自動化焊接小車在船舶焊接中的應用

王 博

（渤海船舶職業學院材料工程系，遼寧 葫蘆島 125105）

1 前言

隨著自動化高效焊接技術及船舶建造精度控制技術的不斷發展，全自動焊接替代半自動焊接在船舶的分段建造、分段合攏及大合攏中逐步得到推廣應用。在中海40 000 t 成品油船的建造中，板對接焊縫的焊接中使用全自動CO2氣體保護焊取代半自動CO2保護焊接。但全自動化焊接在船舶建造中未得到廣泛應用，主要原因是全自動化焊接設備引進較晚，操作者不熟悉設備，缺乏操作經驗；相關的焊接工藝未能完善；船舶分段制作精度較差，導致斷口誤差大，阻礙導軌的鋪設；焊接區域的障礙物較多，設備操作空間不足等。在船舶焊接中，全自動CO2氣體保護焊對提高焊接生產效率、減輕焊工的勞動強度和保證焊接質量方面具有十分重要的意義。本研究詳細介紹全自動CO2氣體保護焊焊接設備組成及焊接工藝，并分析了經濟效益及推廣方法，現總結如下。

2 全自動CO2 氣體保護焊焊接設備組成

全自動CO2氣體保護焊焊接設備由焊接電源、自動送絲機、焊接小車及軌道、控制系統及供氣系統組成。

2.1 焊接電源

采用唐山松下YD-500CL 晶閘管控制MIG/MAG 弧焊電源。該電源采用無控制電纜設計，能夠減少磨損及剮蹭，機動性更好。該電源具有引弧成功率高，電弧穩定，飛濺少，焊縫成型美觀等優點。

2.2 送絲機

采用與焊接電源配套的YW-50CA2HJ 送絲機，具有三規范調節功能，可適用于多種焊接方式頻繁切換的場合。

2.3 焊接小車及軌道

采用GR-1CW 型焊接小車，該設備具有體積小、重量輕，易于移動和安裝等優點。焊接小車是實現自動焊接過程的驅動裝置。行走機構由伺服電機和齒輪傳動機構組成,通過和軌道上的齒條嚙合來帶動焊接小車實現沿焊縫方向的運動和速度控制。焊槍擺動調節機構采用GR-33 搖擺器實現擺動的軌跡，可設置左/中/右三點停留，停留時間可調節。焊接小車每次使用完畢后要把粘在焊接小車上的焊接飛濺抹拭干凈，然后將齒輪、軸承加潤滑油。

軌道采用磁吸式導軌，可以根據工況條件選擇剛性軌道或柔性軌道。剛性軌道定位精度高、軌道安裝后變形較小，焊接小車行走平穩，焊接時焊槍徑向調整較小，但軌道重量較大、裝拆不方便。而柔性軌道裝拆方便、重量較輕，但精度沒有剛性軌道高。導軌安裝前要將安裝面的鐵銹層或金屬雜質清理干凈，避免因吸力不足導致導軌滑落。

2.4 控制系統

采用GR-28-H 控制系統控制焊接起弧/收弧時間，控制小車行走速度，以及搖擺器左/中/右三點停留時間，從而保證焊縫成型及質量。小車和控制盒是分體式的，控制盒上裝有數字化顯示屏和各個功能開關。

3 全自動CO2 氣體保護試板焊接試驗

試驗采用板對接橫焊位焊接試驗，要求試驗焊縫成形美觀，無表面缺陷，并對焊縫進行力學性能測試。

3.1 焊接材料

試驗母材為船用高強鋼AH36，板厚為15 mm。焊接材料選用韓國現代的SF-71 焊絲，直徑ф1.2 mm，SF-71 是鈦型全位置焊接藥芯焊絲，具有飛濺少，焊縫成型美觀，電弧穩定柔和，熔渣覆蓋均勻，脫渣性能好等特點。保護氣體采用CO2氣體，純度≥99.5%。采用上海泰昌焊接襯墊材料有限公司的TC-A2 襯墊做反面強制成型。

3.2 焊前清理

試板尺寸為800 mm×200 mm×15 mm，試板長度方向沿著鋼板的軋制方向。采用氧乙炔焰進行坡口加工，一組試板的坡口角度分別為15°和30°，鈍邊為0～2 mm。使用角向磨光機或砂紙將坡口及坡口兩側20～30 mm 的區域清理干凈，露出金屬光澤。

3.3 焊接裝配

裝配兩組試板，橫焊位下板坡口角度為15°，上板坡口角度為30°。試板間隙為6 mm。把襯墊貼在鋼板背面，貼合要緊密，不能出現縫隙，保證襯墊中心和焊縫坡口中心線重合。焊接試板裝配如圖1 所示。

圖1 焊接裝配圖

3.4 焊接工藝參數

采用全自動CO2氣體保護焊，直流反接進行施焊。焊道分布如圖2 所示。焊接工藝參數，見表1。完成一道焊縫后，要將飛濺物清理干凈。控制道間溫度≤250 ℃，防止過熱引起焊縫及熱影響區組織晶粒粗大和合金元素嚴重燒損。

圖2 焊道分布

表1 橫焊焊接工藝參數

3.5 焊接操作

在橫焊縫位置預先鋪設磁吸式導軌，導軌鋪距坡口中心大約150～200 mm 的距離，導軌接頭要貼緊且順直，兩端與焊縫距離必須相等。打開離合，將焊接小車安裝在導軌上，再裝上搖擺器和焊槍夾，然后將電源線插頭對插進控制盒，最后把連接焊槍的電源線接好。將焊槍水平固定在焊接小車上，打開電源控制盒電源開關，各功能的顯示屏會有數據顯示，檢查各功能刻度調節能否正常使用。特別是行走小車能否正常行走，焊接前先預調好各功能參數，啟動焊接后必須及時跟蹤各功能調整。

