基于垂直面橫向?qū)勇窕∽詣?dòng)焊技術(shù)研究

張劍鋒， 徐寶東， 厲文耀

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

基于垂直面橫向?qū)勇窕∽詣?dòng)焊技術(shù)研究

張劍鋒， 徐寶東， 厲文耀

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

通過(guò)對(duì)垂直面橫向?qū)勇窕∽詣?dòng)焊技術(shù)進(jìn)行研究，解決了焊接工藝、焊劑的敷設(shè)、焊縫跟蹤，以及焊接小車(chē)行走等技術(shù)問(wèn)題。從裝備和工藝技術(shù)上形成船體自動(dòng)橫焊新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船體垂直面橫向?qū)雍缚p的自動(dòng)橫焊技術(shù)突破。該技術(shù)將提高焊接生產(chǎn)質(zhì)量和效率，縮短造船周期，改善焊接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)環(huán)境，并為今后新型、大型船舶的建造提供焊接工藝、裝備支持。

垂直面橫向?qū)?埋弧 自動(dòng)焊技術(shù)

1 前言

船舶是一個(gè)龐大而復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)體，現(xiàn)代船舶具有向大型化發(fā)展的趨勢(shì)，建造船體的鋼板厚度也呈增厚的趨勢(shì)，導(dǎo)致橫向?qū)雍缚p的焊接工作量大幅增加。如仍然采用現(xiàn)有橫向?qū)雍腹に囘M(jìn)行焊接施工，勢(shì)必影響到船舶的建造周期。隨著造船業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)橫焊技術(shù)已越來(lái)越引起大型、先進(jìn)船舶企業(yè)決策層的高度關(guān)注。垂直面橫向?qū)勇窕∽詣?dòng)焊工藝及裝備是針對(duì)大型船舶總裝廠(chǎng)在建船舶的特點(diǎn)并兼顧我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展需要而提出的，具有高效、實(shí)用、先進(jìn)性的優(yōu)點(diǎn)，主要適用于船舶在搭載階段自動(dòng)化焊接，為大中型船舶總裝廠(chǎng)總組搭載垂直面橫對(duì)接焊接生產(chǎn)提供全套創(chuàng)新自動(dòng)焊接工藝及裝備技術(shù)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外船舶焊接技術(shù)近三十年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步以日本為例可分為三個(gè)階段：第一階段從20世紀(jì)七十年代開(kāi)始發(fā)展半自動(dòng)氣保護(hù)焊取代手工電弧焊條，其標(biāo)志是藥芯焊絲和MAG焊。到20世紀(jì)九十年代日本造船廠(chǎng)CO2半自動(dòng)焊已占80%，大量性能優(yōu)良的可控硅、逆變焊接電源投入生產(chǎn)應(yīng)用。這一階段從焊接材料、方法及電源三個(gè)方面取得發(fā)展，也為隨后的機(jī)械化自動(dòng)焊接技術(shù)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。從20世紀(jì)八十年代末開(kāi)始開(kāi)展的機(jī)械化自動(dòng)焊可看作船舶焊接技術(shù)發(fā)展的第二階段。據(jù)日本焊接協(xié)會(huì)船舶鋼結(jié)構(gòu)、海洋結(jié)構(gòu)焊接施工委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，日本簡(jiǎn)易自動(dòng)焊接機(jī)器由1989年768臺(tái)發(fā)展到1998年的4 405臺(tái)，十年增加了6倍，其平均焊接率達(dá)到35%。這類(lèi)設(shè)備的特點(diǎn)是獨(dú)立的臺(tái)車(chē)形式，采用MAG焊接方法。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建造CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于船舶建造，為智能化設(shè)備、機(jī)器人進(jìn)入建造焊接提供了必要的信息基礎(chǔ)。1995年神戶(hù)制鋼和NKK津船廠(chǎng)合作實(shí)現(xiàn)世界上第一套造船焊接機(jī)器人系統(tǒng) ,用于內(nèi)場(chǎng)小合攏生產(chǎn)。機(jī)器人化可看作是焊接技術(shù)發(fā)展的第三階段。目前造船焊接智能化設(shè)備、機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)還處于起步發(fā)展階段，其前提是數(shù)字化造船和造船精度達(dá)到1 mm～2 mm。國(guó)外在該領(lǐng)域研究向自動(dòng)焊接裝備的輕巧化、高速焊、焊接多絲化方向發(fā)展。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

