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(yè)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(fā)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(yōu)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(qū)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(jù)。

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(tǒng)及控制系統(tǒng)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(wěn)定、飛濺少、焊縫成型美觀等優(yōu)點。與焊接電源配套的YW-50CA2HJ送絲機，具有三規(guī)范調節(jié)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(xiàn)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(yōu)點。焊接小車的核心是行走機構和焊槍擺動調節(jié)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(xiàn)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(jié)機構采用GR-33搖擺器實現(xiàn)擺動的軌跡，左/中/右三點停留，并且可以根據(jù)停留時間進行調節(jié)。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(xiàn)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(wěn)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(qū)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(xiàn)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(tài)，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(shù)據(jù)顯示，檢查各功能刻度調節(jié)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(shù)，啟動焊接后必須及時跟蹤各功能調整，根據(jù)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(shù)

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(shù)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(qū)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(shù)

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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(xù)，減少引熄弧造成的搭接頭，成型美觀，質量穩(wěn)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(jù)統(tǒng)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(guī)模應用之后經濟效益就顯現(xiàn)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(jié)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(yè)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(xiàn)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(shù)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。