機械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝開發

袁中龍，張京華，熊慶和，宋光濤，劉業廷

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在半潛式平臺船體建造過程中，一般會在鋼材加工前進行表面噴丸除銹，并涂上一層車間底漆，通過這樣的預處理來提高鋼材的抗腐蝕能力。噴涂的普通車間底漆如不被徹底清除，會導致焊接過程中產生大量的氣孔，大幅降低焊縫合格率，從而嚴重影響焊接質量[1，2]。為了免除打磨車間底漆的工作量并保證焊接質量，近年來國內外各車間底漆廠家開發了可焊接車間底漆。我公司承建的半潛式平臺項目中，就選用了該類型車間底漆。

另外，由于半潛船體中存在大量的球扁鋼與壁板的長直角焊縫，所以這為采用機械化焊接方式提供了很好的應用場景。在長直焊道焊接的情況下，相比手工藥芯氣體保護焊工藝，機械藥芯小車焊接工藝主要的優點有：①由機械藥芯小車夾持焊槍進行焊接，以替代人工握持焊槍操作，在大幅降低工人勞動強度的同時，也大幅降低了對焊工技能水平的要求。②現場施工時，一名焊接操作工可以同時跟蹤多臺焊接小車，這樣既提高了施工效率，又極大地緩解了焊接人員短缺的問題。③機械藥芯小車焊接時，焊接過程穩定可靠，焊接質量高，焊接缺陷少，避免了手工焊接時人為因素導致的焊接質量問題。④機械藥芯小車可以長時間連續焊接，焊接效率較之手工焊效率得到很大提升。因此，進行機械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝開發，對于項目的高效施工具有極其重要的意義。

2 試驗材料

工藝開發試驗用母材采用湖南華菱鋼鐵集團有限責任公司生產的ABS EH36鋼板，供貨態為TMCP。由于該供貨態鋼板是在降低碳含量和合金元素含量的前提下，主要通過控軋與控冷來獲得主要的性能，因此其具有優良的焊接性。其主要化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 試驗用ABS EH36鋼板主要化學成分（質量分數） （%）

表2 試驗用ABS EH36鋼板力學性能

藥芯焊絲選用天泰焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ，其主要化學成分見表3，力學性能見表4。

表3 焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ主要化學成分 （質量分數） （%）

表4 焊接材料AWS A5.20：E71T-1CJ力學性能

選用JOTUN MUKI Z 2008無機鋅車間底漆，從廠家提供的焊接性報告可看出，該底漆適用于焊接，其噴涂于試件母材的平均漆膜厚度不超過30μm。

3 試驗設備

藥芯氣體保護焊設備采用松下數字逆變YD-500ER2通用CO2/MAG焊機（見圖1a），其輸出電流為60～550A，輸出電弧電壓為17～41.5V，外殼防護等級為IP21S，對于碳素鋼藥芯焊絲適用焊絲直徑為1.2mm與1.4mm。送絲控制系統采用IVF技術，能夠保證強勁的送絲力，確保送絲穩定，適應大距離延長電纜作業。焊接參數調節簡單，操作容易。

機械藥芯小車采用中船重工鵬力（南京）智能裝備系統有限公司的多導向形式焊接小車（見圖1b），能夠實現行走速度15～880mm/min，且具有直線擺動功能，配合固定軌道進行焊接。焊接小車可進行行走方向、擺動幅度、擺動模式、擺動速度、擺動中心位置和左右停留時間等各種擺動參數的調節。

圖1 焊接設備

4 焊接工藝開發

（1）試板準備 試板厚度為25mm，進行對接坡口焊與角焊縫的焊接試驗，具體的試板尺寸如圖2所示。對接坡口焊采用2G位置，角焊縫選取2F位置。

圖2 試板尺寸

（2）漆膜厚度控制 由于鋼材坡口均噴涂了車間底漆，所以焊接時產生的煙塵量較不噴涂底漆焊接時明顯增多，這可導致出現氣孔的概率增加，而局部車間底漆漆膜過厚會加劇這種情況。經過多次試驗，將漆膜厚度控制在30μm以內，可以避免焊接接頭中氣孔的產生。

