浅谈船体焊接工艺方法的改进

摘 要：本文主要分析了船体焊接的几种主要方法及其特点，对船体焊接工艺的发展进行了阐述，并阐述了船体焊接改进的新工艺，包括高速双丝平角焊新工艺、高速焊剂铜衬垫单面埋弧焊新工艺以及自动高速旋转电弧焊接新工艺等。

关键词：船体焊接 焊接工艺 焊接方法

中图分类号：TG457.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（c）-0099-01

目前电弧焊是船体建造工程中最重要、应用最广泛的一种焊接方法。它是以电弧的形式将电能转变为热能来熔化金属、实现焊接的。不同的弧焊电源对电弧的燃烧有不同的影响，因而对整个焊接过程的进行和船体焊接质量的影响也不同。为了满足船体焊接工艺的需要和保证焊接质量，必须正确选用弧焊电源。

1 船体主要焊接方法及特点

目前钢铁结构的焊接主要是以电弧焊完成的。众所周知，在大气环境中焊接，大气中的氧化性成分如氧气将对熔化金属产生氧化作用，大气中的氮气将分解成原子N进入液态金属以及大气中的水汽（H2O）也将分解出原子氢（H）进入焊缝金属。这些气体成分进入焊缝金属，是形成夹杂物、产生气孔、恶化韧性及产生焊接裂纹直接因素。无论哪种焊接方法，为了防止大气中的气体元素的有害作用，均是在一定的保护条件下完成的。如焊条是在钢芯外涂敷一定厚度的药皮，而药皮在焊接过程中将发挥造气、造渣来保护液态金属。并且通过药皮中的成分进行脱氧、去氢及合金化过程，使焊缝金属得到净化且成分性能符合技术要求，还要使焊条具有便于焊接的工艺性能。

2 船体焊接工艺方法的改进

2.1 高速双丝平角焊新工艺

为了适应建造双层壳体油船工作量增加的状况，日本一些大型船厂都配备了门架式多头（12～20头）自动平角焊机，主要用于焊接平面分段中纵骨与板的平角焊缝。以往虽采用CO2气保护双丝焊接工艺，但每根焊丝1个焊池，焊丝间距较大，焊接速度仅每分钟数十厘米，不能适应高速焊接的需求。为此对这种双丝焊工艺作出改进，缩小焊丝间距，使两个电弧在同一个焊池上燃烧，从而开发出双丝单个焊池的新工艺。同时这种工艺仍采用CO2气体保护焊，但焊丝则使用新开发的耐底漆性良好的金属粉芯药芯焊丝，这一改进成倍地提高了焊接速度，而且焊缝的内在质量和外形都相当好。

2.2 高速焊剂铜衬垫单面埋弧焊新工艺

高速焊剂铜衬垫单面埋弧焊新工艺在日本得到开发。对于船舶内场拼板焊接，日本的船厂已较长时期使用2丝或3丝焊剂铜衬垫单面埋弧焊技术，但现在随着国际上对油船设计提出双层壳体化，拼板工作量增加，原来工艺的焊接速度已跟不上生产需要，为此经试验研究把焊丝增加到4丝（2根前行焊丝，2根后行焊丝）同时对焊剂和衬垫焊剂进行改进，开发了新的高速焊剂铜垫埋弧单面焊接法。焊接船体结构中常用的厚12～16 mm钢板、焊接速度可达150 cm/min，为原工艺方法的2～2.5倍。

2.3 自动高速旋转电弧焊接新工艺

作为自动高速旋转电弧焊接新工艺，日本NKK公司应用技术研究所，近年来把高速旋转电弧焊新工艺应用于实际船舶施工，该工艺可明显提高焊接精确性，使焊接速度提高、质量稳定，该系统从特厚板的窄间隙焊接扩展到焊接簿板的高速焊接，电弧在电极喷嘴的旋转作用下产生高速旋转运动，而焊丝端部则呈偏心旋转。使电弧的高速旋转频率达到10～100 Hz，如电弧旋转速度从1 Hz变化到50 Hz的平位置填角焊焊接电流的波形，旋转直径为3.5 mm，焊接电流为300 A。而且有改进焊道形状的作用。高速旋转电弧的焊接方法首先应用于大厚度窄间隙焊，继而转入到多丝焊接装置，多关节弧焊机器人等焊接装备上：（1）自动窄间隙焊接装置，使用自动高速旋转电弧窄间隙焊接装置进行连续焊接。（2）旋转电弧自动多丝角焊装置，把旋转电弧应用在多电极船用纵向构建或H型钢的生产中的串列多弧焊接，可以达到焊接尺寸5～13 mm，这样减少了劳动力，提高了生产率。（3）高速旋转电弧焊接机器人，这种机器人主要应用于薄板高速焊接，随着弧焊机器人的应用越来越广泛，智能型的焊接机器人也应用上高速旋转电弧焊工艺，可以使在密闭容器内及高空作业的焊接实现无人控制成为可能，它能保证焊接质量，提高效率，确保安全，改善工作环境。由于坡口断面积减小和使用高的焊接电流，使熔敷焊道的数量大为减少，因此每米焊缝的焊接时间仅为原工艺的1/2，从而提高了生产效率，另外新的专用金属芯药芯焊丝可使接头在大线能量的条件下仍具有较高的接头韧性。

2.4 高强钢的气电立焊新工艺

1992年美国海军研究所向私营企业界征询关于支持开发水面船舶双壳船体制造技术的方案。美国梅特罗机械公司，诺福克海军船厂，采用弧形船壳板及单道气电立焊方法制造经简化的双壳船体结构方案被称为无刚性支撑的弧形壳体（内壳体及外壳体）的船体设计，利用了弧形板自身的强度和刚性。这样不需要使用附在钢板表面的扶强材（一般为T型梁、角钢或扁钢）。该结构的另一个独特地方是采用单道气电立焊，焊缝是将二块船壳板与内部纵向桁材连接在一起。该焊接设备是由林肯公司制造的由焊接电源、送丝机、电弧控制及摆动机构组成。随着激光技术的发展，近年来激光焊接已进人到实用化阶段，目前市售的激光器有CO，激光可达50 kW、YAG激光可达4 kW，供焊接用的CO2激光波长为10.6μm，YAG激光波长为1.06 μm二种。激光焊接的熔透深度几乎是在每l kW焊接速度为1 m/min时，熔透深度为1 mm。美国Convergent Energy公司生产的25 kW CO2激光焊接器，可进行碳钢的焊接，当焊接速度为0.7 m/min时，在21 mm厚的钢板上，不开坡口只用一道激光焊接而成，这比电子束焊还要好。在造船行业中，British shipbmilders应用激光焊接的高速性、小变形、自动化、高质量的优点进行了T型接头的角焊缝激光焊接，BS公司用9 kW的CO2激光对板厚为15 mm的角接焊缝以0.5 m/min的焊速进行了激光焊接。

3 结语

综上所述，船体焊接设备和工艺方法的发展具有以下特点：在保证焊接质量的前提下尽可能提高焊接效率，而焊接效率的提高必然伴随船体建造成本的降低；船体焊接设备和工艺方法的发展是受到焊接材料的同步发展作为支撑的，如金属粉型药芯焊丝促进了高效率气保护焊接新工艺的发展等。

参考文献

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