螺柱焊在船舶焊接卡馬中的應用

張宏建，夏文亞 ， 何 源

（1.廣東新中國船廠有限公司；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510775，廣州 510310）

1 前言

船舶建造過程中，板材或型材在進行對接焊前，需要沿焊縫方向安裝定位卡馬（見圖1），以達到控制焊接變形、保證焊接質量的目的。各船廠一直以來的做法是：用鋼材切割成長條型馬，垂直于焊縫安裝，卡馬在焊縫兩側與所焊板材或型材焊接固定。隨著單面焊雙面成型技術的發展，如陶瓷襯墊焊的使用越來越普遍，相比雙面焊接的方式其產生的角變形更大，因此對焊接卡馬的依賴程度更高。

一般中、小型船舶的船臺搭載需要使用1 000～3 000個卡馬，大型船舶則使用更多的卡馬。大量的焊接卡馬拆除后留下了大量的馬腳，需要火焰切割、碳刨、打磨和補焊處理，由此給船廠帶來了大量的批補磨工作。另一方面，普通焊接卡馬拆除后對船體母材造成一定程度的損傷，對板材油漆造成大面積的破壞，并且普通焊接卡馬使用完后重復利用程度低，造成材料的浪費。

圖1 普通焊接卡馬

2 螺柱焊焊接工藝

螺柱焊是將螺柱一端與板材表面接觸，首先在焊接螺柱和母材之間引弧，待接觸面熔化后對螺柱施加一定壓力，將螺柱端浸入熔池，并將液態金屬部分擠出接頭，形成再結晶的塑性連接或再結晶和重結晶混合連接接頭的焊接的方法。由于螺柱焊焊接時間短、焊接強度高、焊接能量集中、操作方便、焊接效率高及母材熱損傷小等特點，被廣泛應用于汽車、鐵路、鋼結構建筑、造船等行業。按照操作方法的不同，將螺柱焊分為電容儲能式和拉弧式螺柱焊。

將螺柱焊應用于焊接卡馬，為達到較深的熔池、足夠的焊接強度，須采用拉弧式螺柱焊機。拉弧式螺柱焊機采用整流器或變流器供電，為了使焊接過程穩定，要求電源為直流下降特性，具有良好的動特性。其空載電壓在70～100 V之間，最大焊接電流可達3 000 A。焊接時，將螺柱通過焊槍直接焊接在母材上。在焊接過程中，不需要填充料，是一種焊接工藝簡單、焊接牢固度好、焊接成本低、焊接效率高的焊接方式。

拉弧式螺柱焊機其焊接時間在200 ms以上，焊接熔深一般大于0.3 mm，且在已焊接的螺柱周圍形成比較有規則的焊縫成型，大大增加了焊接強度。其可焊螺柱2～30 mm直徑，對板材表面的質量要求較低，有鍍層、油污、銹蝕、底漆等都不影響焊接。

拉弧式螺柱焊焊接過程見圖2。

（1）將焊接螺柱插入焊槍的夾頭中，配上瓷環，抵在工件的焊接位置a）；（2）焊接開始時，提升焊接螺柱，先導電流在焊接螺柱和工件之間激發出電弧b）；（3）在焊接螺柱和工件之間觸發主電弧c），螺柱和焊接母材表面熔化；（4）焊接螺柱被提升到最高點后，開始回落并插入熔池，焊接電流隨即終止d）；最后完成情況見e）。

圖2 陶瓷環保護拉弧式螺柱焊焊接過程

3 螺柱式焊接卡馬

3.1 螺柱式焊接卡馬形式

國外一些先進船廠使用了一種新型焊接卡馬——螺柱式焊接卡馬，如圖3所示。該種卡馬使用螺柱進行固定，通過拉弧式螺柱焊將螺柱焊接在板材焊縫的兩側，用螺母緊固卡馬，從而達到替代傳統電弧焊式焊接卡馬的目的。

螺柱式焊接卡馬使用鋁材或鋼材通過鑄造或沖壓成型。為了減輕重量，其內部鏤空，并在螺柱的安裝位置開孔，同時在卡馬的一側開有過焊孔，螺柱穿過孔的位置和數量可根據實際情況確定，如圖4所示。參照普通焊接卡馬，整個卡馬的長度一般在300～1 000 mm之間。

