楊京華，史 媛，何敬宇，李志博

(大連船舶重工集團(tuán)長(zhǎng)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(jià)低，且船東、船檢對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越細(xì)致，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，同時(shí)勞動(dòng)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(dòng)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(chǔ)油卸油裝置(FPSO)上部模塊項(xiàng)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(fèi)大量人工成本和時(shí)間成本。為解決不銹鋼管焊接技術(shù)難題，深入開展自動(dòng)高效焊工藝技術(shù)研究。

1 設(shè)計(jì)思路

研究一種采用自動(dòng)轉(zhuǎn)胎、氬弧焊打底[2]、CO2自動(dòng)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(duì)以下幾方面工作的研究和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)不銹鋼管自動(dòng)高效焊接的目標(biāo)。

1)制定試驗(yàn)初步方案，完成不銹鋼管自動(dòng)高效焊自動(dòng)轉(zhuǎn)胎工裝設(shè)計(jì)、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(diǎn)突破不銹鋼管焊接冷卻工裝的設(shè)計(jì)、調(diào)試及試驗(yàn)，解決焊接緩冷技術(shù)難題。

3)開展焊接試驗(yàn)，摸索和確定CO2自動(dòng)焊接各項(xiàng)工藝參數(shù)，包括焊接電流、電壓、速度等，并對(duì)焊接試管進(jìn)行探傷、力學(xué)性能等相關(guān)檢測(cè)，驗(yàn)證不銹鋼管自動(dòng)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(jì)原理上實(shí)現(xiàn)了不銹鋼管自動(dòng)高效焊，并通過樣管驗(yàn)證不銹鋼管自動(dòng)高效焊接方法的可行性。

2 具體方案及研究?jī)?nèi)容

2.1 工裝設(shè)計(jì)

1)轉(zhuǎn)胎。對(duì)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(dòng)。

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(gè)方位調(diào)節(jié)至適合焊接的最佳位置。焊接時(shí)無需焊工按常規(guī)方法進(jìn)行手工運(yùn)條操作，但是必須實(shí)施監(jiān)控并根據(jù)需要進(jìn)行電流、電壓及干伸長(zhǎng)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(duì)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(xiǎn)溫度范圍內(nèi)，焊后敏化處理溫度在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi)，在晶界會(huì)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(dòng)力等方面考慮?？刂莆ｋU(xiǎn)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(jì)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(xiàng)目專門研發(fā)的一整套工裝，主要原理和作用有如下2點(diǎn)：①在氬弧焊打底焊接時(shí)，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(cè)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(gè)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(shí)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(duì)比。為驗(yàn)證冷卻裝置的實(shí)際效果，在采用相同的CO2自動(dòng)焊接情況下，分別對(duì)采用循環(huán)水冷卻和自然冷卻控制層溫的2組試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成循環(huán)水冷卻和自然冷卻試驗(yàn)數(shù)據(jù)折線對(duì)比圖見圖2。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用自然冷卻時(shí)，焊接所需時(shí)間為467 min；采用循環(huán)水冷卻時(shí)，焊接所需時(shí)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(shí)間：采用循環(huán)水冷卻時(shí)是連續(xù)焊接，只有焊接時(shí)間，沒有冷卻時(shí)間；采用自然冷卻時(shí)，焊接連續(xù)的2道焊道間隔時(shí)間主要是自然冷卻至150 ℃的等待時(shí)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(shí)間更長(zhǎng)。

圖2 循環(huán)水冷卻和自然冷卻試驗(yàn)數(shù)據(jù)折線對(duì)比圖

2.3 焊接試驗(yàn)

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

表1 CO2自動(dòng)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(cè)驗(yàn)證。攻克不銹鋼高效自動(dòng)焊接技術(shù)難題后，編制不銹鋼管焊接試驗(yàn)方案，按照試驗(yàn)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(xiàng)無損探傷檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)無焊接缺陷。隨后做相關(guān)力學(xué)性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)量見表2，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

表2 力學(xué)性能檢驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)量

表3 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

3 成果應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益

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

1)顯著提高不銹鋼管焊接效率，針對(duì)不銹鋼管對(duì)接焊縫，尤其是厚壁管，通過層溫對(duì)比試驗(yàn)可以看出，如采用CO2自動(dòng)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(duì)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(shí)間成本。

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

3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shí)間，因此冷卻裝置的運(yùn)用同樣可以顯著提高焊接生產(chǎn)效率。

4)對(duì)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(jí)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(duì)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。