船舶高效焊接工藝及存在的問題

1、 32 造13技術(shù) 2009年第5朗（總第291朗）船舶高效焊接工藝及存在的問題張永達(dá)，孫成文，于小虎，張雪彪（大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連116024）提 要 通過時鳥內(nèi)大型船廠的調(diào)研.總結(jié)了坪 條電滋坪、CO乳體保護(hù)坪、塚弧坪、不紡鋼坪、活性 體保護(hù)坪等百內(nèi)晶鈾制遺中的主妥高效坪棲冏時介 紹了坪按機(jī)E人、滋尢一電弧復(fù)合坪、攪掉摩擦坪等高 斯坪樣技術(shù)以只當(dāng)赫/待解決的大厚度鋼板的坪挾、 薄板坪揍、坪揍機(jī)2S人開發(fā)、坪接初度拉制等坪接工藝關(guān)侵詢逍船高效燼接中圖分類號U671文獻(xiàn)標(biāo)識碼A1前言焊接是船船建造的主要T.藝技術(shù)之一.焊接設(shè) 備的先進(jìn)與否，很大程度制約著船舶建造周期、建造 質(zhì)塑、

2、建造能力.貝此有必要全面審視高效焊接技 術(shù)的現(xiàn)狀和存在的冋題。高效燼接方法是指與常規(guī) 藥皮焊條手工電弧焊相比熔敷效率高、焊接速度快、 操作方便且易于自動化的焊接工藝方法。高效焊接 工藝方法的持點(diǎn)迢生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好、節(jié)約能 源和材料。各種不同的高效焊接工藝方法各具 特色.現(xiàn)代先進(jìn)燼接沒備應(yīng)具有的待征是：高效、自動 化程度高、低能耗、低污染。目前造船業(yè)采用的一些 焊機(jī)在不同程度上具備了這些待征，這些悍機(jī)輔以 各種輔機(jī)具和焊材.實(shí)現(xiàn)了自動化和高效化，加快了 造船速度。面對新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)對船舶高效焊接 工藝進(jìn)行綜合分析研究是有著甬要意義，在過去的 一段時間內(nèi)國內(nèi)各大船廠圍繞現(xiàn)代造船模式的總 體要

3、求，以推進(jìn)造船總裝化、管理輅細(xì)化為重點(diǎn)結(jié) 合產(chǎn)品載體將先進(jìn)焊接技術(shù)及焊接自動化工藝裝 備在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。作者近年來調(diào)研了國內(nèi)各大 型船廠的奇效燼接技術(shù)，整理了主要的船舶奇效焊 接工藝、船加制造中的高新焊接技術(shù)以及垢待解決 的焊接問題等內(nèi)容，作者筒介：張永達(dá)（1986-）,男，*科生.2我國口 2（ 總公司 開始在各 經(jīng)十多 年艱苦不 $,還是 焊接材料九郁取憐J倔兀的欣W為炭島船體 建造質(zhì)蚩，改善工人勞動條件縮短造船周期起到了 重要作用.高效焊接在船舶制造工程中應(yīng)用廣泛，涉及到 工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)數(shù)控F料、小合攏、中合攏、大合 攏、平面分段、曲面分段.平直立體分段、背線法蘭焊 接、型材部件裝焊

4、等工序和工位的焊接T程。從目 前的現(xiàn)狀看，所采用的高效焊接方法上主要有埋弧 焊、CO?氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊，不銹鋼焊接，活 性氣體保護(hù)焊等。下面著重介紹一些常見的高效焊 接技術(shù).2.1埋弧焊工藝目前埋弧焊工藝主要用于焊接各種鋼板結(jié)構(gòu)， 可焊接的鋼種包括碳索結(jié)構(gòu)鋼,不銹鋼，耐熱鋼及其 復(fù)合鋼材等圖1為半自動埋弧焊設(shè)備簡圖。埋弧 焊時，在電極周圍均勻地覆蓋4060mm厚的粒狀 焊劑將電弧掩埋在焊劑層下，電弧熱將焊劑熔化. 使之產(chǎn)生保護(hù)氣體和茨殼，以保護(hù)熔池和高溫下的 焊縫金鳳不受有害氣體的侵害，因此也稱為焊劑層 下電弧焊。按照施焊過程中焊矩的驅(qū)動方式分為自動埋弧 焊和半自動埋弧焊，在自動埋弧焊中

