螺柱焊在船舶焊接卡馬中的應(yīng)用

張宏建，夏文亞 ， 何 源

（1.廣東新中國船廠有限公司；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510775，廣州 510310）

1 前言

船舶建造過程中，板材或型材在進(jìn)行對接焊前，需要沿焊縫方向安裝定位卡馬（見圖1），以達(dá)到控制焊接變形、保證焊接質(zhì)量的目的。各船廠一直以來的做法是：用鋼材切割成長條型馬，垂直于焊縫安裝，卡馬在焊縫兩側(cè)與所焊板材或型材焊接固定。隨著單面焊雙面成型技術(shù)的發(fā)展，如陶瓷襯墊焊的使用越來越普遍，相比雙面焊接的方式其產(chǎn)生的角變形更大，因此對焊接卡馬的依賴程度更高。

一般中、小型船舶的船臺搭載需要使用1 000～3 000個(gè)卡馬，大型船舶則使用更多的卡馬。大量的焊接卡馬拆除后留下了大量的馬腳，需要火焰切割、碳刨、打磨和補(bǔ)焊處理，由此給船廠帶來了大量的批補(bǔ)磨工作。另一方面，普通焊接卡馬拆除后對船體母材造成一定程度的損傷，對板材油漆造成大面積的破壞，并且普通焊接卡馬使用完后重復(fù)利用程度低，造成材料的浪費(fèi)。

圖1 普通焊接卡馬

2 螺柱焊焊接工藝

螺柱焊是將螺柱一端與板材表面接觸，首先在焊接螺柱和母材之間引弧，待接觸面熔化后對螺柱施加一定壓力，將螺柱端浸入熔池，并將液態(tài)金屬部分?jǐn)D出接頭，形成再結(jié)晶的塑性連接或再結(jié)晶和重結(jié)晶混合連接接頭的焊接的方法。由于螺柱焊焊接時(shí)間短、焊接強(qiáng)度高、焊接能量集中、操作方便、焊接效率高及母材熱損傷小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路、鋼結(jié)構(gòu)建筑、造船等行業(yè)。按照操作方法的不同，將螺柱焊分為電容儲能式和拉弧式螺柱焊。

將螺柱焊應(yīng)用于焊接卡馬，為達(dá)到較深的熔池、足夠的焊接強(qiáng)度，須采用拉弧式螺柱焊機(jī)。拉弧式螺柱焊機(jī)采用整流器或變流器供電，為了使焊接過程穩(wěn)定，要求電源為直流下降特性，具有良好的動(dòng)特性。其空載電壓在70～100 V之間，最大焊接電流可達(dá)3 000 A。焊接時(shí)，將螺柱通過焊槍直接焊接在母材上。在焊接過程中，不需要填充料，是一種焊接工藝簡單、焊接牢固度好、焊接成本低、焊接效率高的焊接方式。

拉弧式螺柱焊機(jī)其焊接時(shí)間在200 ms以上，焊接熔深一般大于0.3 mm，且在已焊接的螺柱周圍形成比較有規(guī)則的焊縫成型，大大增加了焊接強(qiáng)度。其可焊螺柱2～30 mm直徑，對板材表面的質(zhì)量要求較低，有鍍層、油污、銹蝕、底漆等都不影響焊接。

拉弧式螺柱焊焊接過程見圖2。

（1）將焊接螺柱插入焊槍的夾頭中，配上瓷環(huán)，抵在工件的焊接位置a）；（2）焊接開始時(shí)，提升焊接螺柱，先導(dǎo)電流在焊接螺柱和工件之間激發(fā)出電弧b）；（3）在焊接螺柱和工件之間觸發(fā)主電弧c），螺柱和焊接母材表面熔化；（4）焊接螺柱被提升到最高點(diǎn)后，開始回落并插入熔池，焊接電流隨即終止d）；最后完成情況見e）。

圖2 陶瓷環(huán)保護(hù)拉弧式螺柱焊焊接過程

3 螺柱式焊接卡馬

3.1 螺柱式焊接卡馬形式

國外一些先進(jìn)船廠使用了一種新型焊接卡馬——螺柱式焊接卡馬，如圖3所示。該種卡馬使用螺柱進(jìn)行固定，通過拉弧式螺柱焊將螺柱焊接在板材焊縫的兩側(cè)，用螺母緊固卡馬，從而達(dá)到替代傳統(tǒng)電弧焊式焊接卡馬的目的。

螺柱式焊接卡馬使用鋁材或鋼材通過鑄造或沖壓成型。為了減輕重量，其內(nèi)部鏤空，并在螺柱的安裝位置開孔，同時(shí)在卡馬的一側(cè)開有過焊孔，螺柱穿過孔的位置和數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況確定，如圖4所示。參照普通焊接卡馬，整個(gè)卡馬的長度一般在300～1 000 mm之間。

