海洋工程結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)

趙為松

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 前言

海洋工程結(jié)構(gòu)工作環(huán)境比較惡劣，結(jié)構(gòu)設(shè)計不同于普通鋼結(jié)構(gòu)。正確、合理地選材能夠保證海洋鋼結(jié)構(gòu)的性能、壽命、使用安全和經(jīng)濟性。選材上必須滿足海洋工程對鋼材的特殊要求。海洋鋼結(jié)構(gòu)對焊縫綜合機械性能要求比較高，要求母材必須具有良好的可焊性，并滿足Z向性能、塑性疲勞和低溫韌性等特殊性能要求。采用自動化焊接技術(shù)能明顯提高海洋結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量。

1 海洋工程結(jié)構(gòu)焊接

海洋工程結(jié)構(gòu)焊接加工設(shè)計執(zhí)行國際通用焊接標準，通常包括鋼結(jié)構(gòu)標準、海底管道標準、工藝管線標準以及壓力容器標準，對焊接材料選擇、焊接方法、焊接工藝、焊接工藝評定、焊工和焊接操作者資格、現(xiàn)場焊接施工管理和焊接檢驗等各方面都做了相應(yīng)的嚴格規(guī)定。

1.1 海洋工程結(jié)構(gòu)焊接特點和要求

海洋工程結(jié)構(gòu)焊接的特點主要包括以下幾點：

（1）焊接材料的選擇。考慮到焊接冷裂縫和熱影響區(qū)的韌性，一般焊條多采用低氫型和超低氫型堿性焊條。

（2）為了保證焊縫韌性、疲勞壽命和抗脆斷性，焊接工藝參數(shù)設(shè)置一定要適中。

（3）對于中厚板和厚的結(jié)構(gòu)件，焊接前一定要預(yù)熱，以防止在焊接時發(fā)生裂紋。

（4）重要部件和部位焊接后應(yīng)進行熱處理或局部熱處理。

（5）承受交變應(yīng)力的角焊縫需要熔修，以修整焊縫和消除表面缺陷，減少應(yīng)力集中，提高焊縫的疲勞壽命。

海洋工程結(jié)構(gòu)工作特殊，對焊縫的要求很高，主要包括余高、包角、焊趾過渡、焊縫設(shè)計形式、全焊透焊縫焊接注意事項和焊接順序。余高對焊縫起到增加強度的作用，通常控制在3～5 mm，余高過高會造成焊縫橫向不連續(xù)，在焊趾處容易引起應(yīng)力集中等缺陷。包角是焊接過程中必須考慮的問題，一條焊縫是否焊接完成主要看包角包得是否完美。包角會給焊縫質(zhì)量留下隱患，通常包角會有氣孔、夾渣和未熔合等缺陷，可能引起焊縫從包角處出現(xiàn)裂紋從而進行擴散，造成焊縫斷裂。焊趾是焊縫與母材的連接部位，此處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)對焊趾進行處理，一般打磨過渡，也可以用TIG熔修等。對于海工結(jié)構(gòu)中厚板、強度等級高的板材，由于受力較大，現(xiàn)在的全焊透焊縫容易引起缺陷，UT合格率下降，主要原因是坡口形式不合理、焊工操作不當、反面清根不徹底以及碳刨坡口形式不合理造成的。

1.2 自動化焊接的優(yōu)點

焊接自動化的關(guān)鍵是使用自動控制裝置和機械裝置來實現(xiàn)焊接作業(yè)的方法，通過精確的自動控制和準確的機械動作來確保持續(xù)的穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，減輕工人的勞動強度、提高生產(chǎn)率、降低成本。

2 自動化焊接設(shè)備在海洋工程結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，我國海洋工程焊接常用的焊接方法有焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、藥芯焊絲氣體保護焊、埋弧焊等。特別是重要結(jié)構(gòu)，常采用埋弧焊、氣電立焊、等離子焊、激光焊接、焊接機器人和船舶焊接自動流水線來進行焊接。在此主要介紹焊接機器人的應(yīng)用。

焊接機器人是使用全自動的機器人化的微型面板焊接工作站。操作員只需將板料裝入輸入輸送機的盒子，工作站便會自動將其拾起、定位、焊接。

視覺系統(tǒng)的最大特點是用戶使用方便和工件編程快。一個8 h焊接任務(wù)的編程僅需要30 min，而焊前準備僅需5 min。從單程操作來看，一個視覺機器人大約可進行160 m的角焊和立焊。

對于海洋工程結(jié)構(gòu)的焊接，突出的問題就是焊接變形和應(yīng)力。變形和應(yīng)力不僅會影響尺寸精度，還影響結(jié)構(gòu)的強度、疲勞壽命、安全可靠性。殼體縱縫的結(jié)構(gòu)如圖1所示。材質(zhì)為Q235-B，焊條電弧焊在外側(cè)定位，尺寸50/150，焊接順序為焊條電弧焊先焊內(nèi)縫，外側(cè)清根后焊接。

圖1 殼體縱縫的結(jié)構(gòu)

主要檢驗方法：（1）外觀檢測。（2）大于等于20%射線探傷，按JB/T4730.2Ⅲ級要求。

法蘭與接管焊接的結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用焊條電弧焊定位3～6點，焊腳高度與接管壁厚同。

圖2 法蘭與接管焊接的結(jié)構(gòu)

封頭與筒體環(huán)縫焊接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 封頭與筒體環(huán)縫焊接

（1）定位焊：先將襯環(huán)與封頭組裝定位，然后將襯環(huán)與筒體組裝定位。定位焊50/150，焊腳高度3 mm。

（2）采用焊條電弧焊焊接，φ3.2焊條打底，用φ4.0焊條進行焊接。

焊接方法、焊接電流、焊接電壓、焊接速度以及焊接材料的選擇主要根據(jù)以下幾點。

（1）熔深與焊接電流成正比。

（2）電弧電流和電壓增大，焊縫熔寬增加。

（3）焊絲直徑與電弧斑點漂移范圍成正比。

該產(chǎn)品主要焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

3 海洋工程結(jié)構(gòu)焊接新技術(shù)

（1）攪拌摩擦焊。

攪拌摩擦焊是利用摩擦生熱來進行焊接的一種技術(shù)，在焊接方法、接頭力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無法比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。

（2）激光焊接技術(shù)。

激光焊接是一種高能束焊接方法，所形成的焊縫金相組織致密、強度高，焊接熱影響區(qū)小，焊后工件變形小。

（3）激光-MIG復(fù)合焊（L-MIG復(fù)合焊）。

復(fù)合焊的特點是利用激光的高能量來提高焊接效率，MIG焊用于降低成本，提高焊縫的搭橋性能。激光產(chǎn)生的等離子體增強了MIG電弧的引燃和維持能力，使MIG電弧更穩(wěn)定。

（4）變極性等離子立焊(VPPA)。

該法采用轉(zhuǎn)移弧和變極性交流進行等離子立焊，焊接電流較大，通過小孔作用可以焊接薄板和厚板（2～25 mm）。

（5）焊接機器人。

焊接機器人是焊接自動化的革命性進步，它突破了焊接剛性自動化（按照開環(huán)控制的原理設(shè)計）的傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動化新方式。

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