5、，又按焊絲數(shù)目 分為單絲和多絲埋弧燼;按悍絲截面形狀分為絲極 和帶極埋弧焊.其中應(yīng)用于平面分段流水線的FCB 法焊接.FCB法是銅板上撒布厚度均勻的襯墊焊 劑，并用壓縮空氣軟管等頂升裝置把上述填好焊劑 的銅板壓緊到焊縫背面從正面進(jìn)行焊接而形成背 面焊道的一種單而埋弧焊接法，如圖2所示.2.2高效焊條電弧焊高效焊條電弧焊工藝包括:向下立焊悍條，與 向上立焊相比效率可以提高】2倍;采用鐵粉 焊條焊接工藝其工藝簡單實(shí)用，通過提高熔敷效率達(dá)到高的生產(chǎn)效率一般提高50%以上）采用高700mm.900mm）,熔敷率在130%180%之間常效鐵粉焊條（一般直徑為58mm長度為550mm、見的焊條牌號有CJ5

6、01FeZ等.圖1半自動埋焊設(shè)備圖2 *劑襯於法（FCB法）幄接示広圖2.3 CQ%體保護(hù)焊應(yīng)用實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊的致命弱點(diǎn)是飛濺和 氣孔傾向大、成形不良而且我國氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲 的品種太少今后大力擴(kuò)大品種的同時也需進(jìn)一步 改進(jìn)實(shí)芯焊絲的工藝性能.增強(qiáng)焊絲表面的防銹、 潤滑功能。國內(nèi)常見的牌號是E49-1.E50-6焊絲.采用藥芯焊絲是一種方便可行的方法配合各 種類型的襯墊可以實(shí)現(xiàn)單面焊一次成形很方便地 進(jìn)行各種金屬的焊接不同位置焊接時藥芯焊絲的 電流差異最小，適合全位置焊接.現(xiàn)在船廠普遍采 用藥芯焊絲來胖接船舶結(jié)構(gòu)，以后co2吒保護(hù)藥芯 悍絲焊接將成為船廠的主要焊接材料和工藝目 前在常用船用

7、結(jié)構(gòu)鋼方面藥芯焊絲已經(jīng)可以完全 國產(chǎn)化，工藝主要應(yīng)用于氣電垂直自動焊.氣電垂 直電焊（EGW）是由日本神鋼開發(fā)的焊接方法簡稱 SG-2法，主要用于船紡建造分段合攏時的立向上對 接焊其工藝如圖3所示.該工藝使用的焊接材料為01. 6mm的藥芯焊 絲典型牌號為DWS-43G.配KL和JN型陶質(zhì)襯 墊.這種方法在國內(nèi)船廠應(yīng)用廣泛，由于專利及合 攏縫的重要性普遍對神鋼以外的同類產(chǎn)品格外謹(jǐn) 慎焊接過程中用CQ代體作保護(hù)，并對焊接熔 池強(qiáng)制一次成形的方法來完成的焊縫的前后面分 別用水冷銅滑塊和帶有梯形凹槽村墊以保持熔池 穩(wěn)定和成形良好.2.4不銹鋼焊接 34，日本然而,矗多樣要求,圖3勺電垂克自動焊示意圖

8、不銹鋼悍接多用于不銹鋼管及其附件之間的對 接和角接，焊接方法多采用純CO：氣體或CO2 + Ar 混合氣體的CL半自動或自動焊接（MAG焊），也 可采用鉤極氛弧焊，根據(jù)母材的不同對于CO?半 自動或自動焊悍絲，焊絲牌巧常為lCrl8Ni9Ti焊 絲、316L實(shí)芯或藥芯焊絲以及317L實(shí)芯或藥芯焊 絲，焊絲的規(guī)格為細(xì)絲，一般為01. 0mm和 01.2mm；對于鴨極氮弧焊焊絲牌號一樣，只是焊 絲的規(guī)格為粗絲，一般為01. 6mm和02. 4mm焊 絲.對于以鐵素體一奧氏體雙相不銹鋼為船體主要 結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)品船來說，目前都采用國外的名牌 產(chǎn)品.2.5活性氣體保護(hù)焊焊接技術(shù)（MAG焊）所謂的活性氣

