劉磊, 巫瑞智, 沐君飛, 王歡, 習(xí)猛

(1.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001；2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 前言

船舶焊接的總工時(shí)和成本各占船體建造的總工時(shí)和成本的30%～40%，因此發(fā)展先進(jìn)的船舶焊接技術(shù)，不僅能有效提高船舶的建造效率效率，還能大大降低船舶建造成本， 提高船舶企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。發(fā)展高效率與高質(zhì)量并駕齊驅(qū)的船舶焊接技術(shù)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，在船舶建造過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛的焊接方法主要有：焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊以及活性氣體保護(hù)焊等[2]。

受焊縫位置的限制，船舶建造過(guò)程中所選用的焊接方法及其焊接效率也有所差異。平位置對(duì)接焊縫依托焊劑銅襯墊(Flux copper backing, FCB)埋弧焊等高效自動(dòng)焊技術(shù)的推廣，可完成32 mm厚度鋼板的一次成形[3-4]，焊接效率相比藥芯焊絲保護(hù)焊(Flux core arc welding, FCAW)技術(shù)提高了10倍；立位置對(duì)接焊縫依托雙絲氣電立焊等高效自動(dòng)焊技術(shù)的研究推廣，可以完成68 mm厚度鋼板的一次成形[5]，焊接效率相比FCAW技術(shù)提高了20倍。埋弧橫焊設(shè)備小型化[6]的發(fā)展，使埋弧橫焊作為一種先進(jìn)的橫位置焊接技術(shù)，在造船企業(yè)逐步推廣應(yīng)用[7]，橫位置對(duì)接焊縫的焊接效率提升了1倍，但依然無(wú)法大幅度提升焊接效率，無(wú)法真正突破其焊接效率瓶頸。FCAW單面焊雙面成形技術(shù)[8]，橫位置對(duì)接焊縫由于其位置的特殊性，焊接熱輸入僅為10 kJ/cm，同時(shí)受焊工技能、焊接材料及性能等多種因素的影響，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)工時(shí)多、質(zhì)量可靠性差等弊端。

文中通過(guò)深度分析氣電立焊技術(shù)原理，創(chuàng)新性的將氣電焊技術(shù)擴(kuò)展至船舶建造中的橫位置對(duì)接焊縫的焊接。通過(guò)對(duì)根部陶瓷襯墊、表面水冷銅滑塊形式的改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)焊接電流、電弧電壓、坡口形式、焊槍位置、擺動(dòng)幅度等關(guān)鍵參數(shù)的研究，解決了根部焊縫下端未熔合缺陷難題，氣電橫焊熱輸入最高可達(dá)93 kJ/cm，焊縫一次成形的坡口填充量高達(dá)88%，突破了橫位置對(duì)接焊縫的焊接效率瓶頸。

1 關(guān)鍵技術(shù)

在熔化極氣體保護(hù)焊(Gas metal arc welding，GMAW)和電渣焊的基礎(chǔ)上，人們發(fā)展了一種具有高效率、低成本的電弧焊方法——?dú)怆娏⒑浮Ｔ诤附舆^(guò)程中以CO2作為保護(hù)氣，通過(guò)水冷滑塊擋住熔融的金屬，使其焊縫強(qiáng)迫一次成形，省去了多道多層焊接的繁瑣過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)立向位置的高效焊接。在其提高焊接效率的同時(shí)也不可避免帶來(lái)由于大熱輸入引起的晶粒粗大等問(wèn)題，因此需要通過(guò)合理地調(diào)控焊接工藝參數(shù)，在保證焊接質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)其高速焊接。利用類似于電渣焊所采用的水冷滑塊擋住熔融的金屬，使之強(qiáng)迫成形，以實(shí)現(xiàn)立向位置的焊接，通常采用外加CO2為保護(hù)氣體。氣電立焊是目前船舶建造行業(yè)內(nèi)焊接效率最高的焊接技術(shù)，但只能進(jìn)行立位置焊縫的焊接，氣電橫焊技術(shù)的研究推廣在國(guó)內(nèi)尚屬空白，氣電橫焊關(guān)鍵技術(shù)的研究包含了設(shè)備、襯墊、滑塊、焊接材料、焊接參數(shù)等多種因素。

