薄板拼板焊接工藝研究

唐鑫 陳憲剛

【摘 要】薄板焊接一直以來都是船舶建造中的難點，研究薄板焊接工藝有利于提高船舶建造的質量。本文通過實際生產中對不同類型的焊接設備的使用，采用設計、試驗和檢驗等方法，摸索出一套完整的薄板焊接工藝，對船舶建造有較好的指導意義。

【關鍵詞】船舶建造；薄板焊接；工藝指導

中圖分類號： TP391.9；U671 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）05-0171-002

【Abstract】Thin plate welding has always been a difficult point in shipbuilding. Studying thin plate welding process is beneficial to improving the quality of shipbuilding. This article through the use of different types of welding equipment in actual production， the use of design， testing and inspection and other methods， find out a complete set of thin plate welding process， has a good guiding significance for shipbuilding.

【Key words】Shipbuilding； Thin plate welding； Process guidance

0 引言

許多產品由于要考慮產品重量會影響產品的性能和使用，需要采用輕體薄壁材料，在船舶建造過程中，薄板焊接是一項重要的工作，并且我國在建造大型水面船舶時，出于對船舶自身的重量考慮，普遍涉及薄板焊接，現在薄板已經廣泛應用于船體各個部位，如船殼材料、上層建筑、橋樓結構等，但是薄板在焊接過程中會出現拼板焊接變形和焊縫表面缺陷等諸多問題，因此研究薄板焊接工藝有主要意義。經過研究，采用薄板雙面埋弧自動焊的方法可以提高生產效率和焊接質量，滿足工廠造船生產發展的需要[1]。

1 研究背景和意義

1.1 研究背景

隨著現代造船領域采用的薄板材料越來越多，焊接技術工藝要求顯著增加，特別是對研發的新產品、新材料焊接工藝性能的掌握不足，加上薄板復雜的焊接工藝，此工藝研發結果的成敗將會影響產品建造周期和焊接質量，這樣必將影響船舶建造計劃的完成。為了產品順利建造，在無壓力架設備裝置的情況下提高薄板焊接質量以及焊后的自由恢復，并完善焊接工藝，為滿足薄板焊接工藝規范標準的實施，在船舶制造方面大力對薄板焊接工藝的推廣及應用勢在必行。

1.2 研究意義

研究本工藝是企業發展的需要，同時符合國家科技研發方向。隨著我國造船業的快速化發展，高科技領域造船，最新焊接技術等一些先進造船理念的提出，對船舶制造企業在造船周期和質量上都有很嚴格的要求，為此，企業必須具備很強的應變能力和先進技術的開發能力[2]。

研究本工藝符合先進制造技術理念。在保證并考慮提高焊縫質量的基礎上，按照薄板的焊接特性編制合理的焊接工藝并有效地控制焊縫強度和焊接變形，并綜合考慮改善其獲得線性光順、焊接質量合格、美觀焊縫的成型。對提高產品的壽命、降低維護費用及維修時間，為減少焊接表面缺陷、焊接變形的產生實施奠定基礎，符合現代造船先進制造理念。

2 研究內容

2.1 重點與開發內容

該研究通過自主研發的自有技術，通過對不同類型的焊接設備的使用，在無壓力架設備裝置的情況下通過設計，試驗，檢驗等，得出一套完成的自有的薄板制造工藝指導生產，并逐漸形成自有操作規程。研究目的是使該產品的焊接減少變形，外觀具有良好的平整度，對提高產品的整體美觀極為重要。

在焊接過程中，由于焊接熱源和焊接熱循環的作用，使焊件受熱不均勻，有先焊和后焊之分，焊縫全長加熱時間不一致，因此金屬各部分受熱使的膨脹與冷卻使收縮也不同，先焊部分先冷卻，后焊部分后冷切，先冷切部分又限制后冷切部分的橫向收縮，這種相互之間的限制和反限制，就在焊件中產生了應力和變形.焊接變形將引起甲板失穩以及艙壁、外板的凹凸變形，使船體結構強度降低。焊接殘余應力對焊接結構的脆斷、應力腐蝕開裂都有很大的影響。

影響焊接變形的因素有很多，如施焊方法和焊接工藝參數，焊縫長度及其截面積，焊接熱輸入，裝配和焊接程序等。綜上所述影響薄板焊接變形的因素時多方面的，現在從實際工藝生產角度，主要從控制焊接熱輸入及焊接工藝參數入手進行試驗，在焊接過程中不可避免的產生缺陷。

CO2氣體保護焊一般采用φ1.2mm的盤式焊絲；埋弧焊一般采用φ2.4mm的盤式焊絲。焊絲材料可選用：GB-E501T-1、GB-H08A/ CHF431或CHF301。上述焊材與規格僅供本研究參考選用。

2.2 薄板焊接主要設備

埋弧焊設備：可選用630E埋弧焊機；CO2氣體保護焊設備：可選用350A CO2焊機和自動化氣保焊車（自動焊接小車）以及氣體流量計、氣瓶等。

2.3 薄板焊接工藝—雙面埋弧自動焊

（1）首先鋼板切割完后使用三芯滾校正，然后吊裝在拼板的胎架上，防止鋼板向下凹陷。

（2）埋弧焊拼板需將薄板拼在拼板的胎架上，注意整塊鋼板必須落在胎架模板條上，整個焊接過程必須使用壓鐵將其固定。板兩側用直角馬板固定，并且每個直角馬板間隔200mm左右，焊縫的兩側全部加上長的壓條，壓條長度不少于板長，拼板的四角最好再加上箱型壓鐵。

