機械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝開發(fā)

袁中龍，張京華，熊慶和，宋光濤，劉業(yè)廷

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在半潛式平臺船體建造過程中，一般會在鋼材加工前進行表面噴丸除銹，并涂上一層車間底漆，通過這樣的預處理來提高鋼材的抗腐蝕能力。噴涂的普通車間底漆如不被徹底清除，會導致焊接過程中產(chǎn)生大量的氣孔，大幅降低焊縫合格率，從而嚴重影響焊接質(zhì)量[1，2]。為了免除打磨車間底漆的工作量并保證焊接質(zhì)量，近年來國內(nèi)外各車間底漆廠家開發(fā)了可焊接車間底漆。我公司承建的半潛式平臺項目中，就選用了該類型車間底漆。

另外，由于半潛船體中存在大量的球扁鋼與壁板的長直角焊縫，所以這為采用機械化焊接方式提供了很好的應用場景。在長直焊道焊接的情況下，相比手工藥芯氣體保護焊工藝，機械藥芯小車焊接工藝主要的優(yōu)點有：①由機械藥芯小車夾持焊槍進行焊接，以替代人工握持焊槍操作，在大幅降低工人勞動強度的同時，也大幅降低了對焊工技能水平的要求。②現(xiàn)場施工時，一名焊接操作工可以同時跟蹤多臺焊接小車，這樣既提高了施工效率，又極大地緩解了焊接人員短缺的問題。③機械藥芯小車焊接時，焊接過程穩(wěn)定可靠，焊接質(zhì)量高，焊接缺陷少，避免了手工焊接時人為因素導致的焊接質(zhì)量問題。④機械藥芯小車可以長時間連續(xù)焊接，焊接效率較之手工焊效率得到很大提升。因此，進行機械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝開發(fā)，對于項目的高效施工具有極其重要的意義。

2 試驗材料

工藝開發(fā)試驗用母材采用湖南華菱鋼鐵集團有限責任公司生產(chǎn)的ABS EH36鋼板，供貨態(tài)為TMCP。由于該供貨態(tài)鋼板是在降低碳含量和合金元素含量的前提下，主要通過控軋與控冷來獲得主要的性能，因此其具有優(yōu)良的焊接性。其主要化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 試驗用ABS EH36鋼板主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 試驗用ABS EH36鋼板力學性能

藥芯焊絲選用天泰焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ，其主要化學成分見表3，力學性能見表4。

表3 焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ主要化學成分 （質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ力學性能

選用JOTUN MUKI Z 2008無機鋅車間底漆，從廠家提供的焊接性報告可看出，該底漆適用于焊接，其噴涂于試件母材的平均漆膜厚度不超過30μm。

3 試驗設備

藥芯氣體保護焊設備采用松下數(shù)字逆變YD-500ER2通用CO2/MAG焊機（見圖1a），其輸出電流為60～550A，輸出電弧電壓為17～41.5V，外殼防護等級為IP21S，對于碳素鋼藥芯焊絲適用焊絲直徑為1.2mm與1.4mm。送絲控制系統(tǒng)采用IVF技術(shù)，能夠保證強勁的送絲力，確保送絲穩(wěn)定，適應大距離延長電纜作業(yè)。焊接參數(shù)調(diào)節(jié)簡單，操作容易。

機械藥芯小車采用中船重工鵬力（南京）智能裝備系統(tǒng)有限公司的多導向形式焊接小車（見圖1b），能夠?qū)崿F(xiàn)行走速度15～880mm/min，且具有直線擺動功能，配合固定軌道進行焊接。焊接小車可進行行走方向、擺動幅度、擺動模式、擺動速度、擺動中心位置和左右停留時間等各種擺動參數(shù)的調(diào)節(jié)。

圖1 焊接設備

4 焊接工藝開發(fā)

（1）試板準備 試板厚度為25mm，進行對接坡口焊與角焊縫的焊接試驗，具體的試板尺寸如圖2所示。對接坡口焊采用2G位置，角焊縫選取2F位置。

圖2 試板尺寸

（2）漆膜厚度控制 由于鋼材坡口均噴涂了車間底漆，所以焊接時產(chǎn)生的煙塵量較不噴涂底漆焊接時明顯增多，這可導致出現(xiàn)氣孔的概率增加，而局部車間底漆漆膜過厚會加劇這種情況。經(jīng)過多次試驗，將漆膜厚度控制在30μm以內(nèi)，可以避免焊接接頭中氣孔的產(chǎn)生。

