基于船舶焊接工藝優化設計的探討分析

周斌強，任月平，王銀炯

(1.舟山普陀長宏船舶修造有限公司，浙江 舟山 316100；2.尚海海洋科技(浙江自貿區)有限公司,浙江 舟山 316000；3.寧波市鄞州盛飛專利代理事務所(特殊普通合伙)舟山分所，浙江 舟山 316100)

在當下的船舶修造中，焊接是其中的關鍵技術，而且，焊接的總工時和成本各占船體建造的總工時和成本的30%～40%，焊接的質量更是反映船體修造質量優劣的重要指標。傳統焊接工藝存在著焊接效率低、焊接易變形且不能得到很好的控制等問題[1-3]。因此，研究開發機械化、自動化的高效焊接技術，不僅使企業提高船舶修造質量、提高生產效率、降低建造成本、縮短周期，而且也是實現船舶現代化技術進步新的增長點。

1 船舶焊接工藝的要求分析

針對傳統焊接工藝的焊接效率低、焊接易變形且不能得到很好的控制等問題。并參考其他船舶焊接工藝的設計，探析出一種船舶建造中的高效焊接工藝[4-6],具體要求如下。

1)技術方面。盡可能基于已有焊接工藝和研究成果來確保本方案的可行性和可靠性。

2)操作方面。充分考慮工作場環境的復雜程度，并結合人機操作的感受，將個人體驗與實時檢測相結合，實現人機操作最優化。

3)經濟方面。確定合理方案及分配裝置相關可靠性能指標，通過人性化設計，來保障結構的安全性。

2 船舶焊接工藝的原理分析

依據現在船舶焊接的各種技術參數要求[7-9]，設計出一種船舶建造中的高效焊接工藝，以實現建立高效、節能、環保的現代船舶高效焊接技術的目標，焊接流程方案示意圖如圖1所示。

圖1 焊接流程方案示意圖

圖1中，選擇需焊接位置，先采用刨邊機和碳弧氣刨來制備坡口，其中碳弧氣刨壓縮空氣的工作壓力不得高于0.8 MPa。制備好坡口后，在焊接前，要仔細檢查坡口的尺寸以及所需要裝配的質量是否符合船舶焊接等級的有關要求。如果坡口尺寸及裝配質量不合格，則重新利用刨邊機和碳弧氣刨來制備坡口。如果坡口尺寸及裝配質量合格，則需要對制備好的坡口進行有效的清理，在坡口內部以及坡口邊緣兩側各35 mm內的正反面與端面除去掛渣及碳刨殘留的積碳、水漬、油污、鐵銹。如果未清理好上述雜質，則再次進行清理，清理合格后，接下來進行焊接工作，在拼板區則采用雙絲熔化極活性氣體保護電弧焊(MAG)焊接技術。在小組裝區則是在CO2氣體保護作用下，采用自動角焊或半自動角焊來焊接小構件和T型構件，在船體縱骨制造處則采用裝焊一體化的縱骨安裝焊接技術。最后采用大合龍工藝，在甲板和雙層底的內底板對接縫，采用CO2陶質襯墊焊打底，埋弧自動焊蓋面，在船體首部和尾部等線型變化較大部位，采用CO2氣體保護焊進行焊接；在密閉和狹小空間采用手工電弧焊焊接方法；大合龍縫的焊接應先焊總段或分段之間的殼板對接縫，再焊其結構間的對接焊縫，然后焊其結構與殼板的角焊縫；先焊立角焊，后焊平角焊；手工焊時，對較長的焊縫應采用分中對稱分段退焊法；大合龍焊縫裝配報檢合格后，須在20 h內進行焊接。

3 船舶焊接工藝的試驗分析

測試船舶在焊接的過程中，參照焊機操作數據判斷焊接過程以及焊接的結果是否效率高、質量好。測量并記錄焊接電流、實時電流、焊接速度和氣體流量等數據。圖2為焊接電流與實時電流的變化曲線圖，圖3為實時電流與氣體流量的關系，圖4為焊接電流與氣體流量的關系，圖5為焊接速度和氣體流量的關系。

圖2 焊接電流與實時電流的變化曲線

由圖2知，船舶在焊接過程中，選擇鎢極直徑2～4 mm時，記錄測量的焊接電流和實時電流數據。考慮到焊機的使用年限、顯示數值與實際數值存在誤差、焊條直徑的大小、焊縫在空間的位置以及其他媒介的影響，在誤差允許范圍內，整個船舶焊接過程正常。通常在保證焊接質量的前提下，盡可能采用大電流，借以提高生產效率。

圖3 實時電流與氣體流量的關系

由圖3知，在焊接過程中，板厚1～3 mm時，記錄測量的實時電流和氣體流量的數據，通常根據實時電流的大小、焊接位置以及焊接所處的環境等因素，來選擇保護氣流量的大小。在實時電流處于85～180 A之間時，氣體流量在5～10 L/min范圍內，焊接過程正常。

圖4 焊接電流與氣體流量的關系

由圖4知，在焊接過程中，瓦嘴徑4～7 mm時，記錄焊接電流和氣體流量的數據。根據焊接的應用理論及安全生產，在焊接電流85～180 A的工作范圍時，氣體流量均應在5～10 L/min區間，所以焊接過程正常。

圖5 焊接速度和氣體流量的關系

由圖5知，在焊接過程中，焊接電流85～180 A的工作范圍內，焊接速度越快,氣體流量越大,測量記錄的氣體流量數據均在5～10 L/min范圍內，焊接過程正常。

4 結束語

本文從焊接工藝所要求的質量出發，對焊接工藝的設計方案、焊接流程進行了論證，并分析檢測數據，發現焊接試驗結果均在參數范圍內，得出本套焊接工藝不僅焊接效率高，而且可以很好地控制焊接變形，大大縮減了焊接成本。本文在考慮如何減少檢測時間，改善設備的智能化方面仍需要進一步完善。