圖3 國外某船廠螺柱式焊接卡馬

圖4 螺柱式焊接卡馬

3.2 專用螺柱與瓷環(huán)

螺柱為低碳鋼材質(zhì)，其前端需要鑲嵌小鋁球用于焊接時(shí)的引弧。為滿足焊接卡馬的使用強(qiáng)度要求，根據(jù)船體結(jié)構(gòu)板厚，應(yīng)使用M10以上螺柱。螺柱焊焊接時(shí)，由于溶池較深，氣體保護(hù)對溶池的塑形能力較差，并且較易受到電弧偏吹影響，因此在焊接M12以上螺柱時(shí)，需要采用瓷環(huán)保護(hù)焊接，螺柱與瓷環(huán)的安裝方式如圖5所示。

圖5 螺柱與瓷環(huán)的連接示意圖

3.3 螺柱式焊接卡馬優(yōu)點(diǎn)

螺柱式焊接卡馬與普通的焊接卡馬相比，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）螺柱式卡馬改變了普通卡馬的安裝和拆除方式，采用螺栓緊固，安裝便捷，也節(jié)約了普通焊接卡馬工裝材料；

（2）螺柱式卡馬焊接操作使用專用的螺柱式焊機(jī)，操作簡單，不需要專門焊工操作，一般裝配工即可操作；

（3）螺柱式卡馬的焊接量少，切割后僅留下數(shù)個(gè)圓形焊點(diǎn)，手尾打磨補(bǔ)焊工時(shí)減少，且保證了母材表面的質(zhì)量；

（4）對外板油漆破壞少，減少了后期涂裝打磨、油漆的工作量；

（5）應(yīng)用專用的陶瓷保護(hù)環(huán)保證焊縫成型和滅弧，操作人員可在無防護(hù)面罩等保護(hù)的情況下進(jìn)行焊接工作，焊接時(shí)只有微量煙塵，不需要防弧光，工人施工環(huán)境得到改善；

（6）螺柱式卡馬與外板不直接焊接，安裝、拆除后不會損壞卡馬，能夠長期重復(fù)利用。

4 實(shí)船應(yīng)用

為檢驗(yàn)螺柱式焊接卡馬在實(shí)船施工中的使用效果，我們選取了兩家船廠兩個(gè)不同船型的分段合攏進(jìn)行試驗(yàn)比較，分別是黃埔船廠的3 000 t海監(jiān)船及南沙新船重工的40 m拖輪分段制作和船臺搭載施工，采用螺柱式焊接卡馬替代普通焊接卡馬，均取得良好效果。

其安裝的主要工藝流程如下：現(xiàn)場根據(jù)螺柱式焊接卡馬不同的長度規(guī)格，確定專用螺柱的安裝位置，安裝位置有面漆的，打磨螺柱安裝位置直徑范圍30～50 mm內(nèi)的油漆，然后進(jìn)行螺柱焊焊接；焊接時(shí)確保焊槍和母材垂直，檢查焊釘安裝位置是否牢固，對于焊釘焊接歪斜或者不牢固的，拆卸下來重新進(jìn)行焊釘?shù)陌惭b，之后進(jìn)行螺柱式焊接卡馬的安裝，使用螺母和墊片緊固。通過螺母的上緊，調(diào)節(jié)對接縫邊緣的錯(cuò)變量。

螺柱式焊接卡馬和普通焊接卡馬拆除后，母材表面的質(zhì)量對比差距明顯，普通焊接卡馬批補(bǔ)磨工作量大，如圖6所示。

5 綜合成本分析

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在工效和成本方面，對普通卡馬和螺柱式卡馬的裝配效率、焊接效率、拆除打磨補(bǔ)焊效率以及卡馬成本、焊材成本、裝配工時(shí)、打磨補(bǔ)焊工時(shí)等進(jìn)行對比分析，得到如表1的數(shù)據(jù)。

圖6 螺柱式卡馬和普通卡馬拆除后母材表面質(zhì)量對比

表1 普通卡馬和螺柱式卡馬的綜合成本對比

從表1可以看出，螺柱式卡馬相比普遍焊接卡馬，使用成本相當(dāng)，但工效提高了約1倍。工效的提高節(jié)縮短了船舶建造船臺占用的總周期，從而節(jié)省了船臺費(fèi)用。

6 結(jié)束語

螺柱焊應(yīng)用于焊接卡馬，充分利用了其焊接時(shí)間短、焊接痕跡小、焊接強(qiáng)度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，并顯著減少了卡馬的拆除和批補(bǔ)磨工作量，具有較好的推廣價(jià)值。結(jié)合船廠實(shí)際需求，開發(fā)輔助的工裝工具，將螺柱焊的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)展，如船體裝配定位、船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、舾裝件安裝等，實(shí)現(xiàn)造船降本增效，是現(xiàn)階段具有研究價(jià)值的新課題。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.