9、體保護(hù)焊燼接技術(shù)就是釆用CQ + Ar混合氣體的CO?半自動或自動焊接普遍應(yīng) 用于不銹鋼的焊接.上海船船工藝研究所開發(fā)了適 合船廠專用的雙絲單面MAG焊接技術(shù)與裝備主 要技術(shù)特點(diǎn)是，可無間隙裝配坡口內(nèi)定位悍、添加 切斷細(xì)燼絲，背面應(yīng)用陶瓷襯墊，1222mm范幗內(nèi) 的板厚可一次成形焊接速度快焊接效率高悍接 質(zhì)雖好。3船船制造中貳高新焊接技術(shù)現(xiàn)代工業(yè)髙速發(fā)展，奇效焊接方法也層岀不窮, 但是由于造船業(yè)的特殊性比如環(huán)境惡劣、需天等. 使得許多離效悍接技術(shù)的應(yīng)用受限.隨看技術(shù)進(jìn) 步，這些焊接技術(shù)已經(jīng)部分開始應(yīng)用于工程實(shí)際，還 有一些好的方法也將在未來的造船工程中發(fā)揮巨大 作用.3.1焊接機(jī)器人系統(tǒng)為了加

10、快造船冏期、提高船舶質(zhì)最、減輕焊接 工人的勞動強(qiáng)度，世界各國的造船廠都非常重視焊適船技術(shù) 2009年第5期（總第291期接新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備的椎廣應(yīng)用.其中機(jī)器 人因苴柔性大適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在造船廠得到越 來越廣泛的應(yīng)用.早在20世紀(jì)80年代，造船界就 開始嘗試采用焊接機(jī)器人，最初只用于小合攏部件 上加強(qiáng)材的平角焊后來逐步擴(kuò)大至平行船體分段 中縱、橫構(gòu) 板對接焊f 管子與法 的幾個大 隨著現(xiàn)代！ 化造船工 船舶焊接機(jī)貉人糸統(tǒng)支恵在造船丿迓一步推廣應(yīng) 用苴關(guān)鍵技術(shù)必須得到進(jìn)一步突破。焊接機(jī)器人 對船舶奇效焊接自動化有著深刻的意義待別是燼 接機(jī)器人與各種髙效焊接技術(shù)相結(jié)合，能達(dá)到更好 的焊接效

11、果。機(jī)器人焊接是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、氣 體保護(hù)焊接技術(shù)的完美結(jié)合，適用于船舶構(gòu)件批雖 化、小型化焊接生產(chǎn)以及狹窄艙室短焊縫全位置焊 接.在造船業(yè)成功應(yīng)用的有歐登塞船廠的艙體格 子形構(gòu)件焊接移動機(jī)器人，幃國Pukyong國立大學(xué) 的KamBO等人研制的復(fù)雜焊按環(huán)境的輪式智能移 動悍接機(jī)器人，上海交通大學(xué)研制的具有自尋跡功 能的焊接移動機(jī)器人.實(shí)現(xiàn)了大型艦船甲板的高 效自動化焊接保證了焊接質(zhì)址.歐盟研制r一套 雙層外殼船舶焊接機(jī)器人以満足雙層外殼船舶建 造的需要，如超級巡洋艦和巨型油輪，該機(jī)器人在 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了基于電弧傳感的6自由度悍 縫跟蹤.3.2激光一電弧復(fù)合焊接激光一電弧復(fù)合焊接

12、具有焊接速度快、自動化 程度高、焊接熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，是船紡悍接技術(shù)發(fā)展 不可缺少的一種新技術(shù)，尤其在鋁合金的焊接中有 明顯優(yōu)勢。近來,這一技術(shù)已經(jīng)在日本、韓國和歐莫 一些國家得到了廣泛的研究與應(yīng)用，而我國應(yīng)用還 很少.激光與電弧復(fù)合焊接技術(shù)的特點(diǎn)是可有效利用 激光能雖.電弧先熔化母材提高激光吸收率;增加 熔深，利用激光東作用于熔池底部，進(jìn)一步提高熔 深;穩(wěn)定電弧激光使氣體電離產(chǎn)生等離子體，有助 于穩(wěn)定電??；降低對焊縫裝配精度要求，裝配間隙可 由0.3mm增大至lmrn激光一電弧復(fù)合焊接的另 一個主要優(yōu)點(diǎn)是悍接變形非常小，焊后的修整工作張永：弟紬高嫂坪接工藝及彷崔的冋題 35 誕大為減少.3.3

