自動(dòng)橫向埋弧焊的探索和研究

■ 許立新，張翼飛，王錢(qián)浦，朱慶

1. 概述

中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展遇到了一個(gè)好的時(shí)代，中國(guó)造船也同樣遇到了一個(gè)嶄新的時(shí)代。目前，科技高速發(fā)展，制造業(yè)智能化、自動(dòng)化發(fā)展迅速，而反觀造船過(guò)程，目前還是大量采用手工焊和CO2半自動(dòng)焊進(jìn)行船體焊接，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足中國(guó)造船的發(fā)展趨勢(shì)。以勞動(dòng)密集型和資金密集型的方式進(jìn)行生產(chǎn)的船體，根本不能滿足時(shí)代發(fā)展的需求。而船體大量橫向焊縫的焊接，依靠CO2半自動(dòng)手工焊，已經(jīng)適應(yīng)不了船舶建造的要求。因此，我們進(jìn)行自動(dòng)橫向埋弧焊的工藝探索和研究，將其應(yīng)用于船體焊接，從而以高效、自動(dòng)的焊接方法和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量滿足生產(chǎn)和時(shí)代發(fā)展的需求。

2. 自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī)的現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī)是一種自動(dòng)化的焊接設(shè)備，是由CO2自動(dòng)全位置焊接小車(chē)演變而來(lái)，具有埋弧焊不怕風(fēng)、無(wú)弧光、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，電弧穩(wěn)定，整條焊縫的焊接一氣呵成，沒(méi)有手工焊的大量接頭，成形美觀，填充金屬熔敷率高，能夠確保焊接參數(shù)的準(zhǔn)確率，保證產(chǎn)品質(zhì)量及客戶要求的實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)橫向埋弧焊設(shè)備可以拆卸，設(shè)備輕便、靈活，操作人員只需經(jīng)過(guò)短期的培訓(xùn)，有埋弧焊操作證就能操作焊機(jī)進(jìn)行焊接，持證上崗就能滿足船級(jí)社要求，在船體建造中能夠得到廣泛的應(yīng)用。

（1）第一代自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī) 是一種大型的自動(dòng)化專機(jī)，在石油儲(chǔ)罐、反應(yīng)鍋爐、壓力容器的制造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，使用范圍廣（見(jiàn)圖1）?？捎糜?0~40mm（單側(cè)坡口）不同等級(jí)和使用要求的各類材料（能適應(yīng)埋弧焊工藝的各類材料）。對(duì)氣候和環(huán)境要求低，適應(yīng)野外作業(yè)，抗風(fēng)能力強(qiáng)（CO2焊接風(fēng)速要求＜2m/s）。與CO2焊接工藝相比，焊接效率高。一名焊工采用CO2焊完成板厚20mm，長(zhǎng)度為12m的橫對(duì)接焊縫的時(shí)間大約為6h，采用自動(dòng)橫向埋弧焊的時(shí)間約為4h，同時(shí)降低了對(duì)焊縫間隙的要求（間隙0~3mm）。由于是機(jī)械操作，大大降低了人為因素對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，所以焊接內(nèi)外質(zhì)量都明顯提高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境。但設(shè)備尺寸比較大（由設(shè)備操作架、送絲機(jī)構(gòu)和焊劑托帶組成），調(diào)運(yùn)和行走都不太適合在船上運(yùn)用。

（2）第二代埋弧焊機(jī) 國(guó)內(nèi)有一些橫向埋弧焊機(jī)的生產(chǎn)廠家，它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)整體較重，并且在軌道上行走，硬質(zhì)軌道與軌道銜接處很難做到平滑過(guò)渡，船體外板帶有一定的弧度則無(wú)法進(jìn)行焊接，另外鋪設(shè)軌道的時(shí)間較長(zhǎng)，在軌道接頭處容易造成焊接缺陷。第二代橫向埋弧焊機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用如圖2所示。焊縫成形情況如圖3所示。

（3）第三代自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī) 該焊機(jī)是在全位置焊接小車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，有軟硬兩種軌道的配置，軌道只起到導(dǎo)向的作用，車(chē)體吸附在船體鋼板上，克服了因船體線形變化而引起的焊縫線形的變化，可廣泛應(yīng)用于各種船體的橫向焊縫（見(jiàn)圖4）。焊縫成形情況如圖5所示。

圖1 第一代埋弧焊機(jī)