（3）焊接小車導軌鋪設 在機械化焊接中，導軌鋪設的狀況會對焊接質量產生很大的影響。鋪設的導軌要與坡口面一側的距離相同，且固定牢靠。在開始焊接前要進行焊接小車空跑，以檢驗導軌的鋪設狀況。

（4）預熱溫度與層間溫度 通過母材的材質證書計算其碳當量為0.34%，說明其具有優良的焊接性，因此選取預熱溫度為20℃。為了滿足EH36材料－40℃的低溫沖擊性能要求，限制最大層間溫度為250℃。

（5）焊接參數 為了保證焊接接頭滿足－40℃低溫沖擊性能要求以及防止產生淬硬組織，除控制預熱與最大層間溫度外，還需要對焊接熱輸入進行限制。過大的熱輸入會導致焊接接頭晶粒粗大、組織粗化，使焊縫與熱影響區韌性降低；過小的熱輸入會使焊接接頭冷卻速度過快，容易產生淬硬組織，造成接頭硬度超標且容易開裂。最終選取的焊接參數見表5。

表5 最終選取的焊接參數

（6）其他注意事項 對于采用可焊接車間底漆且膜厚滿足要求的坡口，可不去除車間底漆進行焊接，但需要在焊前清除水分、鐵銹、油污等污染物。焊工在帶底漆焊接過程中應更加注意焊接操作，如發現明顯異常，如電弧不穩、氣孔傾向增大等情況時，應及時停止焊接。

5 檢測結果及分析

試件焊接完成48h后進行無損檢測，且在檢測合格后進行力學性能試驗。

（1）無損檢測 對接試件進行外觀觀察、磁粉及超聲波檢測，角焊縫試件進行外觀觀察與磁粉檢測，結果均滿足AWS D1.1標準要求。

無損檢測結果證明，機械藥芯小車帶車間底漆焊接并沒有使焊縫內部的氣孔超出標準要求，也沒有產生其余的不可接受的缺陷。

（2）力學性能試驗 主要包含減截面拉伸試驗、彎曲試驗、夏比沖擊試驗、宏觀金相和硬度試驗。對接試件需要進行以上全部性能測試，角焊縫試件僅進行宏觀金相試驗與硬度試驗。試驗需要根據ASTM A370—2017《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》要求進行，對接試件拉伸、彎曲、沖擊試驗結果見表6，對接與角焊縫試件宏觀金相如圖3所示，對接試件與角焊縫試件的硬度見表7。

表6 對接試件拉伸、彎曲、沖擊試驗結果

圖3 對接與角焊縫試件宏觀金相

表7 對接試件與角焊縫試件的硬度 （HV10）

從以上試驗結果可知，焊接接頭的抗拉強度值大于標準要求的490MPa，側彎試樣180°彎曲后無缺陷，－40℃下焊縫與熱影響區位置的沖擊吸收能量均滿足單值＞34J、平均值＞47J的要求。其中由于母材為TMCP供貨態鋼板，其通過控軋獲得細小晶粒而具有良好的韌性，而在焊接時，受多次焊接熱循環的影響，其熔合線的晶粒在焊接連續加熱與冷卻過程中粗化，形成脆性組織，從而導致焊接接頭的熔合線韌性較之熱影響區其他區域顯著降低。圖3的宏觀金相無氣孔、未熔合等缺陷，硬度檢測結果均低于325HV10。力學性能試驗結果表明，機械藥芯小車帶車間底漆的焊接接頭各項指標均滿足項目要求，車間底漆并沒有對焊接接頭的力學性能造成不利影響。且從焊縫的沖擊試驗結果可知，由于采用機械化焊接方式，減少了人為操作因素的影響，所以焊縫質量的穩定性得到了提升。

6 結束語

通過將車間底漆的漆膜厚度限制在30μm以內，并且嚴格控制最低預熱溫度20℃，最大層間溫度250℃，選取中等的熱輸入，控制機械藥芯小車導軌的鋪設精度，確保了焊接接頭的無損與理化性能，避免了氣孔、未熔合等缺陷的出現以及焊接接頭的性能不合格。機械藥芯小車帶車間底漆焊接工藝的開發，在免除車間底漆打磨去除工作的同時，采用機械藥芯小車代替手工焊接，大幅降低了焊前打磨工作量，也降低了對焊工的技能水平要求，提升了焊接施工效率并降低了成本。