從國(guó)內(nèi)船舶焊接技術(shù)發(fā)展看，20世紀(jì)八十年代開(kāi)始大力推廣高效焊接技術(shù)，尤其是有氣體保護(hù)的CO2半自動(dòng)焊，至今已得到相當(dāng)?shù)钠占埃谝恍┕歉纱瑥S(chǎng)的高效焊接率達(dá)55%以上，部分船廠(chǎng)高達(dá)70%。CO2焊機(jī)與焊工比率達(dá)1∶1，相當(dāng)于人手一臺(tái)。這是開(kāi)展機(jī)械化自動(dòng)焊接重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一。目前我國(guó)大型船廠(chǎng)在內(nèi)場(chǎng)的分段建造采用自動(dòng)化程度較高的大型裝置化平面分段流水線(xiàn)生產(chǎn)，多電極和高速焊接，生產(chǎn)效率較高。外場(chǎng)船臺(tái)、塢立體分段和總段合攏建造時(shí)，部分大型船廠(chǎng)已開(kāi)始采用單絲垂直自動(dòng)氣電焊、雙絲單面MAG焊等技術(shù)。這些自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)論在焊接效率和焊接質(zhì)量上較人工焊接有很大提高。除上述自動(dòng)化焊接裝備的應(yīng)用以外，外場(chǎng)船臺(tái)、塢船體建造過(guò)程中基本上還是以人工CO2半自動(dòng)焊和部分埋弧焊為主要焊接生產(chǎn)手段，而大多數(shù)中小型船廠(chǎng)的焊接自動(dòng)化程度更低。因此先進(jìn)焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)研究及推廣應(yīng)用十分重要。目前，國(guó)內(nèi)在高效焊接技術(shù)領(lǐng)域有了一定的發(fā)展，正緊跟國(guó)際先進(jìn)自動(dòng)化焊接工藝技術(shù)的發(fā)展步伐。

3 主要研究?jī)?nèi)容

3.1 埋弧自動(dòng)橫焊工藝技術(shù)研究

埋弧自動(dòng)焊工藝通常用于平面對(duì)接焊，本項(xiàng)目研究是將埋弧焊工藝恰當(dāng)?shù)赜糜诖w平直部舷側(cè)分段外板、邊水艙隔艙旁板的橫向?qū)雍缚p的焊接，根本解決垂直面橫向?qū)与y以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效焊接的難題，焊接工藝性能達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范要求。主要研究?jī)?nèi)容包括：

(1) 焊縫坡口形式和裝配設(shè)計(jì)研究；

(2) 焊接工藝參數(shù)規(guī)范和工藝條件研究；

(3) 焊接材料和焊劑匹配研究。

3.2 埋弧自動(dòng)橫焊裝置研究

研制能實(shí)現(xiàn)埋弧橫焊工藝的裝備——埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)。

目前，埋弧自動(dòng)焊工藝雖已在船廠(chǎng)得到廣泛應(yīng)用，但僅限于平面對(duì)接焊，還未應(yīng)用在船體垂直面對(duì)接焊中。因?yàn)楝F(xiàn)有埋弧自動(dòng)焊機(jī)的本體質(zhì)量重、體積大，其構(gòu)造形式是無(wú)法在垂直面上實(shí)施焊接的，因此不能應(yīng)用于船體橫對(duì)接焊。為實(shí)現(xiàn)埋弧自動(dòng)橫焊工藝就必須針對(duì)埋弧自動(dòng)橫焊工藝要求，研發(fā)相適應(yīng)的自動(dòng)焊接裝置。主要研究?jī)?nèi)容包括：

(1) 埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)總體構(gòu)造設(shè)計(jì)研究；

(2) 埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)焊縫跟蹤研究；

(3) 埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)研究。

4 總體技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)

4.1 總體技術(shù)方案

針對(duì)船體分段搭載合攏后形成的垂直立面橫對(duì)接焊縫，通過(guò)焊接工藝研究、焊接裝備研究，達(dá)到實(shí)施埋弧自動(dòng)橫焊技術(shù)，突破一般自動(dòng)埋弧焊只適合平位置焊接的限制。因此，涉及焊接工藝技術(shù)和焊接裝備技術(shù)兩大部分。

