淺談自動立角焊機在船舶建造中的應用

郭旭

(上海船廠船舶有限公司，上海 202156)

摘要：船體結構建造過程中，焊接工作的質(zhì)量和效率直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)周期。焊接自動化可以提高焊縫質(zhì)量和焊接效率，在合適的焊縫選擇應用自動化設備可以提高建造的質(zhì)量和效率，降低建造成本。目前的自動化設備可以完成大部分平焊位置的焊接工作，如果立焊位置應用自動化設備，將進一步優(yōu)化船體結構的建造工作。鑒于此，就自動立角焊機在船體結構建造中的應用進行探討，并就現(xiàn)有的設備及焊接材料提出一些改進建議。

關鍵詞：自動立角焊機；船體結構；焊縫質(zhì)量；焊接效率；建造成本

收稿日期:2015-05-12

作者簡介：郭旭(1986—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，助理工程師，研究方向：船舶焊接工藝。

0引言

在現(xiàn)代造船業(yè)中，焊接已經(jīng)成為連接船體結構和金屬構件的主要方法，是海洋工程結構和船舶建造的關鍵工藝之一，并直接影響船舶及海洋工程的質(zhì)量和建造周期。自動化焊接設備相比于傳統(tǒng)的手工焊而言，有效率高、質(zhì)量好、成本低等優(yōu)勢。本文就自動立角焊機在船體結構建造中的應用進行探討，并就現(xiàn)有的設備及焊接材料提出一些改進建議。

1船舶焊接的自動化

經(jīng)過50多年的發(fā)展，中國已經(jīng)成為當今世界的焊接大國和造船大國，但遠不是一個焊接強國。目前已有40余種造船焊接工藝方法獲得相關船級社認可并應用到生產(chǎn)過程中。其中，從1998年到2001年，船舶焊接機械化自動化率由20%發(fā)展到65.03%。

船舶的船體結構復雜，焊縫數(shù)量龐大，然而并不是所有焊接接頭都適合使用自動化設備，一般情況下，直線型的焊接接頭有利于自動化，焊接接頭越長，越有利于自動化。目前國內(nèi)船廠在平焊位置的對接接頭和角接接頭的焊接自動化設備應用已經(jīng)基本普及，立焊位置的對接接頭也已有垂直氣電焊等自動焊方法應用，然而立焊位置的角接接頭應用焊接自動化設備相對較少。船舶建造過程中，立焊位置的接頭焊接工作量非常大，如果使用自動角焊機來完成這些工作，對生產(chǎn)效率的提高和成本的降低是十分有益的。

船體結構建造過程中存在大量直線形、立焊方向的角焊縫，以往由焊工用手工焊來焊接，由于焊工的技能和體力有限，會造成部分焊縫質(zhì)量不過關而產(chǎn)生大量的返工，如果使用自動立角焊機來完成這些焊接工作，那么在事先設定好焊接參數(shù)的情況下，由于自動化設備工作穩(wěn)定，沒有體力限制，與手工焊相比，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，就可以避免返工，從而保證施工質(zhì)量和工期，同時降低因返工造成的成本。

2自動立角焊機的結構和工作原理

行走小車是可以通過磁力吸附到待焊結構上的能按設定速度直線運動的設備，它的體積和重量都不大，便攜性好。藥芯焊絲氣體保護焊的主要優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，成本低，方便對中，操作方便，易于實現(xiàn)自動化。如圖1所示，自動立角焊機主要由行走小車(以下簡為小車)和藥芯焊絲氣體保護焊(以下簡為FCAW)焊機組成。

圖1　自動立角焊機示意圖

焊前先調(diào)整好合適的電流、電壓，將FCAW焊機的焊槍固定在小車的夾具上，把小車擺放在準確的位置，把焊槍的角度和焊絲伸出的長度調(diào)整到位，設置好行走速度后，引弧開始焊接。焊接開始后，小車按設置的速度向上運動，直到焊接完成后熄弧。簡單地說，自動立角焊機就是把FCAW設備與一臺行走小車相連接，用行走小車來代替焊工從而實現(xiàn)了自動化。

3自動立角焊機的應用

想要將自動立角焊機應用到船體結構建造中，需要經(jīng)過實驗來確定合理的焊接工藝參數(shù)，注意避免產(chǎn)生氣孔、咬邊、裂紋、焊腳不對稱、余高形狀呈凸形等問題。

3.1缺陷的控制

由于自動立角焊機是采用FCAW來進行焊接，下面就針對FCAW過程中容易產(chǎn)生的缺陷進行探討。

(1) 氣孔是焊縫金屬在固化過程中氣體殘留而形成的空穴。焊接區(qū)域的潮氣或雜質(zhì)在焊接過程中受熱分解產(chǎn)生的氣體通常是形成氣孔的主要原因。此外，焊接過程中保護不好，如CO2氣體不純或供氣不足、焊接環(huán)境風速過大、電弧過長、電弧電壓過高、有較多的空氣侵入熔池，也是產(chǎn)生氣孔的原因。那么為了預防氣孔的形成，必須在焊前仔細清理焊件上的油污、水分和鐵銹等雜質(zhì)，焊絲則必須保持干燥。同時必須在焊接時保證保護氣體的純度和流量，避免在大風天氣時施焊。

(2) 咬邊是指沿著焊趾的母材部位產(chǎn)生的溝槽或凹陷。產(chǎn)生咬邊缺陷的主要原因是焊接參數(shù)選擇不當，電弧過長、弧壓過高、焊接速度過快、焊接電流過大等。因此需要選擇合理的焊接參數(shù)、合適的干伸長(導電嘴到焊縫的距離)以預防咬邊的形成。

