弧焊電源對電弧的燃燒有不同的影響，因而對整個焊接過程的進(jìn)行和船體焊接質(zhì)量的影響也不同。為了滿足船體焊接工藝的需要和保證焊接質(zhì)量，必須正確選用弧焊電源。

1 船體主要焊接方法及特點(diǎn)

目前鋼鐵結(jié)構(gòu)的焊接主要是以電弧焊完成的。眾所周知，在大氣環(huán)境中焊接，大氣中的氧化性成分如氧氣將對熔化金屬產(chǎn)生氧化作用，大氣中的氮?dú)鈱⒎纸獬稍覰進(jìn)入液態(tài)金屬以及大氣中的水汽（H2O）也將分解出原子氫（H）進(jìn)入焊縫金屬。這些氣體成分進(jìn)入焊縫金屬，是形成夾雜物、產(chǎn)生氣孔、惡化韌性及產(chǎn)生焊接裂紋直接因素。無論哪種焊接方法，為了防止大氣中的氣體元素的有害作用，均是在一定的保護(hù)條件下完成的。如焊條是在鋼芯外涂敷一定厚度的藥皮，而藥皮在焊接過程中將發(fā)揮造氣、造渣來保護(hù)液態(tài)金屬。并且通過藥皮中的成分進(jìn)行脫氧、去氫及合金化過程，使焊縫金屬得到凈化且成分性能符合技術(shù)要求，還要使焊條具有便于焊接的工藝性能。

2 船體焊接工藝方法的改進(jìn)

2.1 高速雙絲平角焊新工藝

為了適應(yīng)建造雙層殼體油船工作量增加的狀況，日本一些大型船廠都配備了門架式多頭（12～20頭）自動平角焊機(jī)，主要用于焊接平面分段中縱骨與板的平角焊縫。以往雖采用CO2氣保護(hù)雙絲焊接工藝，但每根焊絲1個焊池，焊絲間距較大，焊接速度僅每分鐘數(shù)十厘米，不能適應(yīng)高速焊接的需求。為此對這種雙絲焊工藝作出改進(jìn)，縮小焊絲間距，使兩個電弧在同一個焊池上燃燒，從而開發(fā)出雙絲單個焊池的新工藝。同時這種工藝仍采用CO2氣體保護(hù)焊，但焊絲則使用新開發(fā)的耐底漆性良好的金屬粉芯藥芯焊絲，這一改進(jìn)成倍地提高了焊接速度，而且焊縫的內(nèi)在質(zhì)量和外形都相當(dāng)好。

2.2 高速焊劑銅襯墊單面埋弧焊新工藝

高速焊劑銅襯墊單面埋弧焊新工藝在日本得到開發(fā)。對于船舶內(nèi)場拼板焊接，日本的船廠已較長時期使用2絲或3絲焊劑銅襯墊單面埋弧焊技術(shù)，但現(xiàn)在隨著國際上對油船設(shè)計(jì)提出雙層殼體化，拼板工作量增加，原來工藝的焊接速度已跟不上生產(chǎn)需要，為此經(jīng)試驗(yàn)研究把焊絲增加到4絲（2根前行焊絲，2根后行焊絲）同時對焊劑和襯墊焊劑進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)了新的高速焊劑銅墊埋弧單面焊接法。焊接船體結(jié)構(gòu)中常用的厚12～16 mm鋼板、焊接速度可達(dá)150 cm/min，為原工藝方法的2～2.5倍。