圖3 國外某船廠螺柱式焊接卡馬

圖4 螺柱式焊接卡馬

3.2 專用螺柱與瓷環

螺柱為低碳鋼材質，其前端需要鑲嵌小鋁球用于焊接時的引弧。為滿足焊接卡馬的使用強度要求，根據船體結構板厚，應使用M10以上螺柱。螺柱焊焊接時，由于溶池較深，氣體保護對溶池的塑形能力較差，并且較易受到電弧偏吹影響，因此在焊接M12以上螺柱時，需要采用瓷環保護焊接，螺柱與瓷環的安裝方式如圖5所示。

圖5 螺柱與瓷環的連接示意圖

3.3 螺柱式焊接卡馬優點

螺柱式焊接卡馬與普通的焊接卡馬相比，其主要優點如下：

（1）螺柱式卡馬改變了普通卡馬的安裝和拆除方式，采用螺栓緊固，安裝便捷，也節約了普通焊接卡馬工裝材料；

（2）螺柱式卡馬焊接操作使用專用的螺柱式焊機，操作簡單，不需要專門焊工操作，一般裝配工即可操作；

（3）螺柱式卡馬的焊接量少，切割后僅留下數個圓形焊點，手尾打磨補焊工時減少，且保證了母材表面的質量；

（4）對外板油漆破壞少，減少了后期涂裝打磨、油漆的工作量；

（5）應用專用的陶瓷保護環保證焊縫成型和滅弧，操作人員可在無防護面罩等保護的情況下進行焊接工作，焊接時只有微量煙塵，不需要防弧光，工人施工環境得到改善；

（6）螺柱式卡馬與外板不直接焊接，安裝、拆除后不會損壞卡馬，能夠長期重復利用。

4 實船應用

為檢驗螺柱式焊接卡馬在實船施工中的使用效果，我們選取了兩家船廠兩個不同船型的分段合攏進行試驗比較，分別是黃埔船廠的3 000 t海監船及南沙新船重工的40 m拖輪分段制作和船臺搭載施工，采用螺柱式焊接卡馬替代普通焊接卡馬，均取得良好效果。

其安裝的主要工藝流程如下：現場根據螺柱式焊接卡馬不同的長度規格，確定專用螺柱的安裝位置，安裝位置有面漆的，打磨螺柱安裝位置直徑范圍30～50 mm內的油漆，然后進行螺柱焊焊接；焊接時確保焊槍和母材垂直，檢查焊釘安裝位置是否牢固，對于焊釘焊接歪斜或者不牢固的，拆卸下來重新進行焊釘的安裝，之后進行螺柱式焊接卡馬的安裝，使用螺母和墊片緊固。通過螺母的上緊，調節對接縫邊緣的錯變量。

螺柱式焊接卡馬和普通焊接卡馬拆除后，母材表面的質量對比差距明顯，普通焊接卡馬批補磨工作量大，如圖6所示。

5 綜合成本分析

結合生產實際，在工效和成本方面，對普通卡馬和螺柱式卡馬的裝配效率、焊接效率、拆除打磨補焊效率以及卡馬成本、焊材成本、裝配工時、打磨補焊工時等進行對比分析，得到如表1的數據。

圖6 螺柱式卡馬和普通卡馬拆除后母材表面質量對比

表1 普通卡馬和螺柱式卡馬的綜合成本對比

從表1可以看出，螺柱式卡馬相比普遍焊接卡馬，使用成本相當，但工效提高了約1倍。工效的提高節縮短了船舶建造船臺占用的總周期，從而節省了船臺費用。

6 結束語

螺柱焊應用于焊接卡馬，充分利用了其焊接時間短、焊接痕跡小、焊接強度高、操作簡便等優點，并顯著減少了卡馬的拆除和批補磨工作量，具有較好的推廣價值。結合船廠實際需求，開發輔助的工裝工具，將螺柱焊的應用進一步擴展，如船體裝配定位、船體結構加強、舾裝件安裝等，實現造船降本增效，是現階段具有研究價值的新課題。

[1]中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊(第3版)[M].北京：機械工業出版社.