（3）板的間隙最好控制在0.5mm-1.0mm以內，因為填充材料越多，焊接變形越大。坡口邊緣要整齊，接口處上下錯邊應不大于板厚的1/3，以減少變形。

（4）拼板對接裝配時，定位焊長度30mm，間距150～200mm。拼板兩端應安裝引弧板和熄弧板，規格為不小于100×100 mm，厚度與被焊板材一致，焊接時引弧和熄弧板上的焊縫長度<50mm。

（5）埋弧自動焊焊劑領用前必須經過適當溫度和時間的烘焙，其中CHF301屬硅鈣型中型燒結焊劑，在使用前須經300-350°烘焙1-2小時。CHF431是熔煉型高錳高硅低氟焊劑，在使用前須經200-250°左右烘焙1-2小時。

（6）焊前應進行適當的清理工作，對焊縫部位及焊縫周圍30mm范圍的油污、水、銹等贓物，采用鋼絲刷或砂輪打磨進行清理。必須磨出金屬光澤，必要時需采用氧—乙炔炬火焰烘烤焊接部位，以燒掉工件表面的污垢和油漆，并烘干水分。

（7）焊完第一面，板縫兩邊稍待冷卻平復，吊開壓鐵翻身，注意板片外緣須落在胎架模板條上，再吊上壓鐵于焊縫兩側。

焊接工藝參數如下：

埋弧焊第一道：焊絲直徑φ2.4mm、電流280-300A、電壓24-28V、焊接速度28-30m/h；

埋弧焊第二道：焊絲直徑φ2.4mm、電流320-340A、電壓28-30V、焊接速度36-40m/h。

2.4 工藝要點控制

通過模擬試驗對工裝、夾具改進；縮短拼板胎架間距，埋弧焊拼板需將薄板拼在拼板的胎架上，注意整塊鋼板必須落在胎架模板條上，整個焊接過程必須使用壓鐵將其固定，焊縫的兩側全部加上長的壓條。片體制作時板片四周須落在胎架模板條上，如有落空須加強胎架。板片四周加壓碼固定，注意必須先裝結構后加壓碼。板片的四角最好再加上箱型壓鐵板兩側用直角馬板壓鐵固定，并且每個直角馬板壓鐵間隔200mm左右。

2.5 埋弧焊焊接主要缺陷的解決對策

（1）第一面采用埋弧焊焊接時易產生了大量的焊縫表面氣孔。

原因分析如下：4-7mm薄板埋弧焊，由于埋弧焊在焊接薄板時速度比較快，電弧功率小，對氣孔的敏感性甚為強烈，其電弧能量小，冷切速度塊，金屬的熔化-結晶時間很短，弧氛中的的攪拌作用減弱，在熔池中某些氣體就沒有充分時間溢出，鐵銹、油、水分等若干存在于焊接端面，在焊接過程中熔池的底部就會使氣體猛烈析出，由于焊接過程很短部分氣泡來不及浮到表面，就會在焊縫中產生氣孔，焊接過程中保護不良，有較多的空氣浸入熔池從而形成氣孔。

解決措施：根據現場分析多數情況氣孔是成堆出現，結合拍片和對比氣孔的形狀發現氫氣孔是少數，更多的是成蜂窩狀的氮氣孔。因為第一面采用的是CHF431焊劑。然而CHF431顆粒度是8-40目，顆粒度比較大，焊接過程中保護不好，有較多的空氣浸入熔池，從而形成氣孔。后來第一面采用CHF301焊劑，顆粒度為10-60目，氣孔問題得到良好的解決。

（2）焊縫表面成形有斑點問題。

分析原因：這個主要是因為焊接區未清理干凈，焊劑和工件潮濕，焊接過程中焊劑鋪附過厚。焊劑堆散高度太薄或太厚都會在焊縫表面引起斑點、凹坑并改變焊道形狀。按照焊絲直徑和所使用的焊接電流值，焊劑層的堆散高度通常在25-40mm范圍內。

措施：加強焊前清理，烘干焊劑和工件，將焊劑鋪覆高度降低到40mm一下。

2.6 工藝方案總結

工藝方案能在沒有壓力架的條件下有效控制薄板焊接的變形，能為企業節約成本較多成本。雙面使用埋弧焊不但提高了工廠的生產效率較少了火工矯正，而且還獲得了內部質量良好，外部成形美觀的焊縫。為現代船舶建造質量奠定良好的基礎，也為以后的薄板拼板焊接提供了一個規范。

3 風險分析

風險主要包括市場風險、資源風險、技術風險、工程風險、資金風險、外部協作風險、社會風險和其它風險等。本研究的技術來自主研發，技術風險較小；涉及的到資源，材料為公司生產必需品，設備工程為常規性項目，并只有簡單的工裝制作項目，因此，其市場風險和資源風險較小，本研究跟隨企業工程開展同步進行，在研究支持上有保障，風險較小；外部協作較少，社會風險和其他風險較小；并具有明顯的產業資源的優勢，和人力資源優勢和成本優勢。

因此進行本研究的風險較小。

4 總結

針對聯合工廠拼板焊接變形和焊縫表面缺陷等現場實際狀況，提出了關于“薄板拼板焊接工藝研究”課題。工藝方案能在沒有壓力架的條件下有效控制薄板焊接的變形，節約造船成本。經過研究，采用雙面使用埋弧焊不但提高了工廠的生產效率較少了火工矯正，而且還獲得了內部質量良好，外部成形美觀的焊縫。為現代船舶建造質量奠定良好的基礎，也為以后的薄板拼板焊接提供了一個參考。

【參考文獻】

[1]石子.薄板焊接技術[M].金屬加工（熱加工）雜志編輯部，1986.

[2]曹雷.艦船建造工藝[M].海潮出版社，2003.