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(shí)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(shí)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(hào)U671文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)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(dòng) 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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)埋弧焊設(shè)備簡圖。埋弧 焊時(shí)，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(dòng)方式分為自動(dòng)埋弧 焊和半自動(dòng)埋弧焊，在自動(dòng)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(hào)有CJ5

6、01FeZ等.圖1半自動(dòng)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(shí)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(hào)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(shí)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(dòng)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(shí)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(hào)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(dòng)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(dòng)或自動(dòng)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(dòng)或自動(dòng)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(hào)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(dòng)或自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人.實(shí)現(xiàn)了大型艦船甲板的高 效自動(dòng)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(dòng)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)定電弧；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(gè)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(tái)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(hào)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(gè)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(dòng).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(dòng)，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(dòng)化焊接設(shè)備；努力開發(fā)國產(chǎn)