4.1.1 焊接工藝技術(shù)

該技術(shù)是研究將埋弧自動(dòng)焊工藝方法應(yīng)用在垂直面橫對(duì)接焊縫的焊接。從埋弧自動(dòng)焊的特點(diǎn)分析，要解決焊劑在垂直面的敷設(shè)保持、焊縫跟蹤、焊接裝置行走、焊接工藝和規(guī)范等幾方面問(wèn)題。

由于焊劑為顆粒狀分散物，在垂直面無(wú)法保持，需增加輔助的保持裝置，并保證焊劑在焊接過(guò)程中的有效性。垂直面橫對(duì)接焊縫坡口形式為“K”字型，下口角度小，上口角度大，不對(duì)稱(chēng)，焊槍與母材立板面不垂直，要有一定的角度。

焊槍上方設(shè)置漏斗，焊劑通過(guò)漏斗流入到焊縫，在焊槍下方設(shè)置托帶，使焊劑保持在焊縫位置，焊絲通過(guò)焊槍、導(dǎo)絲輪送入焊縫并與母材立板面有一定角度。埋弧焊劑以及熔化后形成的熔渣起著隔絕空氣的作用，使焊縫金屬免受大氣污染，造成氣孔等焊接缺陷，而且不僅在外場(chǎng)作業(yè)時(shí)有效防風(fēng)，熔渣對(duì)熔池也有一定的托付作用，在立面焊接時(shí)可采用較大電流。

埋弧焊接裝置在垂直面上行走時(shí)重心向下，需要在母材上設(shè)置行走導(dǎo)軌且與母材可靠固定，同時(shí)行走導(dǎo)軌要有足夠的剛性來(lái)保證焊槍沿焊縫行走的精度。但是，埋弧焊接裝置除本身自重較重外還承載焊絲和焊劑的重量，造成行走導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)大、重量重，給導(dǎo)軌安裝帶來(lái)困難。為了解決這一問(wèn)題，可以采用輕型行走導(dǎo)軌和輔助跟蹤導(dǎo)軌來(lái)保證焊絲在焊接過(guò)程中與焊縫的位置準(zhǔn)確性。

分段搭載時(shí)受定位馬腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，只能采用背面貼襯墊、單面焊的工藝方法。在立面焊接時(shí)，熔渣對(duì)熔池托付的作用可采用較大電流，但是與平位置埋弧焊相比，焊接電流、電壓、焊絲直徑等焊接規(guī)范不能過(guò)大，不能一次焊接完成，需要打底、填充、蓋面多層多道焊接。

4.1.2 裝備技術(shù)。

垂直立面橫對(duì)接埋弧自動(dòng)化焊接是普通埋弧自動(dòng)焊的一種特殊形式，只要研究解決了電源、焊劑的敷設(shè)、焊縫的跟蹤、焊接小車(chē)的行走問(wèn)題，就可以對(duì)橫對(duì)接焊縫應(yīng)用自動(dòng)埋弧焊。

(1) 埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)總體構(gòu)造。

① 高低調(diào)節(jié)和跟蹤機(jī)構(gòu)部件。根據(jù)打底、填充、蓋面不同焊接層道數(shù)，調(diào)節(jié)托帶到焊縫的高低距離，保持焊劑的敷設(shè)高度。與跟蹤導(dǎo)軌配合使用實(shí)現(xiàn)了焊縫跟蹤。

② 托帶部件。在埋弧焊接時(shí)托付焊劑，確保焊接過(guò)程焊劑的有效保持。

③ 焊槍調(diào)節(jié)部件。根據(jù)打底、填充、蓋面不同焊接層道數(shù)，改變焊槍角度和高低位置，前后調(diào)整范圍±20 mm，上下調(diào)整范圍±40 mm，傾角調(diào)整范圍±15°。

④ 靠輪及導(dǎo)向輪部件。靠輪部件保證設(shè)備依靠重力緊靠著船板行走；導(dǎo)向輪部件(包括跟蹤導(dǎo)軌)保證焊槍沿著焊縫行走，即自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械保證。

