螺柱焊在船舶甲板除冰加熱電纜安裝中的應(yīng)用

劉 桑，彭紅英，許 斌

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州510725）

1 前言

為滿足BV 低溫環(huán)境航行Cold DI 入級(jí)符號(hào)要求，我司建造的4 艘1 100TEU 集裝箱船的上層建筑和A、B 兩層甲板通道外門到左、右舷救生筏和救生艇區(qū)域，均需要安裝甲板除冰加熱電纜。加熱電纜是由電纜托架通過2 600 多個(gè)M8 不銹鋼緊固螺柱固定在甲板底部，保證船舶短時(shí)間能在低溫環(huán)境航行操作時(shí)甲板除冰要求。

但首制船在離交船還剩16 天時(shí)，船東不接受設(shè)計(jì)部門如圖1 所示的加熱電纜緊固螺柱安裝方法，認(rèn)為電纜托架上的螺柱不與甲板焊牢易受振動(dòng)和加熱影響導(dǎo)致螺柱松動(dòng)滑移使加熱電纜與甲板離空，并且墊板厚度影響電纜與甲板的貼合距離，兩個(gè)因素都影響到加熱除冰效果，要求拆除墊板，螺柱直接焊到甲板上。

圖1 加熱電纜緊固布置

由于緊固螺柱焊接時(shí)處于仰焊位置，如果采用傳統(tǒng)焊條電弧焊或CO2氣保焊等焊接方法需要先點(diǎn)焊固定螺柱，再進(jìn)行一圈角焊，焊后還要修磨焊角高度，并且對(duì)甲板頂部油漆造成破壞，需要重新打磨補(bǔ)漆，投入較多作業(yè)人員，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，影響交船節(jié)點(diǎn)的完成。為此，決定采用螺柱焊進(jìn)行螺柱的安裝及焊接。

2 螺柱焊基本方法

螺柱焊可分為兩種基本方法：電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊和電弧拉弧式螺柱焊。兩者在焊接時(shí)間、適用螺柱直徑、焊接電源和牢固度等方面都有差異。

2.1 電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊

使用電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊機(jī)，適合薄板和直徑為M3～8 的螺柱焊接：焊接時(shí)需先給焊機(jī)內(nèi)的儲(chǔ)能電容充電，當(dāng)螺柱尖梢與鋼板接觸扣動(dòng)焊槍上啟動(dòng)開關(guān)，儲(chǔ)能電容瞬間放電將尖梢及相連接觸點(diǎn)位置的鋼板表面熔化融合形成一個(gè)焊點(diǎn)；螺柱焊具有焊接時(shí)間短、熔深淺和融合面焊點(diǎn)小的特點(diǎn)；螺柱焊放電電壓與焊機(jī)電容量有關(guān)，放電時(shí)間只有1～15 ms，焊機(jī)焊接放電后電網(wǎng)需要對(duì)焊機(jī)電容充滿電后才能進(jìn)行下一個(gè)螺柱的焊接，焊機(jī)一般只有放電電壓一個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)。

電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊常用于上層建筑巖棉保溫釘?shù)陌惭b及焊接。船用保溫釘直徑一般為M3，材質(zhì)為碳鋼表面鍍銅，端頭有一個(gè)法蘭面，法蘭面有引弧尖梢；尖梢一般有凸臺(tái)尖和梅花尖兩種型式：凸臺(tái)尖比梅花尖起弧成功率高，操作工人容易掌握，法蘭面與鋼板融合面較大，連接強(qiáng)度相對(duì)較高，掉釘率相對(duì)較低。

2.2 電弧拉弧式螺柱焊

使用拉弧式電弧螺柱焊機(jī)，適合厚板和直徑為M3～25 的螺柱焊接：直徑越大，需要的焊接電流越大及焊接時(shí)間越長(zhǎng)，焊接時(shí)間通常為0.1～2 s；螺柱頂部一般要求加工成錐形，大直徑碳鋼螺柱還需要在頂端鉆孔打入鋁質(zhì)引弧結(jié)；因焊接接頭是螺柱全截面與鋼板焊透且螺柱周邊形成飛邊（焊角），連接強(qiáng)度遠(yuǎn)高于電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊接頭。

（1）焊接過程：

① 先將螺柱裝到焊槍螺柱夾頭內(nèi)，并在端頭套上陶瓷環(huán)，然后螺柱垂直接觸工件，如圖2 a）所示；

② 扣動(dòng)槍上焊接開關(guān)，焊槍的螺柱夾持機(jī)構(gòu)自動(dòng)提升螺柱，此時(shí)螺柱與工件之間出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒電弧，如圖2 b）所示；

