馮濤，熊浩，刁鳳軍，張鑫

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

船舶建造中的焊接作業(yè)占據(jù)較大的比重[1]，提高焊接質(zhì)量和效率是船企的重要課題。為促進總體效率提升，考慮改變傳統(tǒng)工藝工法[2]，利用現(xiàn)有資源持續(xù)改善現(xiàn)場作業(yè)條件與習(xí)慣。

通常，大型鋼制船舶零件數(shù)量能達(dá)到10萬及以上，這些零件主要通過焊接進行連接。焊接從零件連接方式分為角接和對接，從焊接型式分為單面焊和雙面焊，從坡口形式主要分為V形、I形、Y形和X形。對接焊中常見的有CO2氣體保護焊(FCAW)、FCB法埋弧自動單面焊(FCB SAW)、單絲或雙絲埋弧自動焊(single-wire or double-wire SAW)、FAB法埋弧自動焊(FAB SAW)、垂直氣電焊(EGW)、手工電弧焊(SMAW)等。其中單絲或雙絲埋弧自動焊主要應(yīng)用于分段內(nèi)部平直區(qū)域拼板，在整個造船對接焊中占比較高[3]，特別是在不配備FCB流水線的船廠。埋弧自動焊是雙面焊，根據(jù)不同的板厚坡口形式通常分為I形、Y形和X形[4]，施工步驟通常分為焊道清潔、定位焊、埋弧焊接、碳刨、反變形控制。以最為常見的Y形坡口單絲埋弧自動焊為例，通過分析定位焊在正面和反面時各施工步驟的優(yōu)缺點，為生產(chǎn)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 焊道清潔

Y形埋弧自動焊縫在拼板前處理要求與其他焊縫基本一致，坡口上的鐵銹斑、氧化皮、車間底漆、油污、潮氣和由氣割、碳刨產(chǎn)生的殘渣等都會影響到埋弧焊縫的質(zhì)量，產(chǎn)生氣孔、夾渣、未焊透等缺陷。所以埋弧焊縫拼板前必須用手工鋼絲刷和鋼絲盤等工具打磨、清理坡口面及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的污物，見圖1。

一般現(xiàn)場實際操作中建議將此范圍擴大到50 mm，以確保焊縫焊接質(zhì)量。在此施工步驟中，正面定位焊和反面定位焊要求相同。

2 定位焊

2.1 定位前準(zhǔn)備

在板材定位前需復(fù)核板材來料尺寸、邊緣直線度等與前道自測數(shù)據(jù)是否吻合，和圖紙要求是否一致，自動焊縫的要求通常要高于半自動焊縫和手工焊縫。還要檢查原始坡口的角度、過渡段長度、坡口深度是否達(dá)標(biāo)，有缺陷的部分需按工藝要求先行修整，必要時使用砂輪打磨或焊補修整缺口。最后需檢查兩塊板材的錯邊量和平整度。具體要求參照相關(guān)建造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)無誤后方可準(zhǔn)備拼板定位。

2.2 焊材選擇

根據(jù)生產(chǎn)和設(shè)備要求，通常采用手工電弧焊或者CO2氣體保護焊。隨著船舶生產(chǎn)的高速發(fā)展，常用焊條E5015(J507)或E4315(J427)，由于存放、烘焙、保溫、回收、現(xiàn)場使用效率低下等原因，一般在大型船廠使用較少，現(xiàn)場作業(yè)過程中大都使用CO2氣體保護焊進行定位。

2.3 正面定位焊

焊工需要具備定位焊資質(zhì)。定位焊具體要求：對于開坡口的焊縫厚度D通常為6～8 mm，且不超過板厚的1/2。定位焊長度L一般為30～50 mm，對于高強度鋼可超過60 mm，定位焊間距T一般為200～500 mm，見圖2。

