合龍工裝裝配焊接工藝

孫 露

(中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

目前，國內船廠在裝配焊接工藝上，尤其在分段合龍階段，主要采用焊接大量的馬板、壓馬、卡馬、定位馬等對板材的變形進行控制，然后再進行焊接。裝配焊接結束后，需要對大量的馬板、壓馬、卡馬、定位馬等進行切割，對板材表面進行打磨、補漆等工作。

使用插入式合龍工裝后，不再需要焊接大量的馬板、壓馬、卡馬、定位馬等來對板材的焊接變形進行控制，而是通過工裝進行變形控制，減少了后期大量的切割、打磨、補漆等工作[1]。插入式合龍工裝對焊接工藝要求有所提高，本文主要介紹使用工裝后的裝配焊接工藝。

1 傳統的拼板裝配定位焊工藝

定位焊是對焊件定位固定的焊接工作，傳統的拼板裝配定位焊的工藝流程為：背燒反變形→內構件按規范開刀→燒油泵馬→燒卡馬→開坡口→打磨→拆馬板→碳刨馬板→打磨。

采用傳統的拼板定位焊有以下缺點：

(1) 傳統的拼板裝配定位焊工藝需要大量的馬板，用以固定和支撐拼板，如圖1所示。制作和安裝馬板需要額外消耗鋼材、焊材和勞動力，有些船廠甚至成立了專門制作馬板的工位和班組，如圖2所示。

圖1 傳統定位焊工藝需要大量的馬板固定

圖2 船廠制作的大量馬板

(2) 傳統拼板定位焊方法將馬板在焊縫兩側固定，平均間隔250 mm需安裝1塊馬板，因擋住焊接方向，焊接接頭較多，影響了焊縫的質量。

(3) 傳統的拼板裝配定位焊工藝在焊縫焊接完成后還需去除馬板，拆除馬板需要大量的修補和打磨工作，且可能損傷母材，如圖3所示。

圖3 拼板完成后拆除馬板

2 插入式工裝裝配定位焊工藝

2.1 新裝配定位焊工藝基本原理

針對在傳統造船過程中裝配焊接工藝存在的問題，介紹一種使用新型插入式工裝的裝配定位焊工藝。由于該新型插入式工裝在國內外應用較少，本文將首先對其基本原理進行介紹。

(1) 由作業人員將工裝插入拼板焊縫中，如圖4所示。沿著焊縫長度，每隔500 mm放置1個工裝，放置間距可隨焊縫兩側鋼板高度差增大而酌情增加。

圖4 將工裝插入焊縫

(2) 作業人員通過旋緊桿將螺紋壓桿頂壓需調整的鋼板進行調平，如圖5所示，作業人員使用鋼筆尺檢驗焊縫兩端鋼板平整度。

圖5 通過螺紋壓桿進行調平

(3) 在板列調平完成后，采用CO2陶質襯墊單面焊接工藝方法，在焊縫坡口內進行定位焊，如圖6所示。

圖6 坡口定位焊

2.2 新裝配定位焊工藝適用范圍

本文介紹的新裝配定位焊工藝適用于各類船型分段/總段的裝配定位焊，包括：C/D型總段(圖7)、雙層底總段(圖8)、主甲板總段(見圖9)、舷側總段(見圖10)等，達到外板無馬腳，外板表面無損傷的效果，實現船體平面結構的快速裝配焊接，降低成本，提高裝配效率。

圖7 C/D型總段

圖8 雙層底總段

圖9 主甲板總段

圖10 舷側總段

2.3 新裝配定位焊工藝要求

新裝配定位焊工藝采用CO2陶質襯墊單面焊接工藝的方法。采用插入式工裝后，取消馬板固定，可直接在焊縫內進行定位焊(包括1道打底焊和2道填充焊，共3道焊縫)，具體工藝要求如下。