2.3 自動高速旋轉(zhuǎn)電弧焊接新工藝

作為自動高速旋轉(zhuǎn)電弧焊接新工藝，日本NKK公司應(yīng)用技術(shù)研究所，近年來把高速旋轉(zhuǎn)電弧焊新工藝應(yīng)用于實(shí)際船舶施工，該工藝可明顯提高焊接精確性，使焊接速度提高、質(zhì)量穩(wěn)定，該系統(tǒng)從特厚板的窄間隙焊接擴(kuò)展到焊接簿板的高速焊接，電弧在電極噴嘴的旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而焊絲端部則呈偏心旋轉(zhuǎn)。使電弧的高速旋轉(zhuǎn)頻率達(dá)到10～100 Hz，如電弧旋轉(zhuǎn)速度從1 Hz變化到50 Hz的平位置填角焊焊接電流的波形，旋轉(zhuǎn)直徑為3.5 mm，焊接電流為300 A。而且有改進(jìn)焊道形狀的作用。高速旋轉(zhuǎn)電弧的焊接方法首先應(yīng)用于大厚度窄間隙焊，繼而轉(zhuǎn)入到多絲焊接裝置，多關(guān)節(jié)弧焊機(jī)器人等焊接裝備上：（1）自動窄間隙焊接裝置，使用自動高速旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接裝置進(jìn)行連續(xù)焊接。（2）旋轉(zhuǎn)電弧自動多絲角焊裝置，把旋轉(zhuǎn)電弧應(yīng)用在多電極船用縱向構(gòu)建或H型鋼的生產(chǎn)中的串列多弧焊接，可以達(dá)到焊接尺寸5～13 mm，這樣減少了勞動力，提高了生產(chǎn)率。（3）高速旋轉(zhuǎn)電弧焊接機(jī)器人，這種機(jī)器人主要應(yīng)用于薄板高速焊接，隨著弧焊機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，智能型的焊接機(jī)器人也應(yīng)用上高速旋轉(zhuǎn)電弧焊工藝，可以使在密閉容器內(nèi)及高空作業(yè)的焊接實(shí)現(xiàn)無人控制成為可能，它能保證焊接質(zhì)量，提高效率，確保安全，改善工作環(huán)境。由于坡口斷面積減小和使用高的焊接電流，使熔敷焊道的數(shù)量大為減少，因此每米焊縫的焊接時間僅為原工藝的1/2，從而提高了生產(chǎn)效率，另外新的專用金屬芯藥芯焊絲可使接頭在大線能量的條件下仍具有較高的接頭韌性。

2.4 高強(qiáng)鋼的氣電立焊新工藝

1992年美國海軍研究所向私營企業(yè)界征詢關(guān)于支持開發(fā)水面船舶雙殼船體制造技術(shù)的方案。美國梅特羅機(jī)械公司，諾福克海軍船廠，采用弧形船殼板及單道氣電立焊方法制造經(jīng)簡化的雙殼船體結(jié)構(gòu)方案被稱為無剛性支撐的弧形殼體（內(nèi)殼體及外殼體）的船體設(shè)計(jì)，利用了弧形板自身的強(qiáng)度和剛性。這樣不需要使用附在鋼板表面的扶強(qiáng)材（一般為T型梁、角鋼或扁鋼）。該結(jié)構(gòu)的另一個獨(dú)特地方是采用單道氣電立焊，焊縫是將二塊船殼板與內(nèi)部縱向桁材連接在一起。該焊接設(shè)備是由林肯公司制造的由焊接電源、送絲機(jī)、電弧控制及擺動機(jī)構(gòu)組成。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，近年來激光焊接已進(jìn)人到實(shí)用化階段，目前市售的激光器有CO，激光可達(dá)50 kW、YAG激光可達(dá)4 kW，供焊接用的CO2激光波長為10.6μm，YAG激光波長為1.06 μm二種。激光焊接的熔透深度幾乎是在每l kW焊接速度為1 m/min時，熔透深度為1 mm。美國Convergent Energy公司生產(chǎn)的25 kW CO2激光焊接器，可進(jìn)行碳鋼的焊接，當(dāng)焊接速度為0.7 m/min時，在21 mm厚的鋼板上，不開坡口只用一道激光焊接而成，這比電子束焊還要好。在造船行業(yè)中，British shipbmilders應(yīng)用激光焊接的高速性、小變形、自動化、高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了T型接頭的角焊縫激光焊接，BS公司用9 kW的CO2激光對板厚為15 mm的角接焊縫以0.5 m/min的焊速進(jìn)行了激光焊接。

3 結(jié)語

綜上所述，船體焊接設(shè)備和工藝方法的發(fā)展具有以下特點(diǎn)：在保證焊接質(zhì)量的前提下盡可能提高焊接效率，而焊接效率的提高必然伴隨船體建造成本的降低；船體焊接設(shè)備和工藝方法的發(fā)展是受到焊接材料的同步發(fā)展作為支撐的，如金屬粉型藥芯焊絲促進(jìn)了高效率氣保護(hù)焊接新工藝的發(fā)展等。

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