3.6 試驗結果分析

3.6.1 焊縫外觀檢查

施焊完成過后，焊縫表面波紋均勻，寬窄一致，高低平整，焊縫與母材圓滑過渡，無表面焊接缺陷。經測量焊縫的余高和寬度符合標準。

3.6.2 力學性能檢測

對焊接試件取樣，進行力學性能檢測。依據GB/T 2651—2008 焊接接頭拉伸試驗方法，進行拉伸試驗，試驗結果見表2。依據GB/T 2653—2008 焊接接頭彎曲試驗方法，進行彎曲試驗，試驗結果見表3。依據GB/T 2650—2008 焊接接頭沖擊試驗方法，進行沖擊試驗，試驗結果見表4。依據GB/T 4340.1 金屬維氏硬度試驗，進行硬度試驗，結果試驗見表5。

表2 拉伸試驗結果

表3 彎曲試驗結果

表4 沖擊試驗結

表5 維氏硬度試驗結果

3.6.3 無損檢測

焊接完成24 h 后，使用X 射線探傷機進行拍片探傷，結果為Ⅰ級合格。

4 全自動CO2 氣體保護焊焊接工藝措施

通過在中海40 000 t 成品油船的建造中的實際應用，全自動CO2氣體保護焊在應用過程中要注意的工藝措施如下：

（1）通過減小坡口角度，降低焊接線能量的輸入，有利于減小焊接變形。

（2）焊接過程保持連續，減少引熄弧造成的搭接頭，減少焊縫表面的打磨及缺陷修補工作量，可以提高焊縫探傷合格率。

（3）焊接過程飛濺很容易堵塞噴嘴,造成氮氣入侵,可以采用P-3 型噴嘴防堵劑以提高生產效率。

（4）電流過大時容易造成襯墊脫落，影響焊接質量。可以加裝襯墊緊固裝置，增加襯墊貼合力，防止襯墊脫落。

（5）多道焊時注意控制道間溫度≤250 ℃，避免焊縫及熱影響區組織晶粒粗大而導致力學性能下降。

（6）預先設定焊接工藝參數,并在焊接過程中根據實際情況隨時調整。

（7）如果焊縫坡口間隙在8 mm 以下可直接用全自動CO2氣體保護焊進行打底，且背面成型均勻，美觀，熔合較好。如果大于8 mm 的間隙，必要時要使用半自動焊打底，然后使用全自動CO2氣體保護焊，才能保證焊縫質量。

5 全自動CO2 氣體保護焊應用經濟效益分析

據統計，船體大合攏中，焊接工時一般約占船體建造工時的20%～30%，焊接成本約占船體建造成本的20%～30%，因此合理選用各種高效焊接技術在船體建造中至關重要。

購置自動化設備一次投入較大，但相應的對焊工技能要求降低，焊工只要操作幾次就可以掌握要點，培訓投入少。在設備大規模應用之后經濟效益就顯現出來了。以船體大合攏旁板橫對接焊縫為例，人工費用按每小時35 元、每人每天8 h 計算，一人用半自動焊可以焊5 m/d，但用全自動橫焊可以焊15 m/d，內外焊縫大約有400 m，用半自動焊人工費用大約22 400 元，完成時間需要80 d，而用全自動橫焊只需約7 560 元，完成時間大約27 d，可以節約14 800 元，施工周期也縮短了2/3。由此可見，全自動CO2氣體保護焊能縮短作業周期、減少焊接成本、降低焊工勞動強度、降低對焊工操作技能的要求，可以給船體建造帶來巨大效益。

在實際生產過程中，工況條件好的情況下，例如甲板面拼接時，可以實現一人同時操作兩臺設備，生產效率和經濟效益還會大大提高。

6 全自動CO2 氣體保護焊技術應用推廣方法

6.1 開展操作技術研究

研究設備說明書并向設備廠商專業技術人員請教，通過試驗摸索出適合生產的設備使用特點與操作方法，通過參與制定焊接工藝，總結焊接工藝參數設定、操作技巧等。

6.2 改善作業條件

加強6S 管理，提高生產精度管理，提升船舶分段制作精度；改善船塢生產條件，進行分段預組合、模擬搭載等工藝方法，使大合攏斷口的線型修整提早進行；完善裝配工藝要求，采用自動化修割坡口，嚴格控制坡口間隙和質量。

6.3 逐步推廣

通過操作技能培訓，重點培養技術骨干，通過技術骨干以點帶面，互相學習，使得熟悉該套設備、技術、工藝參數的焊工越來越多，經驗越來越豐富。在實際生產應用方面，采用先易后難，先少后多，逐步推廣的策略。在工程實踐中逐步展現該焊接技術的優勢，為更廣方面的應用打下基礎。

7 結論

（1）通過板對接橫焊試驗可知，全自動CO2氣體保護焊焊縫成形美觀，無表面焊接缺陷，并且具有較好的力學性能。

（2）全自動CO2氣體保護焊焊縫成形美觀、焊接質量好，效率是半自動CO2氣體保護焊的3 倍以上，還能減輕工人的勞動強度，降低成本，縮短建造周期。

（3）全自動CO2氣體保護焊在船舶建造領域具有良好的應用前景，但是由于操作技術、作業條件等原因，目前還未得到廣泛應用。還需要行業共同努力，積極推廣好的焊接技術。