雙絲焊技術的發展前景與焊接缺陷預防

胡　偉

摘要:船舶工業市場向我國周邊轉移時,運用新技術是能否抓住市場份額的關鍵,雙絲焊技術是一種新的焊接技術,該技術在船舶工業中擁有廣大的發展前景,但也存在相關問題,需要采取各種措施來防止焊接缺陷。

關鍵詞:船舶工業 雙絲焊接 焊接缺陷

中圖分類號:TG441文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0085-02

船舶焊接技術是船舶工業的關鍵工藝技術之一,大力推進高效焊接技術,加快焊接技術改造步伐,努力將相對資源優勢轉化為科技競爭優勢,促進船舶產業進步和產業升級。否則,將不但難以實現船舶工業振興的宏偉發展計劃,甚至會出現我國現有的國際市場份額都難以維持的嚴峻局面。中國的造船能力和市場份額有明顯增長,并將成為世界造船格局演變的重要推動力量。我國造船業發展的一個重要特點是;中外合資與外方獨資的造船企業發展迅猛,并形成了與中國船舶工業、中國船舶重工這兩大集團公司“三分天下”的格局。

由于船廠的產品特點是多品種、小批量,產品結構和材料變化頻繁。近年來,隨著轉換為現代造船模式,大力推進區域造船法,使船舶焊接技術也發生了較大的變化,其中比較突出的是一些重點骨干船廠先后都引進了國外先進的平面分段裝焊流水線,采用了拼板工位多絲埋弧自動焊單面焊雙面成形新工藝、新裝備。其焊接范圍可分別用于5-20mm和10-35mm的船用板材的對接拼板,同時在按區域造船的理論指導下,對船體的平面分段構架的裝焊也采用了半自動或自動氣保護角焊工藝,使焊接效率大大提高。

隨著我國船舶事業的不斷發展,造船產量在大幅度的增長,以及船廠建造的船型在不斷的增多,造船用鋼的趨勢也悄悄的發生了改變:低合金高強鋼的需求將大幅度的增加,造船用鋼板的規格增大等,這將給自動化拼板增加一定的難度。首先,由于船舶的大型化,專業化使得低合金高強鋼的需求大幅增加。因為普通造船用鋼強度低,在建造大型船舶時就必須增加板厚。這樣不僅增大制造過程中加工焊接的難度和成本,又增加了船舶的自重,減少載重量;其次,船舶大型化引發了船板使用規格大型化的趨勢,預計最大的船用鋼板規格將達到:長22.5 m寬4.5 m厚40 mm。低合金高強鋼和中厚板高效焊接的問題將也是每一個船廠焊接部門必須面臨的課題。

近幾年來國內的造船企業相繼引進了多條平面分段流水線,在船廠的生產中發揮了較大的作用。平面分段流水線主要用于鋼板平面組裝階段的船體平行中體外板,雙層底板,頂板,甲板隔壁等的拼板對接焊,以及相應結構的焊接。但是也由于種種原因從目前的國內的幾大船廠引進的平面流水線來看,成功的幾乎很少。首先,焊接材料必須依靠進口,由于一般引進的設備都是大型高效裝備,因此采用的都是大線能量高速焊接等技術工藝。國內雖然有部分焊材可以代替進口用于引進設備使用,但對韌性指標要求高或是特殊場合的焊材仍以進口為主;其次,由于一般引進的設備都是大線能量技術工藝,這就對高強鋼的焊接不太適應,熱輸入大,產生變形和組織性能等問題;國內許多船廠引進的平面分段流水線中FCB單面焊拼板焊接工位由于坡口留根,間隙一致性差等問題導致焊縫反面成型不均勻,有時甚至不成型,增加返修工作量,對厚度≥35mm的鋼板焊接接頭的某些性能不能較好的滿足要求。

如何提高焊接工藝的生產效率是焊接技術人員目前急需解決的課題。焊接生產效率的提高主要有兩個方面:一是薄板焊接時焊接速度的提高,二是中、厚板焊接時熔敷效率的提高。

雙絲焊工藝焊接2～3mm薄板時,焊接速度可達6m/min;焊接8mm以上厚板時,熔敷效率可達24kg/h,在焊接要求控制熱輸入的低合金高強度鋼等材料時是替代埋弧焊的最佳工藝。該工藝可以焊接碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁等各種金屬材料,是一種高速高效、應用廣泛的先進焊接技術。