③ 電弧熱熔化螺柱頂部和工件表面形成熔池，焊接結(jié)束后斷電，隨后螺柱夾持機(jī)構(gòu)壓迫螺柱下沉到工件熔池，鐵水填滿瓷環(huán)空處形成焊腳及全熔透接頭，如圖2 c）所示；

④ 焊縫凝固后，敲掉瓷環(huán)，焊接結(jié)束，如圖2 d）所示。

圖2 電弧拉弧式螺柱焊焊接過程

（2）主要工藝參數(shù)

① 焊接電流：一般按螺柱直徑50～100 倍選擇；② 焊接時(shí)間：按螺柱直徑50～150 倍選擇；

③ 伸出長(zhǎng)度：伸出長(zhǎng)度與螺柱直徑成正比，一般為2～5 mm，如圖3 所示；螺柱的伸出長(zhǎng)度實(shí)際上是螺柱的熔化長(zhǎng)度，若太短則焊釘伸不到溶池內(nèi)，造成焊角偏焊等；若太長(zhǎng)則焊釘壓入溶池過深，鐵水四處飛濺或擠滿瓷環(huán)所有縫隙，出現(xiàn)焊角不美觀、夾渣等缺陷；

④ 提升高度：提升高度反映了焊接時(shí)的電弧電壓，提升高度與螺柱直徑成正比，一般為2～7 mm，如圖3所示。

圖3 提升高度和伸出長(zhǎng)度示意圖

3 適用材料

螺柱焊的螺柱及母材，按表1 進(jìn)行選用，材質(zhì)需滿足GB/T902.3-2008《儲(chǔ)能焊用焊接螺柱》和GB/T100433-2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》要求。

表1 螺柱材料和母材匹配表

4 在除冰電纜安裝中的應(yīng)用

因交船時(shí)間緊迫，螺柱生產(chǎn)廠家建議采用M8 不銹鋼螺柱進(jìn)行電纜托架的固定。螺柱長(zhǎng)度18 mm，頂部法蘭面直徑10 mm，法蘭厚0.8 mm，法蘭凸臺(tái)尖梢直徑0.75 mm，高度0.8 mm。

船廠使用廠家提供的焊機(jī)進(jìn)行緊固螺柱試焊，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)不牢固，螺柱稍為扳動(dòng)就脫落，操作時(shí)很容易焊偏，破斷后的熔合面有較多氣孔，不能滿足電纜托架緊固要求。

4.1 螺柱脫落原因

（1）電纜托架緊固螺柱，既受電纜彎曲的張力，又受固定托架時(shí)擰緊螺母的扭力，焊點(diǎn)對(duì)抗彎抗扭能力及焊點(diǎn)牢固度要求高。廠家提供的CD132 焊機(jī)為電容儲(chǔ)能放電式焊機(jī)，理論適用螺柱直徑為M2～M8，但對(duì)于較大直徑螺柱只適用于2 mm 以下薄板，而電纜緊固螺柱是焊在母材為7 mm 的碳鋼甲板上，7 mm 甲板對(duì)船舶結(jié)構(gòu)來講屬于薄板，但對(duì)于螺柱焊來講屬于厚板，隨著厚度增加，電弧熱量流失加快，接觸點(diǎn)熔化能力下降，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)螺柱端部法蘭面大部分未熔化，在這種條件下需要焊機(jī)能夠輸出較高的焊接能量才能保證接觸點(diǎn)的熔化和融合，而電容儲(chǔ)能焊機(jī)放電時(shí)間只有1～10 ms，焊接能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這種情況需要電弧拉弧式螺柱焊機(jī)才能滿足焊接要求，其焊接周期長(zhǎng)、焊接電流穩(wěn)定。廠家忽略了母材厚度和螺柱頂部法蘭直徑的對(duì)焊機(jī)輸出能量的影響，因此推薦使用CD132電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊機(jī)，屬于選型不當(dāng)；

