FAB法大間隙焊接工藝研究與應用

趙立蘇，李超，喻軍，蔡莼

上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 序言

焊接技術是船舶工業的關鍵技術之一[1]，各大船企也在不斷大力推進高效焊接技術的應用普及性。據統計，單船的焊接工作量占船體建造總工作量的30%～40%[2]，其成本占船體建造總成本的30%～50%[1，3]。因此，提高焊接效率與質量，對于節省焊接時間和降低成本都具有重要意義。如何利用現有的焊接設備，通過工藝創新，減少人工焊接作業量，從而提高焊接效率、節約造船成本，一直是我公司重點研究的課題。

FAB（Flux Asbestos Backing）法工藝焊接生產效率大大高于傳統埋弧焊，具有焊接質量穩定的優點，這種工藝方法省去了傳統埋弧焊需要翻轉工件進行反面碳弧氣刨和焊接[4]的步驟，減輕了操作人員的勞動強度，可以縮短分段制造周期，有效提高焊接質量和生產效率。

FAB法在現場生產過程中受到坡口切割和拼板精度的影響，由于沒有標準的焊接工藝指導，所以如果出現焊縫間隙過大，就會給焊接操作帶來很大的難度，造成焊接質量和焊接效率不穩定，同時也制約了FAB法焊接工藝的使用推廣。

經過多次焊接調試，對多種板厚FAB法大間隙焊接工藝進行研究[5]，通過對工藝創新、焊接參數優化，使該焊接工藝在生產現場應用時適應性更強，從而可以縮短分段制造周期，有效提高焊接生產效率和焊接質量。

2 FAB法大間隙焊接工藝研究

2.1 FAB法大間隙工藝研究目的

針對FAB法大間隙工藝進行研究，主要是為了充分利用FAB法高效焊接優勢，增強該焊接工藝在生產現場應用時的適應性，從而提高焊接質量和生產效率。

FAB法是將一種帶有柔性玻璃纖維所制的陶瓷襯墊[6]，粘貼在焊件的背面，在焊縫坡口內填加一定量的鐵粉，作為填充金屬的一部分，利用埋弧焊的原理，從正面進行焊接，實現單面焊雙面成形的效果。FAB法焊接原理如圖1所示。

圖1 FAB法焊接原理

2.2 FAB法埋弧焊設備選用

焊接設備選用要求主要包括以下幾點：

1）合適的電源外特性。

2）保證電弧穩定燃燒。

3）能提供足夠大的電弧功率。

4）遠距離調節電流裝置。

本試驗選用暫載率100%的DZ5-1600E型直流埋弧焊機作為焊接設備。

2.3 母材及焊接材料選擇

根據生產需求，焊接工藝試驗選取12m m、14mm、16mm、18mm厚度的AH36鋼板。以板厚16mm的AH36材質鋼板作為代表，該材質鋼板屈服強度為403MPa，抗拉強度為529MPa，平均沖擊吸收能量為246J（0℃），化學成分見表1。

表1 母材化學成分（質量分數） （%）

根據國際通用碳當量公式，計算可得上述AH36鋼板的Ceq約為0.3804%（在0.250%～0.400%之間），因此該鋼板的焊接性能良好。

FAB法埋弧焊選用的焊接材料取得DNV、GL、LR、CCS及ABS等船級社認證。本次試驗的焊接材料：焊絲牌號H-14、φ4.8mm；焊劑牌號S-705HF；坡口填充鐵粉牌號I R N；F A B法專用襯墊牌號CBM-G22。

2.4 焊接試驗

（1）焊前試驗準備 結合生產需求，對4種板厚進行工藝試驗，試板尺寸為1000mm×200mm，坡口形式為V形，坡口角度45°，根部間隙0～4mm，如圖2所示。焊前將焊接坡口正面、反面及坡口兩側各寬20mm范圍內的鐵銹、氧化物、水分及油污等清除干凈。

圖2 坡口示意

（2）引弧板、引出板安裝要求 焊件裝配時板材必須放平整，裝配間隙最大不能超過4mm。同時在焊縫兩端安裝引弧板、引出板，其尺寸為200mm×200mm；引弧板、引出板要開槽，無需開坡口，厚度與焊件相同，如圖3所示。在裝配定位時，定位焊高度不應超過4mm，不允許有氣孔、夾渣、裂紋及焊穿等缺陷。

（3）試件上標注焊接信息 焊前需要對坡口間隙大小進行測量，根據坡口間隙大小在試件上標注焊接信息（見圖4），此環節至關重要，因為鐵粉鋪設過后蓋住坡口間隙，操作人員無法通過識別坡口間隙大小來及時調整焊接參數等。在焊接過程中操作人員需要根據試件上標注的焊接信息，來及時調整焊接參數等。