⑤ 焊槍總成部件。

⑥ 行走部件。該部件(包括行走導(dǎo)軌)保證焊接裝置以100～1 500 mm/min的速度自動(dòng)平穩(wěn)行走。部件中還設(shè)置了3個(gè)藥斗：在頂部安裝了一個(gè)較大的藥斗，用于儲(chǔ)存埋弧焊的藥粉20 kg～40 kg，在底部安裝了兩個(gè)接藥粉的藥斗，用于收集從托帶上掉落下來(lái)的藥粉。

(2) 埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)焊縫跟蹤研究。由于埋弧焊電弧在焊劑中燃燒，無(wú)法用肉眼觀察調(diào)準(zhǔn)位置，因此，在采用埋弧自動(dòng)橫焊工藝焊接施工時(shí)，必須對(duì)焊縫進(jìn)行精確跟蹤以保證電弧位置穩(wěn)定，焊縫自動(dòng)跟蹤是實(shí)現(xiàn)工藝施工的必要保障。

① 采取接觸式焊縫偏離檢測(cè)和光電信號(hào)反饋，指示焊槍與焊縫的偏離變化。

② 單片微機(jī)檢測(cè)光電信號(hào)反饋判斷偏離。

③ 根據(jù)算法產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)伺服放大驅(qū)動(dòng)電氣傳動(dòng)修正焊劑托帶和焊槍偏離，至正確焊縫位置而實(shí)現(xiàn)焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。

(3) 埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)研究。運(yùn)行控制系統(tǒng)是埋弧自動(dòng)橫焊工藝施工的執(zhí)行核心。

① 采用單片微機(jī)脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行電氣傳動(dòng)的控制設(shè)計(jì)。

② 采用霍爾傳感技術(shù)實(shí)時(shí)采樣焊接工藝參數(shù)。

③ 設(shè)計(jì)機(jī)械接觸式加光電傳感器模式的焊縫跟蹤控制模式。

④ 編制運(yùn)行算法和運(yùn)行控制軟件程序，在試驗(yàn)運(yùn)行中不斷測(cè)試、修正，直至完善。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 埋弧自動(dòng)橫焊工藝技術(shù)

目前，埋弧自動(dòng)焊工藝通常是指在平面對(duì)接時(shí)采用的埋弧自動(dòng)焊工藝方法，其在船體垂直面橫焊接中應(yīng)用，是對(duì)常規(guī)埋弧自動(dòng)焊工藝技術(shù)的創(chuàng)新，是該技術(shù)主要突破的難點(diǎn)，屬于關(guān)鍵技術(shù)。

垂直面橫焊縫處于垂直立面決定了實(shí)施埋弧自動(dòng)焊與平面對(duì)接的埋弧自動(dòng)焊的工藝技術(shù)要求高，其難點(diǎn)在于要解決熔化金屬下淌以及焊劑立面敷設(shè)問(wèn)題。因此要分析研究橫焊的電流、電壓、焊接速度等工藝參數(shù)和坡口形式以及焊槍位置和角度；要分析研究焊劑敷設(shè)方法和選用合適的焊劑等。由于船體外板較厚以及搭載橫焊縫的特殊性，采用單面多道焊接方法，需通過(guò)研究和試驗(yàn)，分別確立打底和蓋面的工藝規(guī)范；采用旋轉(zhuǎn)托帶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊劑的敷設(shè)，在垂直面橫焊縫實(shí)施埋弧焊時(shí)，焊劑不僅要起到保護(hù)電弧的作用，而且要起到對(duì)熔池進(jìn)行有效托敷作用，因此需研究分析焊劑的特性并通過(guò)試驗(yàn)選用適合橫焊工藝的焊劑。

4.2.2 自動(dòng)焊縫檢測(cè)與跟蹤技術(shù)

船體在搭載階段建造中形成的垂直面橫向?qū)雍缚p，是船體建造的重要大接頭焊縫，需采用多道多層焊接完成，焊接質(zhì)量要求高。由于埋弧焊電弧在焊劑中燃燒，無(wú)法用肉眼觀察調(diào)準(zhǔn)位置。因此，在采用埋弧自動(dòng)橫焊工藝焊接施工時(shí)，必須對(duì)焊縫進(jìn)行精確跟蹤以保證電弧位置穩(wěn)定，焊縫自動(dòng)跟蹤是實(shí)現(xiàn)工藝施工的必要保障。