雙絲焊技術將兩根焊絲按一定的角度放在一個特別設計的焊槍里,兩根焊絲分別由各自的電源供電,所有的參數都可以彼此獨立,這樣可以最佳地控制電弧。與其它雙絲焊技術相比,不僅可以提高熔敷速度,大大提高焊接效率,而且改善了焊縫質量,減少了飛濺物。

標準配置:2 臺微機控制的數字化焊接電源,2 條 聯接電纜,2 臺雙送絲機或 1 個雙送絲裝置,2 條 焊槍電纜,1 支 TANDEM 焊槍,1 套焊槍夾持和行走機構。

該系統可與自動化專機或焊接機器人配套使用。兩個送絲機通過兩根送絲管分別將兩根焊絲送進焊槍中兩個獨立的導電嘴,在雙電弧中被熔化,形成一個熔池。

雙絲焊的工藝特點:

(1)高性能焊機,100%暫載率時的焊接電流1000A,脈沖電流1500A。

(2)數字化雙脈沖電源,可編程,連接PC機、打印機。

(3)每根焊絲的送絲速度可達30m/min,可大大提高熔敷效率和焊接速度。規范參數可單獨設定,材質、直徑也可不相同。

(4)在熔敷效率增加時,保持較低的熱輸入。

(5)電弧穩定,熔滴過渡受控;焊接變形小,飛濺小。

(6)焊接數據監控和管理。

(7)使用標準氣體,耗氣量少。

(8)使用范圍廣,生產率高。

雙絲焊能滿足船廠分段拼板技術要求:

(1)一次焊透20-40mm厚的鋼板,單面焊雙面成型,反面成型美觀,焊縫能滿足船檢的要求;

(2)厚度低于16mm(含16mm)的不用開坡口;

(3)焊接速度:厚20mm的1m/min以上,厚16mm的1.2m-1.5m/min之間;

(4)能同樣適用低合金高強鋼的高速焊接;

(5)焊接變形控制要求焊后不需要校正;

(6)能用銅襯墊或陶瓷襯墊;

(7)組對時間隙精度允許有2mm的誤差。

可見,雙絲焊技術能滿足船舶工業的技術要求,具有良好的發展前景。但是在使用中也會產生焊接缺陷,那么如何防止呢?我們只有通過焊接缺陷的成因來分析。

船舶焊接缺陷種類很多,按其位置不同,可分為外部缺陷和內部缺陷。常見缺陷有氣孔、夾渣、焊接裂紋、未焊透、未熔合、焊縫外形尺寸和形狀不符合要求、咬邊、焊瘤、弧坑等。

1氣孔

氣孔是指在焊接時,熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而形成的空穴。產生氣孔的主要原因有:坡口邊緣不清潔,有水份、油污和銹跡;焊條或焊劑未按規定進行焙烘,焊芯銹蝕或藥皮變質、剝落等。此外,焊絲焊接時,電弧過長,焊接速度過快;電壓過高等,都易在焊接過程中產生氣孔。由于氣孔的存在,使焊縫的有效截面減小,過大的氣孔會降低焊縫的強度,破壞焊縫金屬的致密性。預防產生氣孔的辦法是:選擇合適的焊接電流和焊接速度,認真清理坡口邊緣水份、油污和銹跡。嚴格按規定保管、清理和焙烘焊接材料。不使用變質焊絲,應選用合適的焊接工藝參數,特別是薄板自動焊,焊接速度應盡可能小些。

2 夾渣

夾渣就是殘留在焊縫中的熔渣。夾渣也會降低焊縫的強度和致密性。產生夾渣的原因主要是焊縫邊緣有氧割或碳弧氣刨殘留的熔渣;坡口角度或焊接電流太小,或焊接速度過快。進行自動焊時,焊絲偏離焊縫中心,也易形成夾渣。防止產生夾渣的措施是:正確選取坡口尺寸,認真清理坡口邊緣,選用合適的焊接電流和焊接速度,運絲擺動要適當。多層焊時,應仔細觀察坡口兩側熔化情況,每一焊層都要認真清理焊渣。封底焊渣應徹底清除,自動焊要注意防止焊偏。