氣電立焊設(shè)備基本采用左側(cè)軌道、右側(cè)小車向上行走的工作模式，無(wú)法滿足軌道在上、小車行走的要求，需將小車行走機(jī)構(gòu)設(shè)置成反向行走。采用611所CZH型垂直氣電焊控制系統(tǒng)進(jìn)行工藝研究，該設(shè)備具備以下功能：①能夠適應(yīng)280～350 A，28～35 V范圍內(nèi)電流和電壓焊接；②具有高效率的焊接性能；③大熱輸入焊接保證根部焊全熔透；④操作和使用簡(jiǎn)便。

FCAW焊橫位置對(duì)接焊接時(shí)，根部焊縫下端易出現(xiàn)未熔合缺陷，摒棄傳統(tǒng)氣電焊立焊襯墊，結(jié)合CO2氣體保護(hù)焊陶瓷襯墊特點(diǎn)，為增大坡口根部的熱量輸入，達(dá)到熔透效果，將氣電立焊單面陶瓷襯墊下口進(jìn)行開(kāi)凹槽設(shè)計(jì)，有效杜絕了根部焊縫未熔合焊接缺陷，改進(jìn)成單面錫紙粘貼進(jìn)行固定方式優(yōu)化，便于操作(圖1)。

為了解決焊縫未熔合焊接缺陷，將氣電立焊表面焊縫強(qiáng)制成形的水冷銅滑塊下口進(jìn)行開(kāi)凹槽設(shè)計(jì)處理(圖2)，可有效杜絕表面焊縫未熔合焊接缺陷。銅滑塊成形槽寬根據(jù)表面坡口寬度選擇，原則上不超過(guò)坡口寬度6 mm，銅滑塊行走過(guò)程中，凹槽的上口需貼近表面坡口的下邊緣。

在氣電橫焊過(guò)程中，將焊絲設(shè)置在距離坡口下端3 mm，并且距離坡口根部5～8 mm處，有利于焊絲熔化后在根部均勻鋪展熔敷，實(shí)現(xiàn)焊縫根部成形，并向表面擺動(dòng)6～10 mm，確保焊縫表面成形。當(dāng)焊絲偏于坡口中心位置或距離坡口根部太遠(yuǎn)時(shí)，根部在靠近坡口根部處的位置由于處在電弧邊緣，溫度較低、熔渣析出，填滿根部間隙，阻礙焊縫根部成形，造成未熔合焊接缺陷；當(dāng)焊絲距離下端太近或距離坡口根部太近時(shí)，一方面噴嘴可能與坡口發(fā)生導(dǎo)電，阻礙正常焊接，另一方面當(dāng)噴嘴上粘附熔渣時(shí)，可能因?yàn)殚g隙太小而阻礙行走機(jī)構(gòu)向上行走。擺動(dòng)距離不能太小，太小則表面坡口邊緣處溫度太低，析出熔渣阻礙焊縫與母材熔合；擺動(dòng)距離太大，則表面焊絲與背面焊絲距離太遠(yuǎn)，板厚中心溫度不夠，同樣會(huì)導(dǎo)致未熔合缺陷。為了保證坡口根部熔合良好，焊絲在擺動(dòng)兩端適當(dāng)停留。

2 試驗(yàn)過(guò)程

《中國(guó)船級(jí)社 材料與焊接規(guī)范(2021版)》第3章焊接工藝對(duì)厚度的適用范圍有下列規(guī)定：鋼材厚度適用范圍應(yīng)符合表1中規(guī)定[9]。盡管橫位置對(duì)接采用多層多道的混合焊工藝，但因氣電橫焊焊道在坡口表面和根部均有成形，因此該工藝的厚度適用范圍按照從嚴(yán)的原則，板厚適用范圍依照單面單道焊執(zhí)行，參考注③對(duì)熱輸入超過(guò)50 kJ/cm的焊接方法，認(rèn)可的厚度上限是1.0t(t為板厚)。結(jié)合船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝覆蓋的要求，試驗(yàn)分A，B，C 3組，分別對(duì)應(yīng)板厚15 mm，20 mm，25 mm，裝配參數(shù)見(jiàn)表2，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3，焊縫成形檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。根部間隙是保證背面焊縫成形的主要因素，根部間隙太小，容易導(dǎo)致未焊透，根部間隙太大，使得焊縫填充量增加，意味著焊接熱輸入增加，直接影響焊縫的力學(xué)性能，根部間隙參考?xì)怆娏⒑讣夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為8 mm。