4.2.3 埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)技術(shù)

運(yùn)行控制系統(tǒng)是埋弧自動(dòng)橫焊工藝施工的執(zhí)行核心，既要控制埋弧自動(dòng)橫焊按照工藝規(guī)范的實(shí)施，同時(shí)又要控制焊接裝備按工藝規(guī)程條件運(yùn)行。檢測(cè)焊接工藝程序指令和模擬指令信號(hào)，執(zhí)行施工動(dòng)作和各個(gè)電氣傳動(dòng)控制，只有工藝規(guī)范與裝備運(yùn)行的有序協(xié)同，才能實(shí)現(xiàn)理想埋弧自動(dòng)橫焊高效和高品質(zhì)的目標(biāo)。

5 技術(shù)先進(jìn)性分析

(1) 采用埋弧自動(dòng)橫焊技術(shù)可以有效防風(fēng)。焊劑的托起作用，有效防止了焊縫金屬的下淌，解決了目前人工焊接和CO2氣保護(hù)自動(dòng)焊質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，保證了焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，顯著提高一次拍片合格率，且焊縫表面成形良好，特別適合外場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

(2) 埋弧橫焊大線(xiàn)能量輸入，減少了焊接層數(shù)和道數(shù)，而且穩(wěn)定的焊接質(zhì)量明顯減少了當(dāng)前人工焊接和CO2氣保護(hù)自動(dòng)焊的返修率，提高了焊接效率。

(3) 適用面廣、鋼種多。

(4) 橫向埋弧自動(dòng)焊裝備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，專(zhuān)為船舶建造中外場(chǎng)作業(yè)開(kāi)發(fā)研制。

(5) 電極上下、左右以及角度可調(diào)，適用于多層多道焊接。

(6) 焊縫自動(dòng)跟蹤，操作簡(jiǎn)便，顯著降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。體現(xiàn)出以人為本、綠色造船的理念。

(7) 橫向埋弧自動(dòng)焊裝備采用懸掛式行走方式，行走導(dǎo)軌通過(guò)焊接在焊件上的馬腳支撐，安全可靠。

6 結(jié)論

垂直面橫對(duì)接焊縫埋弧自動(dòng)焊是普通埋弧焊的一種特殊形式，主要區(qū)別在于解決了熔化金屬和焊接下淌的難題，利用較小的焊接電流、電弧電壓和較高的焊接速度獲得在橫向焊縫上的焊縫成型。埋弧焊固有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、一次拍片合格率高、焊接效率高、無(wú)弧光、防風(fēng)以及煙塵少等優(yōu)點(diǎn)，因此垂直面橫對(duì)接焊縫埋弧自動(dòng)焊工藝及裝備可以實(shí)現(xiàn)船體橫向焊縫的自動(dòng)化焊接，特別是可以解決外場(chǎng)作業(yè)時(shí)船體搭載合攏階段的橫向焊縫的自動(dòng)化焊接問(wèn)題，可以極大地提高焊接質(zhì)量、提高效率、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善工人的作業(yè)環(huán)境。

Research of Automatic Submerged Arc Welding on Transverse Weld in Vertical Hull

ZHANG Jian-feng, XU Bao-dong, LI Wen-yao

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

Base on the research of automatic submerged arc welding on transverse weld in vertical hull, we solve many welding technical problems, which include the coating of flux, the seam tracking, the running route of welding trolley and so on， which are based on the research of the automatic submerged arc welding technic on the transverse welding line of the vertical hull. The new automatic transverse welding technic will be made in the equipment and technics, and it is a breakthrough in the automatic welding technic on the transverse welding line of the vertical hull. And this technic will increase the welding quality and efficiency, shorten the ship-building circle，improve the working intensity and the environment of the factory, and it will be a technical support of the welding technic and equipment for the building of the new type and large ship.

The transverse welding line of the vertical hull Submerged arc Automatic welding

張劍鋒(1963-)，男，工程師。

U671

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