自動橫向埋弧焊的探索和研究

■ 許立新，張翼飛，王錢浦，朱慶

1. 概述

中國經濟發展遇到了一個好的時代，中國造船也同樣遇到了一個嶄新的時代。目前，科技高速發展，制造業智能化、自動化發展迅速，而反觀造船過程，目前還是大量采用手工焊和CO2半自動焊進行船體焊接，遠遠不能滿足中國造船的發展趨勢。以勞動密集型和資金密集型的方式進行生產的船體，根本不能滿足時代發展的需求。而船體大量橫向焊縫的焊接，依靠CO2半自動手工焊，已經適應不了船舶建造的要求。因此，我們進行自動橫向埋弧焊的工藝探索和研究，將其應用于船體焊接，從而以高效、自動的焊接方法和優質的產品質量滿足生產和時代發展的需求。

2. 自動橫向埋弧焊機的現狀及優勢

自動橫向埋弧焊機是一種自動化的焊接設備，是由CO2自動全位置焊接小車演變而來，具有埋弧焊不怕風、無弧光、綠色環保的優點，電弧穩定，整條焊縫的焊接一氣呵成，沒有手工焊的大量接頭，成形美觀，填充金屬熔敷率高，能夠確保焊接參數的準確率，保證產品質量及客戶要求的實現。自動橫向埋弧焊設備可以拆卸，設備輕便、靈活，操作人員只需經過短期的培訓，有埋弧焊操作證就能操作焊機進行焊接，持證上崗就能滿足船級社要求，在船體建造中能夠得到廣泛的應用。

（1）第一代自動橫向埋弧焊機 是一種大型的自動化專機，在石油儲罐、反應鍋爐、壓力容器的制造企業得到廣泛應用，使用范圍廣（見圖1）。可用于10~40mm（單側坡口）不同等級和使用要求的各類材料（能適應埋弧焊工藝的各類材料）。對氣候和環境要求低，適應野外作業，抗風能力強（CO2焊接風速要求＜2m/s）。與CO2焊接工藝相比，焊接效率高。一名焊工采用CO2焊完成板厚20mm，長度為12m的橫對接焊縫的時間大約為6h，采用自動橫向埋弧焊的時間約為4h，同時降低了對焊縫間隙的要求（間隙0~3mm）。由于是機械操作，大大降低了人為因素對焊縫質量的影響，所以焊接內外質量都明顯提高，降低了勞動強度，改善了作業環境。但設備尺寸比較大（由設備操作架、送絲機構和焊劑托帶組成），調運和行走都不太適合在船上運用。

（2）第二代埋弧焊機 國內有一些橫向埋弧焊機的生產廠家，它們的機械結構整體較重，并且在軌道上行走，硬質軌道與軌道銜接處很難做到平滑過渡，船體外板帶有一定的弧度則無法進行焊接，另外鋪設軌道的時間較長，在軌道接頭處容易造成焊接缺陷。第二代橫向埋弧焊機現場使用如圖2所示。焊縫成形情況如圖3所示。

（3）第三代自動橫向埋弧焊機 該焊機是在全位置焊接小車的基礎上進行的改進，有軟硬兩種軌道的配置，軌道只起到導向的作用，車體吸附在船體鋼板上，克服了因船體線形變化而引起的焊縫線形的變化，可廣泛應用于各種船體的橫向焊縫（見圖4）。焊縫成形情況如圖5所示。

圖1 第一代埋弧焊機

圖2 第二代橫向埋弧焊機現場使用

圖3 焊縫成形情況

第三代自動橫向埋弧焊機主要有以下優點：①機器的安裝輕巧方便，可以靈活拆裝，由一輛全位置焊接小車加上焊劑料斗部件、焊劑回收裝置組成。拆除焊劑回收裝置，CO2焊和埋弧焊可以相互轉換。如果間隙過大，可以擺動CO2實芯焊絲打底，埋弧焊填充蓋面。②采用鋰電池供電，沒有電源線，可以排除電源線對焊接區域的限制。同時排除了使用電源線產生的高電壓在安全上的影響。③配置實時數字顯示面板，實時控制電弧電壓、焊接電流等焊接參數。④整車設置磁鐵及磁吸附離合手柄，安裝、調整位置及時到位。

3. 應用難點與改進方法

通過以上三種自動橫向埋弧焊機的比較，我們通過不斷的創新改進并實踐，發現全位置焊接小車+送收藥粉回收裝置為最理想的方案之一，為在自動橫向埋弧焊機船體建造中的成功應用奠定了良好的基礎。

圖4 第三代橫向埋弧焊機基本結構

圖5 焊縫成形情況

（1）送收藥粉裝置的改進 第一步，送收藥粉裝置是一個與全位置焊接小車同步的裝置，因此是一個同步控制器控制的一個整體，由焊接小車控制行走速度，橡膠托粉帶與船體之間通過橡膠的彈性進行貼合，當船體有一定線形時，可以通過橡膠的彈性，保證與船體之間緊密貼合，減少漏藥粉的情況產生。

（2）數字顯示面板的安裝 自動橫向埋弧焊機，安裝數字顯示面板，能夠及時的反應實時的焊接電流、電弧電壓，使埋弧焊能夠滿足焊接參數的要求，確保焊接質量

（3）改進成應用靈活的焊接方式 船體建造過程中，橫對接線形比較復雜，當板縫間隙＞3mm時，可關閉藥粉回收裝置，打開CO2氣體裝置，利用φ1.6mm實芯焊絲打底，確保背面成形良好，然后打開藥粉回收裝置，關閉CO2氣體，接入壓縮空氣，進行埋弧焊進行填充及蓋面。當板厚較大時，可利用雙絲雙電單熔池的方式，進行填充和蓋面，可大大提高焊接效率。

（4）更適應現場的需要 自動橫向埋弧焊機，利用平特性氣體保護焊電源實現埋弧焊作業，無需添置專用的埋弧焊接電源，采用船舶制造廠家大量使用的CO2氣體保護焊機和送絲機構作為焊接電源，選擇使用φ1.4mm和φ1.6mm的實芯埋弧細焊絲實現單絲、雙絲擺動或不擺動焊接作業，優質高效、最大化發揮焊接設備的優勢。

4. 焊接工藝試驗及結果

通過大量的試驗及現場操作，采用GWL—W14H焊絲在橫向位置進行成形焊接，成形層只需要一層，使用φ1.6mm實芯焊絲，焊接時使用GXL—122焊劑進行保護，焊接參數如表1所示。對焊接試件進行力學性能測試，結果如表2所示。同時對焊接接頭進行硬度測試，測試點位置分布如圖6所示，硬度結果如表3所示。

表1 埋弧焊接參數

表2 力學試驗結果

圖6 硬度取樣分布

表3 硬度分布數據 （HV10）

5. 結語

通過對橫向埋弧焊機的不斷改進，使其使用范圍得到更大的擴展，不僅僅局限于平直區域，帶有較大線形的區域也可以使用。通過現場驗證，橫向埋弧焊機可以提高焊接自動化率，降低CO2半自動焊過程中可能產生的缺陷，提高焊接質量，減少返工作業，從而提高效率。