定位焊焊完后需要進行定位焊打磨、焊道清潔、定位焊缺陷處理、焊前交驗等程序。要確保正面埋弧焊焊接質(zhì)量，對定位焊的處理要求相當(dāng)高，尤其是海工產(chǎn)品的焊前報驗對定位焊點要求相當(dāng)苛刻，見圖3。

圖3 正面定位焊

2.4 反面定位焊

需要拼板胎架高度足夠定位操作人員施工，一般內(nèi)場大組立拼板都在胎位上拼板，自然條件成熟，適合反面定位焊操作。

小組立主要在地面拼板，目前不具備條件，以后可以考慮埋弧自動焊在某一集中區(qū)域進行拼板，使用專用拼板胎架周轉(zhuǎn)拼板。為減少鋼板翻身，反面定位焊采用仰焊，焊工需要具備三類資質(zhì)焊工，定位焊間距一般同樣為200～500 mm，只是定位焊本身無需像正面定位焊一樣打磨處理，反面定位焊樣式見圖4。

圖4 反面定位焊

反面定位焊的拼板正面焊道(見圖5)相對均衡，焊前處理比較方便，除銹打磨后可以直接進行焊前報驗。

圖5 反面定位焊的正面焊道

3 埋弧焊接

3.1 埋弧自動焊原理

施工時，在電弧熱作用下焊絲和母材被熔化，在電弧底下形成液態(tài)金屬熔池[5]，熔池的形狀和尺寸由焊寬、熔深及熔池長度來表示，這3個尺寸的大小是由電弧的功率和電弧的移動速度(即焊接速度)來決定的，熔池尺寸大小和電弧功率成正比，而與焊接速度成反比，見圖6。

圖6 埋弧焊熔池的形狀和尺寸

電弧形成熔池，隨著電弧的前移形成新的熔池，而原來的熔池冷凝結(jié)晶成焊縫。焊縫的形狀和尺寸由熔寬B、熔深H和余高a來表示，熔寬和熔深就是焊縫的寬度和深度，而余高取決于焊絲熔化敷入的量。為了保證焊縫的力學(xué)性能，焊縫必須有足夠的熔深，和合適焊縫的尺寸比例。對接焊縫的熔寬和熔深之比成為焊縫的形狀系數(shù)(φ=B/H)，對于埋弧自動焊來說，較為合適的焊縫形狀系數(shù)為1.3～2.0。余高是焊縫的增強量，適量的余高是有利于提高焊縫的強度，但并非越大越好。過大的余高將使焊縫趾部形成截面突變，造成應(yīng)力集中，降低了焊接接頭的動載強度。在埋弧對接焊縫中，?？刂朴喔邽槿蹖挼?/4～1/8，一般為0.5～3.0 mm，見圖7。

圖7 熔深、熔寬和余高

埋弧自動焊的工藝參數(shù)有：焊絲直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲伸出長度、焊絲的傾角等，這些焊接工藝參數(shù)影響著焊縫的形狀尺寸和焊縫質(zhì)量。

3.2 正面定位焊的焊接

正面埋弧焊的焊道內(nèi)由于定位焊的存在，實際操作中無法精確、及時地微調(diào)定位焊區(qū)域與原始板縫區(qū)域的不同焊接工藝參數(shù)來確保焊縫的熔深和熔寬均衡。尤其是對現(xiàn)場生產(chǎn)中的相對薄板(12～20 mm)，焊接容易造成焊縫成型余高不均衡，有定位焊的區(qū)域受定位焊制約熔深不夠，造成相對余高超高，需要焊后打磨修整。同時由于正面定位焊熔合在焊縫內(nèi)部，如果定位焊存在缺陷又沒有被埋弧焊完全熔合，就會造成埋弧焊焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，就要進行焊縫修補，見圖8。

圖8 正面定位焊埋弧焊焊縫成型

3.3 反面定位焊的焊接

反面定位焊的正面焊道不存在定位焊區(qū)域與原始板縫區(qū)域差異，實際操作中，熔深和熔寬相對均衡，不需要微調(diào)焊接參數(shù)。尤其是厚度在12～20 mm的鋼板，焊縫余高控制比較容易，基本不需要焊后打磨修整。反面定位焊由于定位在碳刨面，定位焊在碳刨中全部清除，不存在對埋弧焊焊接內(nèi)部質(zhì)量隱患，見圖9。