(3) 裂紋指在焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結合力遭到破壞而形成新界面產(chǎn)生的縫隙。焊接過程中電流過大、電壓過低等工藝因素會導致裂紋。此外，對于船體結構中常用的低合金高強度鋼的焊接，由于其淬硬性傾向，容易產(chǎn)生冷裂紋。為防止裂紋的產(chǎn)生，應選擇合理的焊接參數(shù)，針對低合金高強度鋼，還應考慮在焊接前根據(jù)不同的鋼板厚度和材質(zhì)選擇合適的預熱溫度進行預熱。

3.2焊縫形狀的控制

(1) 焊腳不對稱是指角焊縫在面板一側的焊腳高度與立板一側的焊腳高度不同，如圖2(a)所示。焊絲的位置和角度主要影響焊腳的對稱性。對于立角焊而言，一般焊絲與立板及面板呈45°，然而需要特別注意的是，由于立板和面板在受熱時熔化速度略有差異，立板熔化速度略微快于面板，如果焊絲直接對準焊縫，那么熔化速度快的立板一側的焊腳高度K1將較面板一側的焊腳高度K2略大，因此焊絲向面板平移1 mm為宜。

(2) 如圖2(b)所示，余高形狀呈凸形，大量的焊接金屬堆積在角焊縫表面上，一般指余高超過2 mm。如果焊縫的余高形狀凸起過大，那么可能造成應力集中。而且突出的余高部分是不計算在有效焊縫尺寸內(nèi)的，是不必要的金屬填充，從經(jīng)濟性的角度考慮，余高形狀呈凸形是一種浪費。一般情況下，焊縫的余高呈凸形是由于焊接速度太低，焊接電流和電壓不合適。對于FCAW來說，用焊接電流來控制焊縫深度，用焊接電壓來控制焊縫寬度，只有焊接電壓、電流和速度配合合適的情況下，才能得到合格的焊縫形狀。

圖2　角焊縫形狀示意圖

3.3實驗得出的合理的焊接參數(shù)

通過多次焊接實驗，得到了合理的焊接工藝參數(shù)，如圖3所示。不難看出隨著焊接速度的增大，焊腳高度減小。而隨著焊接電流的增大，焊腳高度增大。此外，焊絲的干伸長也要調(diào)整到合適的長度。焊絲的干伸長是指超出導電嘴的未融化的焊絲長度。當干伸長過大時，會產(chǎn)生不穩(wěn)定的電弧且飛濺過大；干伸長過小時，飛濺物容易在噴嘴堆積，影響氣體流動甚至造成堵塞，從而導致保護不良，產(chǎn)生氣孔。

圖3　12 mm厚試板的焊接實驗結果

這里還要注意焊接電壓需和焊接電流相匹配，如表1所示。

表1　焊接電壓與電流的匹配

4應用自動立角焊機的優(yōu)勢

4.1節(jié)約生產(chǎn)成本

以FCAW 1 h焊接成本為例估算，電流300 A、電壓34 V、熔敷速度100 g/min、電弧時間為30%進行施工，焊材成本13元/kg，電費1元/kW·h，機器折舊20 000元/10 000 h，焊工工資30元/h，依據(jù)以下公式：焊接材料=0.1×60×0.3×13；電費=(300×34×0.3) /1 000×1；機器折舊=20 000/10 000得出計算結果，如表2所示。

表2　FCAW的焊接成本分析

顯然，焊工工資所占比例最高，是機器折舊費用的15倍。船體結構的焊接工作量非常大，如果船廠使用自動化設備進行焊接，機器折舊費用將小幅上升，但減少了對焊工的需求量，焊工工資總量將大幅下降，從而節(jié)約了成本。此外，隨著人力資源成本逐年上漲，焊工工資會越來越高，那么使用自動化設備就會節(jié)約更多的成本。

4.2提高生產(chǎn)效率

自動化設備的應用可以減少用工量從而節(jié)約用工成本，可以由一名工人操作多臺設備從而提高工作效率，而自動化設備穩(wěn)定的性能又排除了由于焊工技能和體能問題產(chǎn)生的焊縫質(zhì)量問題。

以常見的船體雙層底區(qū)域結構中的立焊方向角接接頭(圖4)為例，假設一名焊工需要完成3條立角焊焊縫的作業(yè)任務，角接接頭長度為1 800 mm，焊接速度為300 mm/min，那么自動焊和手工焊完成每條焊縫的時間均為6 min，自動焊時需要的準備和操作時間為2 min，手工焊的準備時間為0 min。然而自動焊可以實現(xiàn)由一名焊工操作3臺焊機，3條焊縫同時施工，在做好焊前準備工作后開始引弧并確認焊機工作正常即可進行第二臺焊機的準備工作。如圖5所示，黑色部分為準備時間，白色部分為焊接時間。不難看出在理想狀態(tài)下，使用自動焊時，完成3條焊縫的用時為12 min，而如果一名焊工用手工焊施工，每條焊縫用時6 min，那么3條共用時18 min。在實際施工過程中，還要考慮手工焊時焊工的技能水平和體力等因素，手工焊的施工時間可能會更長。

圖5　自動焊焊接用時分布

5結語

隨著國內(nèi)用工成本的逐年增加，加上焊工水平參差不齊，船舶建造的質(zhì)量、效率和成本受到越來越大的影響。在這樣的背景下，焊接自動化給船舶建造企業(yè)帶來了越來越多的效益。在船舶建造過程中，角焊縫的焊接工作量非常大，自動立角焊機應用在直線型立向角焊縫的焊接施工中，可以降低施工成本，提高施工效率，保證施工質(zhì)量。因此，自動立角焊機的應用是十分必要的。

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