(1) 根部間隙。由于根部間隙會影響焊縫的成形，合適的間隙是保證焊縫質量的前提。通常最佳間隙范圍為4 ～8 mm，此時可獲得良好的反面焊縫成形；當根部間隙小于4 mm時，為了保證根部焊透，必定會加快焊接速度，過快的焊接速度導致焊縫過薄，在應力作用下容易開裂。

(2) 引、熄弧板。在焊縫兩端應安裝引、熄弧板，以確保兩端的焊接質量。

(3) 坡口清理。接縫兩邊20 mm范圍內(包括正反面)及正面坡口內的鐵銹油漆、飛濺物等需清理干凈，以保證襯墊能緊貼在焊件背面而不影響背面焊縫質量。對于坡口內的水分、油污等可采用氧炔焰加熱去除。

(4) 粘貼襯墊。在采用新工裝進行裝配時，一般定位焊長度為100 mm，襯墊粘貼長度約為150 mm。在襯墊安裝時，撕去鋁箔上的防粘紙，以襯墊塊的紅色中線對準焊縫中心，接著將鋁箔貼在焊件背面，一定要把鋁箔捋平，保證襯墊塊緊貼在焊件的背面，襯墊與襯墊銜接處應相互推緊無間隙。

(5) 焊接規范。新裝配定位焊工藝的焊接規范要求如表1所示。

表1 新裝配定位焊工藝的焊接規范要求

2.4 后續焊接工藝要求

定位焊后的后續焊接工藝、焊接規范基本與定位焊焊接工藝相同，只是把焊縫剩余部分全部連接。焊接時需注意以下幾點：

(1) 在打底層焊接時，每段定位焊縫間需一次焊接完成，中間不能停頓，以免接頭處產生塑孔等焊接缺陷影響焊縫質量[2]。

(2) 引弧應在打磨成斜坡狀的定位焊焊縫上，可起到預熱作用，以保證能與定位焊縫充分熔合。

(3) 收弧時焊至定位焊縫處不能立即收弧，需向后延伸20 mm左右，以免接頭處產生塑孔和弧坑裂紋。

(4) 在打底層焊接時，應根據間隙大小調整焊接速度，間隙較小時焊接速度稍快，焊絲擺動幅度減小，使整條焊縫寬度盡可能均勻。

(5) 選用合適的電弧電壓，可參照公式U=14+0.05I進行選定(其中：U為電壓；I為電流)，過高的電弧電壓和過快的焊接速度會在背面成形焊縫上產生咬邊現象。

(6) 需特別提醒和注意:在打底層焊接時，電流應嚴格控制在200 A以下。如果焊接電流過大，為了保證根部焊透，必定會加快焊接速度，造成焊道過薄，在焊接應力作用下易開裂，形成縱向裂紋。特別是在間隙較小(小于6 mm)時更應注意，間隙越小，焊速越快，焊道越薄，越容易開裂。過快的焊接速度也不利于熔池中氣體的逸出(易形成氣孔)。