圖9 反面定位焊埋弧焊焊縫成型

4 碳刨

4.1 正面定位焊的焊縫碳刨

正面定位焊的埋弧焊縫碳刨相對比較深，這是由于拼板正面定位焊區(qū)域與正面焊縫區(qū)域熔深不均衡、正面定位焊焊點可能存在缺陷(這一般在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中碳刨發(fā)現(xiàn)問題的幾率較高)、反面碳刨時正面的定位焊位置無法確定等因素，為確保埋弧焊焊道的均衡和焊縫質(zhì)量，一般正面定位焊的焊道碳刨需要刨掉原定位焊焊點[6]，也就是相當(dāng)于整體焊道加深碳刨，對實際碳刨工作量相對增加較多，碳刨面焊接工作量也相應(yīng)增加。

4.2 反面定位焊的焊縫碳刨

反面定位焊的埋弧焊縫碳刨相對比較淺，這是因為正面焊道相對一致，正面焊接時埋弧焊熔深和熔寬相對均衡，碳刨時可以根據(jù)具體情況相對控制碳刨深度，尤其是對正面焊接熔深控制相對較好的焊縫，碳刨工作量比較小，碳刨面焊接工作量也相應(yīng)較少。

5 反變形控制

5.1 正面定位焊的反變形控制

正面定位焊埋弧焊焊接后，由于定位焊質(zhì)量和碳刨深度不受控，碳刨深度會因為正面定位焊區(qū)域埋弧焊熔深而變化。所以一般靠拼板前加放反變形量幅度較大，不容易掌控，相對碳刨深度比較深的焊道焊接變形就難以控制，火工較平工作量較大。

5.2 反面定位焊的反變形控制

反面定位焊埋弧焊焊接因為與定位焊質(zhì)量關(guān)系不大，正面焊接時的熔深和熔寬都受控，所以碳刨深度基本受控，通過現(xiàn)場經(jīng)驗積累，一般加放反變形量幅度較小，對焊道焊接變形容易掌控，火工較平工作量較小。

6 對比分析

1)通過正反面定位焊對比分析，可以得出二者的優(yōu)缺點，見表1。

2)Y形拼板埋弧焊采用反定位焊法屬于基本利用原有作業(yè)條件，通過優(yōu)先確保埋弧焊焊道的均衡促成焊縫成型美觀；通過將定位焊設(shè)置在碳刨面減少焊前“定位焊”處理，減少能耗；通過確保正面熔深減少碳刨工作量，同時相對節(jié)約焊材；通過減少碳刨相對控制拼板變形程度等。

表1 正反面定位焊對比分析

在某型FPSO船的101和103分段上實施拼板反面定位，通過拼板前準(zhǔn)備、拼板定位、埋弧焊接、碳刨、反變形控制等幾個方面進行對比。對減少定位焊打磨工作量(以及打磨耗材與動能損耗)、減少碳刨工作量(以及碳刨耗材與動能損耗)、減少焊縫變形(以及減少火工校正耗能及工作量)、提高埋弧焊焊接質(zhì)量、節(jié)約焊材等都有好處，如果以量化估算，節(jié)約成本約30%。在該項目其他在建分段初步統(tǒng)計效率提升20%以上，綜合成本節(jié)約25%以上。

3)Y形坡口埋弧自動焊采用反定位焊法可以對“在胎拼板”無需特別投入輔助資源，對不具備“在胎拼板”條件的可以考慮集中“借胎拼板”，還可以擴展運用到I形和X形坡口的埋弧自動焊，以確保焊道均衡、正面熔深用足等。經(jīng)過反復(fù)和各種情況試驗、驗證和評審，或可升級為公司生產(chǎn)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。