（4）襯墊粘貼及鐵粉鋪設要求 焊接信息標注完成之后要進行襯墊的粘貼及鐵粉的鋪設，在安裝襯墊時，需要特別注意用橡皮榔頭敲擊襯墊，使之與焊件的背面緊密粘合，并且襯墊與襯墊的銜接處應相互推進敲擊至無間隙，防止在焊接過程中出現焊穿等現象。鐵粉應均勻地平鋪在焊接試件的坡口內，鐵粉的鋪設厚度要求見表2。

表2 藥粉鋪設厚度要求 （mm）

（5）焊接試驗參數研究 由于FAB法埋弧焊需要達到單面焊雙面成形的效果，所以焊接參數比傳統埋弧焊的大。若焊接參數、極性匹配不合理或參數不準確，則都會直接影響焊縫成形和焊接質量。為獲得良好的焊縫成形和焊接質量，必須選擇合理的焊接參數進行施焊。通過對多種板厚、多次焊接試驗數據進行總結，掌握了多個板厚FAB法大間隙的焊接方法，具體焊接參數見表3。

（6）焊接試驗過程 焊前將焊絲調整到距離試件30～40mm高度，焊絲前端處于焊縫中心位置，焊接時要求焊接操作人員根據試件上的焊接信息及時調整焊接參數，以保證焊縫的焊接質量，如圖5所示。

圖5 焊接試驗過程

2.5 FAB法大間隙試驗主要性能和技術指標

（1）外觀和無損檢測 試板焊接結束后，驗船師外觀檢查合格后，對焊接接頭進行無損檢測，包括磁粉檢測、射線檢測，檢測全部合格后再進行理化試驗檢測。

（2）力學性能試驗結果與分析 試樣橫向拉伸試驗和側向彎曲試驗均滿足船級社規范要求，試驗結果見表4。

表4 橫向拉伸試驗與彎曲試驗結果

試樣沖擊試驗在20℃條件下進行，結果均滿足船級社規范要求，試驗結果見表5。

表5 不同板厚在20℃條件下沖擊試驗結果 （J）

（3）宏觀金相結果 4種不同板厚的焊縫斷面宏觀檢查顯示，未發現裂紋和其他缺陷，試樣截面宏觀照片如圖6所示。

圖6 焊接接頭宏觀照片

F A B法大間隙試驗焊縫性能主要數據包括彎曲、拉伸、沖擊、硬度等試驗，所有試驗結果均滿足船級社規范要求。

2.6 FAB法埋弧焊工藝生產現場實施效果

經過工藝優化后的FAB法埋弧焊，在生產現場16mm板厚拼板焊接，坡口間隙0～4mm，正面焊縫成形均勻美觀，焊縫余高2mm左右，焊縫表面無需打磨處理。焊縫反面成形整體均勻光順，余高2～3mm，反面成形整體上不需要打磨處理，如圖7所示。焊接后經過DNT無損檢測，除焊縫終端收弧處裂紋需返修，其余焊縫全部合格，有效地提高了焊接質量和生產效率。

圖7 生產現場焊接

該研究成功克服了FAB法大間隙焊接質量不穩定的問題，此工藝方法減少了傳統埋弧焊需要翻轉工件進行反面碳弧氣刨和焊接，減輕了操作人員的勞動強度，可以縮短分段制造周期，有效地提高了生產效率和焊接質量。

通過采用該工藝進行焊接生產，整體上焊接生產效率提升非常明顯，按照板厚16mm、20m長焊縫為例，不同焊接工藝的焊接效率如下。

1）采用常規埋弧焊工藝焊接，正反面焊接各需要1道完成，焊接速度約400mm/min。反面碳弧氣刨、打磨時間約300mm/min，每條焊縫實動工時約167min（人員配合分段翻身成本、時間等沒有計算）。

2）采用CO2氣體保護焊工藝焊接，需要打底、填充、蓋面共4道完成，焊接速度為200～300mm/min，每條焊縫實動工時約300min。

3）采用FAB法工藝焊接，片段不需要翻身反面碳弧氣刨焊接，正面焊接正反面一次成形，焊接速度約250mm/min，每條焊縫實動工時約80min。

生產實踐證明，FAB法焊接工藝較常規埋弧焊接工藝，焊接生產效率提高約108%。相比CO2氣體保護焊工藝，焊接生產效率提高了約272%。使用FAB法工藝焊接生產有效縮短了分段建造周期，提高了分段制作效率，具有較好的經濟效益。

3 結束語

通過積極開展FAB法焊接工藝應用技術研究，對多種板厚在不同間隙狀態下的焊接參數進行優化試驗，總結出了不同板厚、不同間隙狀態下的焊接參數，采用對切割裝配精度進行控制、定位焊控制，以及引弧板、引出板安裝，試件上標注焊接信息等手段，成功解決了生產現場裝配焊縫間隙過大或不均勻所造成的焊接技術難題。

該工藝的成功實施，并在焊接生產中得到成功應用，充分說明該工藝的可行性和實用性。在不增加硬件設施的同時，通過工藝的改進和創新，仍然可以提高船舶的建造效率并降低生產成本，在行業中具有較強的推廣應用前景。