圖2 第二代橫向埋弧焊機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用

圖3 焊縫成形情況

第三代自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)器的安裝輕巧方便，可以靈活拆裝，由一輛全位置焊接小車(chē)加上焊劑料斗部件、焊劑回收裝置組成。拆除焊劑回收裝置，CO2焊和埋弧焊可以相互轉(zhuǎn)換。如果間隙過(guò)大，可以擺動(dòng)CO2實(shí)芯焊絲打底，埋弧焊填充蓋面。②采用鋰電池供電，沒(méi)有電源線，可以排除電源線對(duì)焊接區(qū)域的限制。同時(shí)排除了使用電源線產(chǎn)生的高電壓在安全上的影響。③配置實(shí)時(shí)數(shù)字顯示面板，實(shí)時(shí)控制電弧電壓、焊接電流等焊接參數(shù)。④整車(chē)設(shè)置磁鐵及磁吸附離合手柄，安裝、調(diào)整位置及時(shí)到位。

3. 應(yīng)用難點(diǎn)與改進(jìn)方法

通過(guò)以上三種自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī)的比較，我們通過(guò)不斷的創(chuàng)新改進(jìn)并實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)全位置焊接小車(chē)+送收藥粉回收裝置為最理想的方案之一，為在自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī)船體建造中的成功應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 第三代橫向埋弧焊機(jī)基本結(jié)構(gòu)

圖5 焊縫成形情況

（1）送收藥粉裝置的改進(jìn) 第一步，送收藥粉裝置是一個(gè)與全位置焊接小車(chē)同步的裝置，因此是一個(gè)同步控制器控制的一個(gè)整體，由焊接小車(chē)控制行走速度，橡膠托粉帶與船體之間通過(guò)橡膠的彈性進(jìn)行貼合，當(dāng)船體有一定線形時(shí)，可以通過(guò)橡膠的彈性，保證與船體之間緊密貼合，減少漏藥粉的情況產(chǎn)生。

（2）數(shù)字顯示面板的安裝 自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī)，安裝數(shù)字顯示面板，能夠及時(shí)的反應(yīng)實(shí)時(shí)的焊接電流、電弧電壓，使埋弧焊能夠滿足焊接參數(shù)的要求，確保焊接質(zhì)量

（3）改進(jìn)成應(yīng)用靈活的焊接方式 船體建造過(guò)程中，橫對(duì)接線形比較復(fù)雜，當(dāng)板縫間隙＞3mm時(shí)，可關(guān)閉藥粉回收裝置，打開(kāi)CO2氣體裝置，利用φ1.6mm實(shí)芯焊絲打底，確保背面成形良好，然后打開(kāi)藥粉回收裝置，關(guān)閉CO2氣體，接入壓縮空氣，進(jìn)行埋弧焊進(jìn)行填充及蓋面。當(dāng)板厚較大時(shí)，可利用雙絲雙電單熔池的方式，進(jìn)行填充和蓋面，可大大提高焊接效率。

（4）更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的需要 自動(dòng)橫向埋弧焊機(jī)，利用平特性氣體保護(hù)焊電源實(shí)現(xiàn)埋弧焊作業(yè)，無(wú)需添置專用的埋弧焊接電源，采用船舶制造廠家大量使用的CO2氣體保護(hù)焊機(jī)和送絲機(jī)構(gòu)作為焊接電源，選擇使用φ1.4mm和φ1.6mm的實(shí)芯埋弧細(xì)焊絲實(shí)現(xiàn)單絲、雙絲擺動(dòng)或不擺動(dòng)焊接作業(yè)，優(yōu)質(zhì)高效、最大化發(fā)揮焊接設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

4. 焊接工藝試驗(yàn)及結(jié)果

通過(guò)大量的試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)操作，采用GWL—W14H焊絲在橫向位置進(jìn)行成形焊接，成形層只需要一層，使用φ1.6mm實(shí)芯焊絲，焊接時(shí)使用GXL—122焊劑進(jìn)行保護(hù)，焊接參數(shù)如表1所示。對(duì)焊接試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。同時(shí)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)位置分布如圖6所示，硬度結(jié)果如表3所示。

表1 埋弧焊接參數(shù)

表2 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

圖6 硬度取樣分布

表3 硬度分布數(shù)據(jù) （HV10）

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)橫向埋弧焊機(jī)的不斷改進(jìn)，使其使用范圍得到更大的擴(kuò)展，不僅僅局限于平直區(qū)域，帶有較大線形的區(qū)域也可以使用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，橫向埋弧焊機(jī)可以提高焊接自動(dòng)化率，降低CO2半自動(dòng)焊過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷，提高焊接質(zhì)量，減少返工作業(yè)，從而提高效率。