楊京華，史 媛，何敬宇，李志博

(大連船舶重工集團(tuán)長興島船舶工程有限公司，遼寧 大連 116318)

在全球金融危機(jī)的持續(xù)影響下，船舶企業(yè)接船難、船價低，且船東、船檢對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越細(xì)致，行業(yè)競爭也越來越激烈，同時勞動力人工成本上漲且不穩(wěn)定。在這雙重壓力下，需我們挖掘內(nèi)部潛力，從新工藝新技術(shù)以及自動焊高效焊接推進(jìn)的深度和廣度著重入手開展研究，提高管子加工生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)制作成本[1]。

不銹鋼管件焊接傳統(tǒng)工藝是采用手工氬弧焊方法進(jìn)行全焊接，該方法僅適用于規(guī)格較小的不銹鋼管件焊接，而在浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)上部模塊項目中大量采用316L不銹鋼管。該鋼管壁厚20～73 mm，焊接工作量大、焊接質(zhì)量要求高，如仍采用傳統(tǒng)全手工焊接，將耗費大量人工成本和時間成本。為解決不銹鋼管焊接技術(shù)難題，深入開展自動高效焊工藝技術(shù)研究。

1 設(shè)計思路

研究一種采用自動轉(zhuǎn)胎、氬弧焊打底[2]、CO2自動焊固定位置填充蓋面方法進(jìn)行焊接的新工藝，取代目前全部采用手工焊接操作的方法。

擬通過針對以下幾方面工作的研究和實施，實現(xiàn)不銹鋼管自動高效焊接的目標(biāo)。

1)制定試驗初步方案，完成不銹鋼管自動高效焊自動轉(zhuǎn)胎工裝設(shè)計、調(diào)試工作。主要包括焊接胎架、焊槍固定裝置等前期準(zhǔn)備工作。

2)重點突破不銹鋼管焊接冷卻工裝的設(shè)計、調(diào)試及試驗，解決焊接緩冷技術(shù)難題。

3)開展焊接試驗，摸索和確定CO2自動焊接各項工藝參數(shù)，包括焊接電流、電壓、速度等，并對焊接試管進(jìn)行探傷、力學(xué)性能等相關(guān)檢測，驗證不銹鋼管自動高效焊接方法可行性。

本文擬通過工裝研制和焊接參數(shù)摸索攻克焊接冷卻技術(shù)難題，從設(shè)計原理上實現(xiàn)了不銹鋼管自動高效焊，并通過樣管驗證不銹鋼管自動高效焊接方法的可行性。

2 具體方案及研究內(nèi)容

2.1 工裝設(shè)計

1)轉(zhuǎn)胎。對于大型管件需要轉(zhuǎn)胎提供承重，轉(zhuǎn)胎上的滾輪可隨管焊件進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動。

2)焊槍固定裝置。CO2焊接的焊槍安裝至固定裝置后，可在前后、左右及上下各個方位調(diào)節(jié)至適合焊接的最佳位置。焊接時無需焊工按常規(guī)方法進(jìn)行手工運條操作，但是必須實施監(jiān)控并根據(jù)需要進(jìn)行電流、電壓及干伸長的微調(diào)。

2.2 冷卻裝置

1)不銹鋼晶間腐蝕機(jī)理和焊接層溫控制。對于焊接接頭，離焊縫熔合線4.0～7.5 mm的熱影響區(qū)母材處于危險溫度范圍內(nèi)，焊后敏化處理溫度在危險溫度范圍內(nèi)，在晶界會析出大量碳化鉻，使得不銹鋼產(chǎn)生晶界腐蝕，焊接接頭晶間腐蝕也可能發(fā)生在焊縫區(qū)和熔合線上。

提高不銹鋼抗晶間腐蝕能力、防止晶間腐蝕的途徑都是從控制碳化鉻的沉淀來考慮，即從碳化鉻沉淀的分量、部位和沉淀物形成動力等方面考慮?？刂莆ｋU溫度范圍的最有效方法就是控制層間溫度，目前工藝中層間溫度要求為≤150 ℃，而不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為普通碳鋼的1/3左右，即散熱性能差但層溫要求低。一般來說焊接10 min，要等待30 min才能讓層溫降至要求范圍，厚壁不銹鋼的焊接效率非常低下，如果焊接制作厚壁不銹鋼的數(shù)量龐大，往往需要大量焊工和工位，甚至影響焊接制作工期。