表1 鋼材厚度的適用范圍[9]

表2 裝配參數(shù)

表3 焊接工藝參數(shù)

表4 外觀檢測(cè)數(shù)據(jù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根部焊縫接頭性能受熱輸入影響較大，重點(diǎn)檢驗(yàn)根部焊縫中心、熔合線、熔合線+ 2 mm、熔合線+5 mm等位置的沖擊性能(圖4),圖中a,b,c,d是指焊縫根部沖擊試樣缺口所處位置,其中,a為焊縫中心;b為熔合線;c為距熔合線2 mm的熱影響區(qū);d為距熔合線5 mm的熱影響區(qū)。

圖5和圖6為不同厚度試板焊縫的表面、根部形貌及宏觀檢測(cè)。A組試驗(yàn):如圖5a、圖6a所示，15 mm試板根部焊縫成形飽滿均勻，根部焊縫熔寬12 mm，余高2 mm。橫向氣電焊熱輸入經(jīng)計(jì)算為57 kJ/cm，達(dá)到了常規(guī)FCAW橫焊的5倍，一次成形填充量約占整個(gè)坡口的82.5%；抗拉強(qiáng)度值為515 MPa,510 MPa，硬度試驗(yàn)最高值為224 HV(圖7和圖8)，出現(xiàn)在根部焊縫中心位置，滿足船級(jí)社規(guī)范要求；沖擊性能最低值為88.1 J,69.4 J,90.0 J(表5)，出現(xiàn)在根部焊縫熔合線。

表5 沖擊性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

B組試驗(yàn):如圖5b、圖6b所示，20 mm試板焊縫成形飽滿均勻，根部焊縫熔寬10 mm，余高2 mm。橫向氣電焊熱輸入經(jīng)計(jì)算為86 kJ/cm，達(dá)到了常規(guī)FCAW橫焊的8倍，一次成形填充量約占整個(gè)坡口的83.1%。 抗拉強(qiáng)度值為515 MPa,500 MPa，硬度試驗(yàn)最高值為197 HV，出現(xiàn)在根部焊縫中心位置，滿足船級(jí)社規(guī)范要求；沖擊性能最低值為42.1 J,114.1 J,75.6 J，出現(xiàn)在根部焊縫熔合線+2 mm。

C組試驗(yàn):如圖5c、圖6c所示，25 mm試板根部焊縫成形飽滿均勻，熔寬12 mm，余高2 mm。橫向氣電焊熱輸入經(jīng)計(jì)算為93 kJ/cm，達(dá)到了常規(guī)FCAW橫焊的9倍，一次成形填充量約占整個(gè)坡口的75%?？估瓘?qiáng)度值為545 MPa,550 MPa，硬度試驗(yàn)最高值為224 HV，出現(xiàn)在根部焊縫中心位置，滿足船級(jí)社規(guī)范要求；沖擊性能最低值為106.4 J,87.8 J,97.0 J，出現(xiàn)在根部焊縫熔合線。

3組沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果相比船級(jí)社規(guī)范規(guī)定的39 J，都具有較大的工藝裕量，焊接工藝優(yōu)良。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)船舶中的橫位置對(duì)接焊縫的工藝特點(diǎn)，文中對(duì)陶瓷襯墊及水冷銅襯墊滑塊關(guān)鍵條件進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。焊縫表面采用水冷銅滑塊強(qiáng)制成形，焊縫根部采用陶瓷襯墊成形原理，焊縫成形均勻、統(tǒng)一、飽滿，避免了焊后打磨處理，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)通過(guò)開(kāi)展15 mm,20 mm,25 mm 的3組工藝試驗(yàn)對(duì)上述研究進(jìn)行了驗(yàn)證，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足要求，并具有較大的工藝裕量，確保了技術(shù)的可推廣性。

(3)氣電橫焊技術(shù)的研發(fā)及在LNG及大型集裝箱上的推廣應(yīng)用，突破了橫位置對(duì)接焊縫的效率瓶頸，熱輸入高達(dá)93 kJ/cm，焊接效率最高可提高8倍左右。