3 咬邊

焊縫邊緣留下的凹陷,稱為咬邊。產生咬邊的原因是由于焊接電流過大、運條速度快、電弧拉得太長或焊接角度不當等。自動焊的焊接速度過快或焊機軌道不平等原因,都會造成焊件被熔化去一定深度,而填充金屬又未能及時填滿而造成咬邊。咬邊減小了母材接頭的工作截面,從而在咬邊處造成應力集中,故在重要的結構或受動載荷結構中,一般是不允許咬邊存在的,或到咬邊深度有所限制。防止產生咬邊的辦法是:選擇合適的焊接電流和運絲手法,隨時注意控制焊接角度和電弧長度;自動焊工藝參數要合適,特別要注意焊接速度不宜過高,焊機軌道要平整。

4 未焊透、未熔合

焊接時,接頭根部未完全熔透的現象,稱為未焊透;在焊件與焊縫金屬或焊縫層間有局部未熔透現象,稱為未熔合。未焊透或未熔合是一種比較嚴重的缺陷,由于未焊透或未熔合,焊縫會出現間斷或突變,焊縫強度大大降低,甚至引起裂紋。因此,在船體的重要結構部分均不允許存在未焊透、未熔合的情況。未焊透和未熔合的產生原因是焊件裝配間隙或坡口角度太小、鈍邊太厚、直徑不對、電流過小、速度太快及電弧過長等。焊件坡口表面氧化膜、油污等沒有清除干凈,或在焊接時該處流入熔渣妨礙了金屬之間的熔合或運絲手法不當,電弧偏在坡口一邊等原因,都會造成邊緣不熔合。防止未焊透或未熔合的方法是正確選取坡口尺寸,合理選用焊接電流和速度,坡口表面氧化皮和油污要清除干凈;封底焊清根要徹底,運絲擺動要適當,密切注意坡口兩側的熔合情況。

5 焊接裂紋

焊接裂紋是一種非常嚴重的缺陷。結構的破壞多從裂紋處開始,在焊接過程中要采取一切必要的措施防止出現裂紋,在焊接后要采用各種方法檢查有無裂紋。一經發現裂紋,應徹底清除,然后給予修補。

焊接裂紋有熱裂紋、冷裂紋。焊縫金屬由液態到固態的結晶過程中產生的裂紋稱為熱裂紋,其特征是焊后立即可見,且多發生在焊縫中心,沿焊縫長度方向分布。熱裂紋的裂口多數貫穿表面,呈現氧化色彩,裂紋末端略呈圓形。產生熱裂紋的原因是焊接熔池中存有低熔點雜質(如FeS等)。雙絲焊采用氣體保護,該裂紋不會產生。

焊縫金屬在冷卻過程或冷卻以后,在母材或母材與焊縫交界的熔合線上產生的裂紋稱為冷裂紋。這類裂紋有可能在焊后立即出現,也有可能在焊后幾小時、幾天甚至更長時間才出現。冷裂紋產生的主要原因為:在焊接熱循環的作用下,熱影響區生成了淬硬組織;焊縫中存在有過量的擴散氫,且具有濃集的條件;接頭承受有較大的拘束應力。防止產生冷裂紋的措施有:選用低氫型焊條,減少焊縫中擴散氫的含量;嚴格遵守焊接材料的保管、烘焙、使用制度,謹防受潮;仔細清理坡口邊緣的油污、水份和銹跡,減少氫的來源;根據材料等級、碳當量、構件厚度、施焊環境等,選擇合理的焊接工藝參數和線能量,如焊前預熱、焊后緩冷,采取多層多道焊接,控制一定的層間溫度等;緊急后熱處理,以去氫、消除內應力和淬硬組織回火,改善接頭韌性;采用合理的施焊程序,采用分段退焊法等,以減少焊接應力。

6 其他缺陷

焊接中還常見到一些焊瘤、弧坑及焊縫外形尺寸和形狀上的缺陷。產生焊瘤的主要原因是運條不均,造成熔池溫度過高,液態金屬凝固緩慢下墜,因而在焊縫表面形成金屬瘤。立、仰焊時,采用過大的焊接電流和弧長,也有可能出現焊瘤。產生弧坑的原因是熄弧時間過短,或焊接突然中斷,或焊接薄板時電流過大等。焊縫表面存在焊瘤影響美觀,并易造成表面夾渣;弧坑常伴有裂紋和氣孔,嚴重削弱焊接強度。防止產生焊瘤的主要措施嚴格控制熔池溫度,立、仰焊時,焊接電流應比平焊小10-15%。防止產生弧坑的主要措施是采用合理的焊接參數。

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