13、攪拌摩擦焊1991年，英國焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊 (Friction Stir Weld：ng FSW)這項(xiàng)杰岀的焊接技 術(shù)發(fā)明正在為世界制造技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn).攪拌 摩擦焊屬于固相焊接與傳統(tǒng)的熔化焊接相比具有 無強(qiáng)光、無飛濺、無煙塵、不需要焊材、接頭無氣孔、 無夾雜及無裂紋等優(yōu)點(diǎn)并具有細(xì)晶組織，屬于優(yōu)質(zhì) 無污染的焊接技術(shù)。在造船領(lǐng)域，攪拌摩擦焊應(yīng)用面很寬，船甲板、 側(cè)板.船頭殼體、船艙防水壁板和地板船紡的上層 鋁合金建筑結(jié)構(gòu)直升飛機(jī)起降平臺離岸水上觀測 站船舶碼頭水下工具和禪洋運(yùn)輸工具帆船的桅 桿及結(jié)構(gòu)件，船上制冷設(shè)備用的中空濟(jì)壓鋁板等. 國外已采用此技術(shù)生產(chǎn)預(yù)成型結(jié)構(gòu)件使船舶制造 由零

14、件的制造轉(zhuǎn)變?yōu)榇凹装逵蓺んw的預(yù)成型結(jié)構(gòu) 件的裝配。目前攪拌摩擦焊已經(jīng)在英國、法國、挪 威、瑞典等得到船級社的認(rèn)證，甚至美國、澳大利亞 和日本的船級社也批準(zhǔn)攪拌摩擦焊成為新別船舶制 造工藝技術(shù).如大型豪華游輪-Star Princess"號的 25%的船用鋁合金壁板構(gòu)件采用了攪捋摩擦焊技 術(shù)總體成本降低約5%.在我國新研制的“雙體穿 浪隱形導(dǎo)彈快艇円的寬輻鋁合金壁板的制造上也采 用了攪拌摩擦焊技術(shù)。4船餉高效焊接存在的問題4.1焊接機(jī)器人的開發(fā)由于焊接機(jī)器人的奇適應(yīng)能力，因此焊機(jī)機(jī) 器人的需求不斷增加，我國焊接機(jī)器人的水平明 顯落后于日本及歐洲發(fā)達(dá)國家，為了提髙造船效 率，應(yīng)加快研究

15、腳步.不過拿握先進(jìn)技術(shù)雖應(yīng)當(dāng) 遵循客觀規(guī)律循序漸進(jìn)但也不能排除跳躍式 發(fā)展.造船焊接實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接一直是我國造 船界專業(yè)人士努力追求的目標(biāo)為此必須開展這 方面的研究和探索。首先要解決好船用鋼板的 切割下料技術(shù)更新要形成火焰切割、等離子切 割和激光切割三足尉立的局面；其次，焊接電弧 跟蹤技術(shù)要有成熟的實(shí)用技術(shù).4.2超厚鋼板及薄扳的焊接隨著大型集裝箱船和海洋工稈等開發(fā)建造，鋼 板耳度和強(qiáng)度不斷增大,要求更高的低溫刼性以往 的FCB等焊接法滿足不了其焊接要求，需要針對鋼 板的種類來研發(fā)合適的燼接工藝.在海洋工程模塊等結(jié)構(gòu)上.36mm的薄板有 較多的應(yīng)用焊接后容易產(chǎn)生變形，因此在現(xiàn)有焊接 技術(shù)基礎(chǔ)上

16、要研究合適的薄板結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)，減少 焊接變形坦玄揚(yáng)農(nóng)臨何點(diǎn)水 伽如 悍技術(shù) 和CQ氣彳法、坡口、材料焊：蘭.另外一個途名旱接技術(shù)等,激光：m得到應(yīng)用.4. 3 焊接 TR/ATX»P5精度借理是精益思患的蛋要特征.造船精度 管理就是用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法通過對造船生產(chǎn)過程 中的加工公差和焊接熱變形的精度控制，用補(bǔ)償最 代替余就的辦法，減少造船加工、裝配和焊接中的 無效勞動.日本船廠一般都在制造部下設(shè)精度管 理班，負(fù)責(zé)組織和推進(jìn)全廠的造船精度管理.精度 竹理可以極大地減少造船生產(chǎn)過程浪費(fèi)，減少無效 勞動，降低作業(yè)難度，實(shí)現(xiàn)高效焊接，提高產(chǎn)品 質(zhì)血5結(jié)論總結(jié)了我國船廠現(xiàn)行的部分高效焊接方法和技 術(shù)提出一些目前高效焊接需耍解決的難題.應(yīng)結(jié) 合實(shí)際生產(chǎn)，試驗(yàn)研究焊接工藝技術(shù)，提高焊接效 率研究開發(fā)適合不同船型的便攜、簡易的機(jī)械化、 自動化焊接設(shè)備；努力開發(fā)國產(chǎn)