（2） 焊接時(shí)沒有陶瓷環(huán)保護(hù)或氣體保護(hù)，空氣侵入熔池產(chǎn)生較多焊接氣孔，減弱了螺柱焊縫有效截面；

（3）所用螺柱為帶法蘭面凸臺(tái)尖梢型式，法蘭面外沿邊容易接觸到母材形成兩個(gè)接觸起弧點(diǎn)，容易造成偏焊。

4.2 螺柱焊機(jī)選擇

（1）一般以螺柱直徑10 mm 為界，大于10 mm必須選擇電弧拉弧式螺柱焊機(jī)；

（2）直徑小于或等于10 mm，考慮牢固度要求、螺柱直徑和母材厚度三個(gè)因素來決定：牢固度要求低的，如巖棉保溫釘，可以采用電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊機(jī)；牢固度要求高的，如果母材厚度小于或等于2 mm，也可以采用電容儲(chǔ)能放電式螺柱焊機(jī)；母材厚度大于2 mm，則需要選擇電弧拉弧式螺柱焊機(jī)；

（3）螺柱直徑指的是接觸點(diǎn)處的螺柱直徑，螺柱如果有法蘭面，則直徑指的是法蘭面直徑，而不是螺柱標(biāo)稱直徑。

4.3 螺柱焊工藝

（1）螺柱焊機(jī)：選擇型號(hào)為N800i 的電弧拉弧式螺柱焊機(jī)，其焊接電流調(diào)節(jié)范圍50～800 A 焊接時(shí)間調(diào)節(jié)范圍0.005～1 s。

（2）陶瓷環(huán)：螺柱法蘭面直徑為10 mm，選擇匹配的直徑10 mm 瓷環(huán)。主要作用是強(qiáng)制熔池金屬在螺柱周邊形成環(huán)狀焊角，同時(shí)瓷環(huán)內(nèi)高溫正壓氣體從瓷環(huán)排氣口排出，阻止空氣與熔池接觸，減少氣孔產(chǎn)生；安裝瓷環(huán)時(shí)，要注意與螺柱保持同軸，以便使形成的飛邊（焊角）360°均勻分布；

（3）螺柱垂直度：螺柱不垂直甲板是造成偏焊、焊點(diǎn)不牢固的重要原因，焊工在扣動(dòng)焊槍開關(guān)前應(yīng)下壓焊槍使瓷環(huán)卡箍與甲板360°全接觸，不離空時(shí)才扣動(dòng)開關(guān)，保證螺柱垂直于甲板；

（4）焊前清潔：須將待安裝螺柱位置的表面磨出金屬光澤，因?yàn)榧装迳系挠推釙?huì)影響到焊接回路形成，造成起弧困難、火花飛濺增多和焊不牢等問題；打磨最好采用千葉砂輪片，其彈性大、與鋼板接觸面大，而采用常規(guī)剛玉砂輪片，其剛性大、與鋼板接觸面小、效率低。

（5）試焊和焊牢：必須經(jīng)過不少于10 個(gè)螺柱的試焊來確定工藝參數(shù)，才能進(jìn)行生產(chǎn)焊接；檢驗(yàn)焊牢的方法：目視螺柱周界360°有飛邊，用錘子或套管使螺柱正反向反復(fù)彎曲30°直到折斷，以斷裂位置不在焊縫為合格；

（6）工藝參數(shù)：經(jīng)過試焊，確定采用如表2 所列工藝參數(shù)。

表2 焊接工藝參數(shù)

5 應(yīng)用效果

在螺柱焊接工藝調(diào)整到位后，依靠一臺(tái)焊機(jī)完成了首制船兩層甲板共2 600 多顆不銹鋼螺柱的安裝和焊接，比使用傳統(tǒng)焊接方法預(yù)期工期減少36 天，為后續(xù)除冰加熱電纜敷設(shè)爭(zhēng)取到較充裕施工時(shí)間。

螺柱焊焊接通電時(shí)間短，熱輸入極低，甲板油漆無破損，避免了采用傳統(tǒng)焊接工藝對(duì)甲板面油漆的破壞及隨后的補(bǔ)涂。焊接結(jié)果得到了船東的認(rèn)可，保證了首制船按期簽字交船，后續(xù)三條船采用同樣的工藝施工，現(xiàn)已全部交船。

6 結(jié)束語

螺柱焊首次在船舶甲板除冰加熱電纜安裝中應(yīng)用，對(duì)縮短工期發(fā)揮了關(guān)鍵作用。螺柱焊焊機(jī)類型選擇，需要同時(shí)考慮待焊螺柱規(guī)格和母材厚度兩個(gè)因素，并在正式焊接前經(jīng)過試焊，設(shè)定好焊接電流、焊接時(shí)間、提升高度和伸出長(zhǎng)度等參數(shù)，做好焊前清潔和池熔保護(hù)，可以得到滿意的螺柱焊效果。