趙立蘇，李超，喻軍，蔡莼

上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 序言

焊接技術(shù)是船舶工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，各大船企也在不斷大力推進(jìn)高效焊接技術(shù)的應(yīng)用普及性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單船的焊接工作量占船體建造總工作量的30%～40%[2]，其成本占船體建造總成本的30%～50%[1，3]。因此，提高焊接效率與質(zhì)量，對(duì)于節(jié)省焊接時(shí)間和降低成本都具有重要意義。如何利用現(xiàn)有的焊接設(shè)備，通過(guò)工藝創(chuàng)新，減少人工焊接作業(yè)量，從而提高焊接效率、節(jié)約造船成本，一直是我公司重點(diǎn)研究的課題。

FAB（Flux Asbestos Backing）法工藝焊接生產(chǎn)效率大大高于傳統(tǒng)埋弧焊，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，這種工藝方法省去了傳統(tǒng)埋弧焊需要翻轉(zhuǎn)工件進(jìn)行反面碳弧氣刨和焊接[4]的步驟，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以縮短分段制造周期，有效提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

FAB法在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中受到坡口切割和拼板精度的影響，由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝指導(dǎo)，所以如果出現(xiàn)焊縫間隙過(guò)大，就會(huì)給焊接操作帶來(lái)很大的難度，造成焊接質(zhì)量和焊接效率不穩(wěn)定，同時(shí)也制約了FAB法焊接工藝的使用推廣。

經(jīng)過(guò)多次焊接調(diào)試，對(duì)多種板厚FAB法大間隙焊接工藝進(jìn)行研究[5]，通過(guò)對(duì)工藝創(chuàng)新、焊接參數(shù)優(yōu)化，使該焊接工藝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)適應(yīng)性更強(qiáng)，從而可以縮短分段制造周期，有效提高焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。

2 FAB法大間隙焊接工藝研究

2.1 FAB法大間隙工藝研究目的

針對(duì)FAB法大間隙工藝進(jìn)行研究，主要是為了充分利用FAB法高效焊接優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)該焊接工藝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的適應(yīng)性，從而提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

FAB法是將一種帶有柔性玻璃纖維所制的陶瓷襯墊[6]，粘貼在焊件的背面，在焊縫坡口內(nèi)填加一定量的鐵粉，作為填充金屬的一部分，利用埋弧焊的原理，從正面進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的效果。FAB法焊接原理如圖1所示。

圖1 FAB法焊接原理

2.2 FAB法埋弧焊設(shè)備選用

焊接設(shè)備選用要求主要包括以下幾點(diǎn)：

1）合適的電源外特性。

2）保證電弧穩(wěn)定燃燒。

3）能提供足夠大的電弧功率。

4）遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)電流裝置。

本試驗(yàn)選用暫載率100%的DZ5-1600E型直流埋弧焊機(jī)作為焊接設(shè)備。

2.3 母材及焊接材料選擇

根據(jù)生產(chǎn)需求，焊接工藝試驗(yàn)選取12m m、14mm、16mm、18mm厚度的AH36鋼板。以板厚16mm的AH36材質(zhì)鋼板作為代表，該材質(zhì)鋼板屈服強(qiáng)度為403MPa，抗拉強(qiáng)度為529MPa，平均沖擊吸收能量為246J（0℃），化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

根據(jù)國(guó)際通用碳當(dāng)量公式，計(jì)算可得上述AH36鋼板的Ceq約為0.3804%（在0.250%～0.400%之間），因此該鋼板的焊接性能良好。

FAB法埋弧焊選用的焊接材料取得DNV、GL、LR、CCS及ABS等船級(jí)社認(rèn)證。本次試驗(yàn)的焊接材料：焊絲牌號(hào)H-14、φ4.8mm；焊劑牌號(hào)S-705HF；坡口填充鐵粉牌號(hào)I R N；F A B法專用襯墊牌號(hào)CBM-G22。

2.4 焊接試驗(yàn)

（1）焊前試驗(yàn)準(zhǔn)備 結(jié)合生產(chǎn)需求，對(duì)4種板厚進(jìn)行工藝試驗(yàn)，試板尺寸為1000mm×200mm，坡口形式為V形，坡口角度45°，根部間隙0～4mm，如圖2所示。焊前將焊接坡口正面、反面及坡口兩側(cè)各寬20mm范圍內(nèi)的鐵銹、氧化物、水分及油污等清除干凈。

圖2 坡口示意

（2）引弧板、引出板安裝要求 焊件裝配時(shí)板材必須放平整，裝配間隙最大不能超過(guò)4mm。同時(shí)在焊縫兩端安裝引弧板、引出板，其尺寸為200mm×200mm；引弧板、引出板要開(kāi)槽，無(wú)需開(kāi)坡口，厚度與焊件相同，如圖3所示。在裝配定位時(shí)，定位焊高度不應(yīng)超過(guò)4mm，不允許有氣孔、夾渣、裂紋及焊穿等缺陷。

（3）試件上標(biāo)注焊接信息 焊前需要對(duì)坡口間隙大小進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)坡口間隙大小在試件上標(biāo)注焊接信息（見(jiàn)圖4），此環(huán)節(jié)至關(guān)重要，因?yàn)殍F粉鋪設(shè)過(guò)后蓋住坡口間隙，操作人員無(wú)法通過(guò)識(shí)別坡口間隙大小來(lái)及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)等。在焊接過(guò)程中操作人員需要根據(jù)試件上標(biāo)注的焊接信息，來(lái)及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)等。

