全自動CO2氣體保護橫焊在船舶焊接的應用

王 博，王 鑫

1.渤海船舶職業學院，遼寧興城 125105；2.渤海造船廠集團有限公司，遼寧葫蘆島 125005

0 引言

隨著智能焊接及高效焊接技術的不斷發展，全自動焊替代半自動焊在船舶建造的合攏、大合攏中逐步得到推廣應用[1-2]。如平對接采用埋弧自動焊，立對接采用垂直氣墊焊，對于橫對接縫已經開始采用CO2自動橫焊。在中海40 000 t成品油船的建造中，使用CO2自動橫焊取代CO2半自動焊，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具有十分重要的意義。

雖然CO2自動橫焊具有生產效率高、勞動強度低、焊接質量好等優點，但該焊接在船舶建造中未得到廣泛應用，主要原因是：CO2自動橫焊設備引進較晚，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；焊接區域的障礙物較多，設備操作空間不足[3-4]。本文針對船舶焊接中CO2自動橫焊的焊接工藝進行研究，為此項焊接技術的推廣提供理論依據。

1 焊接設備及試驗材料

1.1 焊接設備

全自動CO2橫焊設備主要由焊接電源、自動送絲機、焊接小車及軌道、供氣系統及控制系統組成[5]。

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；且具有引弧成功率高、電弧穩定、飛濺少、焊縫成型美觀等優點。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。

焊接小車是實現自動焊接過程的驅動裝置。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。焊接小車的核心是行走機構和焊槍擺動調節機構。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，并且可以對收弧時間進行控制[6]。焊槍擺動調節機構采用GR-33搖擺器實現擺動的軌跡，左/中/右三點停留，并且可以根據停留時間進行調節。焊接小車每次使用完畢后需將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。

1.2 母材及焊接材料

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φ1.2 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、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TC-A2襯墊做反面強制成型。

2 焊接工藝

2.1 焊前準備

2.1.1 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。

2.1.2 焊接裝配

裝配2組試板，橫焊位下板坡口角度為15°，上板坡口角度為30°。1組試板間隙為6mm。2組試板間隙為10 mm。把襯墊緊密貼合在鋼板背面，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

2.2 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，行走小車裝上導軌時必須用手推開緊鎖齒輪離合才能裝入，行走小車裝上后齒輪離合會自動緊鎖，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，就完成自動焊接的狀態，電源接通就可以操作。導軌是靠磁鐵吸附在工件上的，一旦工件有銹層或磁鐵粘有金屬雜質清理不干凈，可能會產生導軌滑落，所以在使用前必須檢查清理金屬雜質才能避免導軌滑落。

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，根據實際坡口情況進行調整，調整好之后僅需注意觀察焊接熔池及焊縫成型即可。

焊縫坡口間隙在8 mm以下可直接用自動小車進行打底。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CO2自動橫焊，才能保證焊縫質量。

2.3 焊接工藝參數

采用直流反接，分別對1組和2組試板進行施焊，1組試板采用全自動焊接，2組試板采用半自動焊接打底，全自動焊接填充和蓋面。焊接工藝參數如表1所示。焊道分布如圖2所示。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。

表1 橫焊焊接工藝參數

圖2 焊道分布

3 試驗結果分析

3.1 焊縫外觀檢查

施焊完成后，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均符合標準。

3.2 力學性能檢測

對焊接試件取樣，進行力學性能檢測。依據GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法，進行拉伸試驗，試驗結果如表2所示。

表2 拉伸試驗結果

依據GB/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法，進行彎曲試驗，試驗結果如表3所示。

表3 彎曲試驗結果

依據GB/T2650-2008焊接接頭沖擊試驗方法，進行沖擊試驗，試驗結果如表4所示。

表4 沖擊試驗結果

依據GB/T4340.1金屬維氏硬度試驗，進行硬度試驗，結果試驗如表5所示。

表5 維氏硬度試驗結果

4 無損檢測

焊接完成24小時后，使用X射線探傷機進行拍片探傷，結果為Ⅰ級合格。

5 技術特點及經濟效益分析

CO2自動橫焊焊接過程連續，減少引熄弧造成的搭接頭，成型美觀，質量穩定可靠。減少焊縫表面的打磨及缺陷修補工作量。探傷合格率高。操作方便簡單，焊接過程易控制，大大降低焊工的勞動強度。

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35元/時、8時/天/人計算，一人用半自動焊可以焊5米/天，但用全自動橫焊可以焊15米/天，內外焊縫大約有400米，用半自動焊人工費用大約22 400元，完成時間需要80天，而用全自動橫焊只需約7 560元，完成時間大約27天，可以節約14 800元，施工周期也縮短了2/3。由此可見，全自動化CO2氣體保護橫焊能縮短作業周期、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，可以給船體分段建造、大合攏生產帶來巨大效益。

6 結論

1）全自動CO2氣體保護橫焊設備簡單，操作靈活，對焊工的操作技能要求較低。

2）全自動CO2氣體保護橫焊選用韓國現代的SF-71焊絲，使用CO2作為保護氣體，在指定的焊接工藝參數下，能夠得到成型美觀的橫焊焊縫。經無損檢驗和力學性能試驗，焊縫質量符合要求，焊接質量好。

3）全自動CO2氣體保護橫焊效率是CO2半自動焊的3倍以上，能減輕工人的勞動強度，降低成本，縮短建造周期。