2.5 新裝配定位焊工藝操作要求

(1) 新裝配定位焊工藝需2人配合，其中1人安排在分段外，負責將工裝插入焊縫中，另1人在分段內，負責將調整銷安裝到位，如圖11所示。

圖11 2位操作人員協作安裝工裝

(2) 在分段外的人員將工裝插板反態插入焊縫中，注意螺紋壓桿必須對準需頂壓的一側鋼板，如圖12所示。

圖12 螺紋壓桿對準需頂壓的一側鋼板

(3) 在分段內的人員將調整銷插入插板孔中，注意插銷的支點應在螺紋壓桿的對立方向，如圖13所示。

圖13 插銷的支點應在螺紋壓桿的對立方向

(4) 待準備工作完成后，在分段外的作業人員通過旋緊桿將螺紋壓桿頂壓需調整的鋼板，檢驗焊縫兩端鋼板平整度，如圖14所示。

圖14 檢驗焊縫兩端鋼板平整度

(5) 原則上該新裝配工裝間隔500 mm放置1個，可隨焊縫兩側鋼板高度差增大而酌情增加，如圖15所示。

圖15 新工裝沿著焊縫間距500 mm放置

(6) 襯墊安裝后，應立即開始焊接。在打底層焊接時，焊接電流應嚴格控制在200 A以下，減少襯墊的熔入量，焊接速度需根據坡口間隙調整，不能過快，以防止產生裂紋；焊縫需達到平或凸起狀態，不能使焊縫表面形成內凹。在打底層焊接時，引弧應引在坡口根部的鋼板上并略做橫向擺動，待熔池形成后再開始作前進運動。當坡口較大時，應在坡口根部兩側進行堆焊，待坡口間隙達到要求時再進行正常焊接[3]。在焊接中，應適當地進行手勢擺動，兩根趾處略作停頓，以確保焊縫背面成形良好。打底層定位焊接如圖16所示。

圖16 打底層定位焊接示例

(7) 當板厚≤20 mm時，只進行1道填充層即可；當板厚>20 mm時，填充層需焊2道以防止定位焊縫產生裂紋。對結構拘束度大的焊縫，在打底焊完成后，接著完成第2層焊縫，不允許打底焊后放置較長時間再焊，以免引起焊縫的縱向裂縫。

定位焊的長度為100 mm，打底層長度為100 mm,第1道填充層長度為80～90 mm,第2道填充層長度為70～80 mm，每道逐漸縮短約10 mm，以便將定位焊焊縫兩端打磨成斜坡，利于后續焊縫焊接時獲得良好的接頭質量。圖17為3層定位焊示例。

圖17 3層定位焊示例

(8) 定位焊其他需注意事項。因為該定位焊縫直接作為正式焊縫的一部分，所以焊接定位焊縫的人員需持有相對應的焊工上崗證書。對定位焊縫質量要求與正式焊縫相同，發現有裂紋、氣孔、夾渣和未焊透等缺陷應予以清除并重新焊接。定位焊采用與正式焊縫相同的焊接材料和焊絲直徑，因母材溫度較低，焊接電流可適當偏大。如果正式焊縫的母材需預熱，則定位焊縫的預熱要求與正式焊縫相同。在保證焊件不離散的條件下，定位焊縫尺寸盡可能控制得小，以免妨礙正式焊接工作。定位焊縫在焊件上的位置一定要避免在焊縫交叉點上(需距丁字型或十字型接頭交叉點60 mm以上)，否則會影響相交焊縫的質量和結構的工作狀態。

3 經濟效益分析

船廠的焊接馬板一般由工廠余料切割加工而成，馬板使用后需切割焊接固定面，以保證平整。插入式工裝為螺桿固定，可循環使用，一般情況下無需保養，因此工裝成本約為馬板成本的1/4。

采用插入式工裝可快速完成焊縫調平固定作業，焊接后也無需對焊件表面進行打磨、補漆處理，節省大量工人工作量，人工成本約為采用焊接馬板作業成本的1/4。

以18萬 t油船為例，總合龍縫長度為21 931 m，肋骨間距為0.65 m，該船可分為33 740段肋距。在一般情況下，每段肋骨間距需要5塊起馬板、5塊卡馬板，共需要馬板337 400塊。

全船共節省約450萬元。每米合龍縫可節約費用為4 500 000 元/21 931 米=205元/米，如表2所示。

表2 新工裝工藝經濟效益分析

4 結 語

船廠通過使用該類插入式合龍工裝輔助焊接作業，裝配工序減少，大幅縮短裝配時間，對焊接母材影響小，較大地提高生產效率，同時降低生產成本，不過也存在焊接作業不規范導致的塑孔等焊接缺陷問題，需進一步結合生產實際情況，繼續對合龍工裝的裝配焊接工藝進行研究，不斷優化工藝和工裝。