淺談自動(dòng)立角焊機(jī)在船舶建造中的應(yīng)用

郭旭

(上海船廠船舶有限公司，上海 202156)

摘要：船體結(jié)構(gòu)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(dòng)化可以提高焊縫質(zhì)量和焊接效率，在合適的焊縫選擇應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)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(dòng)化設(shè)備可以完成大部分平焊位置的焊接工作，如果立焊位置應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備，將進(jìn)一步優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)的建造工作。鑒于此，就自動(dòng)立角焊機(jī)在船體結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用進(jìn)行探討，并就現(xiàn)有的設(shè)備及焊接材料提出一些改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)立角焊機(jī)；船體結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)和金屬構(gòu)件的主要方法，是海洋工程結(jié)構(gòu)和船舶建造的關(guān)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(dòng)化焊接設(shè)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(dòng)立角焊機(jī)在船體結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用進(jìn)行探討，并就現(xiàn)有的設(shè)備及焊接材料提出一些改進(jìn)建議。

1船舶焊接的自動(dòng)化

經(jīng)過50多年的發(fā)展，中國已經(jīng)成為當(dāng)今世界的焊接大國和造船大國，但遠(yuǎn)不是一個(gè)焊接強(qiáng)國。目前已有40余種造船焊接工藝方法獲得相關(guān)船級(jí)社認(rèn)可并應(yīng)用到生產(chǎn)過程中。其中，從1998年到2001年，船舶焊接機(jī)械化自動(dòng)化率由20%發(fā)展到65.03%。

船舶的船體結(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)化設(shè)備，一般情況下，直線型的焊接接頭有利于自動(dòng)化，焊接接頭越長，越有利于自動(dòng)化。目前國內(nèi)船廠在平焊位置的對(duì)接接頭和角接接頭的焊接自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用已經(jīng)基本普及，立焊位置的對(duì)接接頭也已有垂直氣電焊等自動(dòng)焊方法應(yīng)用，然而立焊位置的角接接頭應(yīng)用焊接自動(dòng)化設(shè)備相對(duì)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(dòng)角焊機(jī)來完成這些工作，對(duì)生產(chǎn)效率的提高和成本的降低是十分有益的。

船體結(jié)構(gòu)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(huì)造成部分焊縫質(zhì)量不過關(guān)而產(chǎn)生大量的返工，如果使用自動(dòng)立角焊機(jī)來完成這些焊接工作，那么在事先設(shè)定好焊接參數(shù)的情況下，由于自動(dòng)化設(shè)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(shí)降低因返工造成的成本。

2自動(dòng)立角焊機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

行走小車是可以通過磁力吸附到待焊結(jié)構(gòu)上的能按設(shè)定速度直線運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，它的體積和重量都不大，便攜性好。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，成本低，方便對(duì)中，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如圖1所示，自動(dòng)立角焊機(jī)主要由行走小車(以下簡為小車)和藥芯焊絲氣體保護(hù)焊(以下簡為FCAW)焊機(jī)組成。

圖1　自動(dòng)立角焊機(jī)示意圖

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

3自動(dòng)立角焊機(jī)的應(yīng)用

想要將自動(dòng)立角焊機(jī)應(yīng)用到船體結(jié)構(gòu)建造中，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(duì)稱、余高形狀呈凸形等問題。

3.1缺陷的控制

由于自動(dòng)立角焊機(jī)是采用FCAW來進(jìn)行焊接，下面就針對(duì)FCAW過程中容易產(chǎn)生的缺陷進(jìn)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(hù)不好，如CO2氣體不純或供氣不足、焊接環(huán)境風(fēng)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(yù)防氣孔的形成，必須在焊前仔細(xì)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(shí)必須在焊接時(shí)保證保護(hù)氣體的純度和流量，避免在大風(fēng)天氣時(shí)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(dāng)，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(dǎo)電嘴到焊縫的距離)以預(yù)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(jié)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(huì)導(dǎo)致裂紋。此外，對(duì)于船體結(jié)構(gòu)中常用的低合金高強(qiáng)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(yīng)選擇合理的焊接參數(shù)，針對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼，還應(yīng)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(yù)熱溫度進(jìn)行預(yù)熱。

3.2焊縫形狀的控制

(1) 焊腳不對(duì)稱是指角焊縫在面板一側(cè)的焊腳高度與立板一側(cè)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(duì)稱性。對(duì)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(shí)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(duì)準(zhǔn)焊縫，那么熔化速度快的立板一側(cè)的焊腳高度K1將較面板一側(cè)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(yīng)力集中。而且突出的余高部分是不計(jì)算在有效焊縫尺寸內(nèi)的，是不必要的金屬填充，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，余高形狀呈凸形是一種浪費(fèi)。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(duì)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(shí)驗(yàn)得出的合理的焊接參數(shù)

通過多次焊接實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)電嘴的未融化的焊絲長度。當(dāng)干伸長過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的電弧且飛濺過大；干伸長過小時(shí)，飛濺物容易在噴嘴堆積，影響氣體流動(dòng)甚至造成堵塞，從而導(dǎo)致保護(hù)不良，產(chǎn)生氣孔。

圖3　12 mm厚試板的焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)用自動(dòng)立角焊機(jī)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(shí)間為30%進(jìn)行施工，焊材成本13元/kg，電費(fèi)1元/kW·h，機(jī)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(fèi)=(300×34×0.3) /1 000×1；機(jī)器折舊=20 000/10 000得出計(jì)算結(jié)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(jī)器折舊費(fèi)用的15倍。船體結(jié)構(gòu)的焊接工作量非常大，如果船廠使用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行焊接，機(jī)器折舊費(fèi)用將小幅上升，但減少了對(duì)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(huì)越來越高，那么使用自動(dòng)化設(shè)備就會(huì)節(jié)約更多的成本。

4.2提高生產(chǎn)效率

自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)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(tái)設(shè)備從而提高工作效率，而自動(dòng)化設(shè)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(jié)構(gòu)中的立焊方向角接接頭(圖4)為例，假設(shè)一名焊工需要完成3條立角焊焊縫的作業(yè)任務(wù)，角接接頭長度為1 800 mm，焊接速度為300 mm/min，那么自動(dòng)焊和手工焊完成每條焊縫的時(shí)間均為6 min，自動(dòng)焊時(shí)需要的準(zhǔn)備和操作時(shí)間為2 min，手工焊的準(zhǔn)備時(shí)間為0 min。然而自動(dòng)焊可以實(shí)現(xiàn)由一名焊工操作3臺(tái)焊機(jī)，3條焊縫同時(shí)施工，在做好焊前準(zhǔn)備工作后開始引弧并確認(rèn)焊機(jī)工作正常即可進(jìn)行第二臺(tái)焊機(jī)的準(zhǔn)備工作。如圖5所示，黑色部分為準(zhǔn)備時(shí)間，白色部分為焊接時(shí)間。不難看出在理想狀態(tài)下，使用自動(dòng)焊時(shí)，完成3條焊縫的用時(shí)為12 min，而如果一名焊工用手工焊施工，每條焊縫用時(shí)6 min，那么3條共用時(shí)18 min。在實(shí)際施工過程中，還要考慮手工焊時(shí)焊工的技能水平和體力等因素，手工焊的施工時(shí)間可能會(huì)更長。

圖5　自動(dòng)焊焊接用時(shí)分布

5結(jié)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(dòng)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(dòng)立角焊機(jī)應(yīng)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(dòng)立角焊機(jī)的應(yīng)用是十分必要的。

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