2)冷卻工裝設(shè)計及原理。不銹鋼焊接冷卻工裝如圖1所示，主要由氣水循環(huán)裝置和水密氣密堵板2部分組成，即在焊縫兩側(cè)一定體積內(nèi)形成密閉空間，但可通入循環(huán)氣或水的工裝。其是為本次項目專門研發(fā)的一整套工裝，主要原理和作用有如下2點：①在氬弧焊打底焊接時，焊縫需要背面充氬氣保護(hù)，在焊縫裝配結(jié)束后，將進(jìn)氣管通入氬氣，通過排氣管將空氣排出，待檢測保護(hù)氣體含量合格后即可焊接；②在使用CO2填充焊接前，將進(jìn)氣管和排氣管分別接入循環(huán)水箱，待筒體內(nèi)達(dá)到一定水位(根據(jù)壁厚情況調(diào)整)循環(huán)后，可進(jìn)行焊接，這樣在整個焊接過程中循環(huán)水可將焊件的大部分熱量帶走，使層間溫度大大降低，基本可以實現(xiàn)連續(xù)焊接，大大提高焊接效率。

圖1 不銹鋼焊接冷卻工裝

3)焊接層溫對比。為驗證冷卻裝置的實際效果，在采用相同的CO2自動焊接情況下，分別對采用循環(huán)水冷卻和自然冷卻控制層溫的2組試驗進(jìn)行了對比，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)形成循環(huán)水冷卻和自然冷卻試驗數(shù)據(jù)折線對比圖見圖2。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用自然冷卻時，焊接所需時間為467 min；采用循環(huán)水冷卻時，焊接所需時間為104 min。通過圖2可以看出焊接連續(xù)的2道焊道的間隔時間：采用循環(huán)水冷卻時是連續(xù)焊接，只有焊接時間，沒有冷卻時間；采用自然冷卻時，焊接連續(xù)的2道焊道間隔時間主要是自然冷卻至150 ℃的等待時間，而且隨著板厚增加，所需焊道必然增加，后續(xù)焊道的等待時間更長。

圖2 循環(huán)水冷卻和自然冷卻試驗數(shù)據(jù)折線對比圖

2.3 焊接試驗

1)焊接參數(shù)確認(rèn)。為達(dá)到CO2自動焊提高焊接效率的目的，同時保證焊縫質(zhì)量，經(jīng)過反復(fù)試驗和調(diào)試，確定出CO2自動焊接適合參數(shù)范圍，如表1所示。

表1 CO2自動焊接適合參數(shù)范圍

2)試管焊接探傷及相關(guān)機(jī)械性能檢測驗證。攻克不銹鋼高效自動焊接技術(shù)難題后，編制不銹鋼管焊接試驗方案，按照試驗方案要求進(jìn)行試管焊接[3]，試管焊接后分別做滲透(PT)和射線(RT)2項無損探傷檢驗，焊縫內(nèi)無焊接缺陷。隨后做相關(guān)力學(xué)性能檢驗，檢驗項目及數(shù)量見表2，力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表3。由表3可知，檢驗結(jié)果均滿足要求。

表2 力學(xué)性能檢驗項目及數(shù)量

表3 力學(xué)性能檢驗結(jié)果

3 成果應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益

不銹鋼自動高效焊試驗的成功，填補了不銹鋼管自動高效焊接的空白。目前的研究成果可作為技術(shù)儲備，對于未來FPSO模塊中大量使用的不銹鋼、雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼的焊接具有指導(dǎo)性意義，并有以下優(yōu)點。

1)顯著提高不銹鋼管焊接效率，針對不銹鋼管對接焊縫，尤其是厚壁管，通過層溫對比試驗可以看出，如采用CO2自動焊接技術(shù)，與傳統(tǒng)焊接相比，焊接施工效率可提高約3倍以上，對于海工模塊中的大量厚壁不銹鋼管的焊接制作，可節(jié)約出大量的焊工數(shù)量和時間成本。

2)在保證焊接質(zhì)量前提下，自動焊接技術(shù)的使用可有效降低焊工操作難度和勞動強(qiáng)度。

3)根據(jù)經(jīng)驗表明，即便在不能使用連續(xù)焊接的情況下，一般的手工焊接的層間溫度冷卻至合格溫度亦需大量時間，因此冷卻裝置的運用同樣可以顯著提高焊接生產(chǎn)效率。

4)對于其它同類材質(zhì)焊接，冷卻裝置的適用意義更大，例如雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼的焊接，這類材質(zhì)在FPSO的模塊中大量使用，層間溫度對焊縫質(zhì)量影響更大，并且要求更為嚴(yán)格，要求層間溫度不能高于80 ℃，本技術(shù)的應(yīng)用將更能提高焊接效率。