（4）襯墊粘貼及鐵粉鋪設(shè)要求 焊接信息標(biāo)注完成之后要進(jìn)行襯墊的粘貼及鐵粉的鋪設(shè)，在安裝襯墊時(shí)，需要特別注意用橡皮榔頭敲擊襯墊，使之與焊件的背面緊密粘合，并且襯墊與襯墊的銜接處應(yīng)相互推進(jìn)敲擊至無(wú)間隙，防止在焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊穿等現(xiàn)象。鐵粉應(yīng)均勻地平鋪在焊接試件的坡口內(nèi)，鐵粉的鋪設(shè)厚度要求見(jiàn)表2。

表2 藥粉鋪設(shè)厚度要求 （mm）

（5）焊接試驗(yàn)參數(shù)研究 由于FAB法埋弧焊需要達(dá)到單面焊雙面成形的效果，所以焊接參數(shù)比傳統(tǒng)埋弧焊的大。若焊接參數(shù)、極性匹配不合理或參數(shù)不準(zhǔn)確，則都會(huì)直接影響焊縫成形和焊接質(zhì)量。為獲得良好的焊縫成形和焊接質(zhì)量，必須選擇合理的焊接參數(shù)進(jìn)行施焊。通過(guò)對(duì)多種板厚、多次焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，掌握了多個(gè)板厚FAB法大間隙的焊接方法，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

（6）焊接試驗(yàn)過(guò)程 焊前將焊絲調(diào)整到距離試件30～40mm高度，焊絲前端處于焊縫中心位置，焊接時(shí)要求焊接操作人員根據(jù)試件上的焊接信息及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，以保證焊縫的焊接質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 焊接試驗(yàn)過(guò)程

2.5 FAB法大間隙試驗(yàn)主要性能和技術(shù)指標(biāo)

（1）外觀和無(wú)損檢測(cè) 試板焊接結(jié)束后，驗(yàn)船師外觀檢查合格后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，包括磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)，檢測(cè)全部合格后再進(jìn)行理化試驗(yàn)檢測(cè)。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析 試樣橫向拉伸試驗(yàn)和側(cè)向彎曲試驗(yàn)均滿足船級(jí)社規(guī)范要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 橫向拉伸試驗(yàn)與彎曲試驗(yàn)結(jié)果

試樣沖擊試驗(yàn)在20℃條件下進(jìn)行，結(jié)果均滿足船級(jí)社規(guī)范要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同板厚在20℃條件下沖擊試驗(yàn)結(jié)果 （J）

（3）宏觀金相結(jié)果 4種不同板厚的焊縫斷面宏觀檢查顯示，未發(fā)現(xiàn)裂紋和其他缺陷，試樣截面宏觀照片如圖6所示。

圖6 焊接接頭宏觀照片

F A B法大間隙試驗(yàn)焊縫性能主要數(shù)據(jù)包括彎曲、拉伸、沖擊、硬度等試驗(yàn)，所有試驗(yàn)結(jié)果均滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

2.6 FAB法埋弧焊工藝生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后的FAB法埋弧焊，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)16mm板厚拼板焊接，坡口間隙0～4mm，正面焊縫成形均勻美觀，焊縫余高2mm左右，焊縫表面無(wú)需打磨處理。焊縫反面成形整體均勻光順，余高2～3mm，反面成形整體上不需要打磨處理，如圖7所示。焊接后經(jīng)過(guò)DNT無(wú)損檢測(cè)，除焊縫終端收弧處裂紋需返修，其余焊縫全部合格，有效地提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

圖7 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)焊接

該研究成功克服了FAB法大間隙焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，此工藝方法減少了傳統(tǒng)埋弧焊需要翻轉(zhuǎn)工件進(jìn)行反面碳弧氣刨和焊接，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以縮短分段制造周期，有效地提高了生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。

通過(guò)采用該工藝進(jìn)行焊接生產(chǎn)，整體上焊接生產(chǎn)效率提升非常明顯，按照板厚16mm、20m長(zhǎng)焊縫為例，不同焊接工藝的焊接效率如下。

1）采用常規(guī)埋弧焊工藝焊接，正反面焊接各需要1道完成，焊接速度約400mm/min。反面碳弧氣刨、打磨時(shí)間約300mm/min，每條焊縫實(shí)動(dòng)工時(shí)約167min（人員配合分段翻身成本、時(shí)間等沒(méi)有計(jì)算）。

2）采用CO2氣體保護(hù)焊工藝焊接，需要打底、填充、蓋面共4道完成，焊接速度為200～300mm/min，每條焊縫實(shí)動(dòng)工時(shí)約300min。

3）采用FAB法工藝焊接，片段不需要翻身反面碳弧氣刨焊接，正面焊接正反面一次成形，焊接速度約250mm/min，每條焊縫實(shí)動(dòng)工時(shí)約80min。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，F(xiàn)AB法焊接工藝較常規(guī)埋弧焊接工藝，焊接生產(chǎn)效率提高約108%。相比CO2氣體保護(hù)焊工藝，焊接生產(chǎn)效率提高了約272%。使用FAB法工藝焊接生產(chǎn)有效縮短了分段建造周期，提高了分段制作效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)積極開(kāi)展FAB法焊接工藝應(yīng)用技術(shù)研究，對(duì)多種板厚在不同間隙狀態(tài)下的焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，總結(jié)出了不同板厚、不同間隙狀態(tài)下的焊接參數(shù)，采用對(duì)切割裝配精度進(jìn)行控制、定位焊控制，以及引弧板、引出板安裝，試件上標(biāo)注焊接信息等手段，成功解決了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝配焊縫間隙過(guò)大或不均勻所造成的焊接技術(shù)難題。

該工藝的成功實(shí)施，并在焊接生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用，充分說(shuō)明該工藝的可行性和實(shí)用性。在不增加硬件設(shè)施的同時(shí)，通過(guò)工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新，仍然可以提高船舶的建造效率并降低生產(chǎn)成本，在行業(yè)中具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景。