（3）焊接小車導軌鋪設 在機械化焊接中，導軌鋪設的狀況會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。鋪設的導軌要與坡口面一側(cè)的距離相同，且固定牢靠。在開始焊接前要進行焊接小車空跑，以檢驗導軌的鋪設狀況。

（4）預熱溫度與層間溫度 通過母材的材質(zhì)證書計算其碳當量為0.34%，說明其具有優(yōu)良的焊接性，因此選取預熱溫度為20℃。為了滿足EH36材料－40℃的低溫沖擊性能要求，限制最大層間溫度為250℃。

（5）焊接參數(shù) 為了保證焊接接頭滿足－40℃低溫沖擊性能要求以及防止產(chǎn)生淬硬組織，除控制預熱與最大層間溫度外，還需要對焊接熱輸入進行限制。過大的熱輸入會導致焊接接頭晶粒粗大、組織粗化，使焊縫與熱影響區(qū)韌性降低；過小的熱輸入會使焊接接頭冷卻速度過快，容易產(chǎn)生淬硬組織，造成接頭硬度超標且容易開裂。最終選取的焊接參數(shù)見表5。

表5 最終選取的焊接參數(shù)

（6）其他注意事項 對于采用可焊接車間底漆且膜厚滿足要求的坡口，可不去除車間底漆進行焊接，但需要在焊前清除水分、鐵銹、油污等污染物。焊工在帶底漆焊接過程中應更加注意焊接操作，如發(fā)現(xiàn)明顯異常，如電弧不穩(wěn)、氣孔傾向增大等情況時，應及時停止焊接。

5 檢測結(jié)果及分析

試件焊接完成48h后進行無損檢測，且在檢測合格后進行力學性能試驗。

（1）無損檢測 對接試件進行外觀觀察、磁粉及超聲波檢測，角焊縫試件進行外觀觀察與磁粉檢測，結(jié)果均滿足AWS D1.1標準要求。

無損檢測結(jié)果證明，機械藥芯小車帶車間底漆焊接并沒有使焊縫內(nèi)部的氣孔超出標準要求，也沒有產(chǎn)生其余的不可接受的缺陷。

（2）力學性能試驗 主要包含減截面拉伸試驗、彎曲試驗、夏比沖擊試驗、宏觀金相和硬度試驗。對接試件需要進行以上全部性能測試，角焊縫試件僅進行宏觀金相試驗與硬度試驗。試驗需要根據(jù)ASTM A370—2017《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》要求進行，對接試件拉伸、彎曲、沖擊試驗結(jié)果見表6，對接與角焊縫試件宏觀金相如圖3所示，對接試件與角焊縫試件的硬度見表7。

表6 對接試件拉伸、彎曲、沖擊試驗結(jié)果

圖3 對接與角焊縫試件宏觀金相

表7 對接試件與角焊縫試件的硬度 （HV10）

從以上試驗結(jié)果可知，焊接接頭的抗拉強度值大于標準要求的490MPa，側(cè)彎試樣180°彎曲后無缺陷，－40℃下焊縫與熱影響區(qū)位置的沖擊吸收能量均滿足單值＞34J、平均值＞47J的要求。其中由于母材為TMCP供貨態(tài)鋼板，其通過控軋獲得細小晶粒而具有良好的韌性，而在焊接時，受多次焊接熱循環(huán)的影響，其熔合線的晶粒在焊接連續(xù)加熱與冷卻過程中粗化，形成脆性組織，從而導致焊接接頭的熔合線韌性較之熱影響區(qū)其他區(qū)域顯著降低。圖3的宏觀金相無氣孔、未熔合等缺陷，硬度檢測結(jié)果均低于325HV10。力學性能試驗結(jié)果表明，機械藥芯小車帶車間底漆的焊接接頭各項指標均滿足項目要求，車間底漆并沒有對焊接接頭的力學性能造成不利影響。且從焊縫的沖擊試驗結(jié)果可知，由于采用機械化焊接方式，減少了人為操作因素的影響，所以焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性得到了提升。

6 結(jié)束語

通過將車間底漆的漆膜厚度限制在30μm以內(nèi)，并且嚴格控制最低預熱溫度20℃，最大層間溫度250℃，選取中等的熱輸入，控制機械藥芯小車導軌的鋪設精度，確保了焊接接頭的無損與理化性能，避免了氣孔、未熔合等缺陷的出現(xiàn)以及焊接接頭的性能不合格。機械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝的開發(fā)，在免除車間底漆打磨去除工作的同時，采用機械藥芯小車代替手工焊接，大幅降低了焊前打磨工作量，也降低了對焊工的技能水平要求，提升了焊接施工效率并降低了成本。