薄板拼板焊接工艺研究

唐鑫 陈宪刚

【摘 要】薄板焊接一直以来都是船舶建造中的难点，研究薄板焊接工艺有利于提高船舶建造的质量。本文通过实际生产中对不同类型的焊接设备的使用，采用设计、试验和检验等方法，摸索出一套完整的薄板焊接工艺，对船舶建造有较好的指导意义。

【关键词】船舶建造；薄板焊接；工艺指导

中图分类号： TP391.9；U671 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）05-0171-002

【Abstract】Thin plate welding has always been a difficult point in shipbuilding. Studying thin plate welding process is beneficial to improving the quality of shipbuilding. This article through the use of different types of welding equipment in actual production， the use of design， testing and inspection and other methods， find out a complete set of thin plate welding process， has a good guiding significance for shipbuilding.

【Key words】Shipbuilding； Thin plate welding； Process guidance

0 引言

许多产品由于要考虑产品重量会影响产品的性能和使用，需要采用轻体薄壁材料，在船舶建造过程中，薄板焊接是一项重要的工作，并且我国在建造大型水面船舶时，出于对船舶自身的重量考虑，普遍涉及薄板焊接，现在薄板已经广泛应用于船体各个部位，如船壳材料、上层建筑、桥楼结构等，但是薄板在焊接过程中会出现拼板焊接变形和焊缝表面缺陷等诸多问题，因此研究薄板焊接工艺有主要意义。经过研究，采用薄板双面埋弧自动焊的方法可以提高生产效率和焊接质量，满足工厂造船生产发展的需要[1]。

1 研究背景和意义

1.1 研究背景

随着现代造船領域采用的薄板材料越来越多，焊接技术工艺要求显著增加，特别是对研发的新产品、新材料焊接工艺性能的掌握不足，加上薄板复杂的焊接工艺，此工艺研发结果的成败将会影响产品建造周期和焊接质量，这样必将影响船舶建造计划的完成。为了产品顺利建造，在无压力架设备装置的情况下提高薄板焊接质量以及焊后的自由恢复，并完善焊接工艺，为满足薄板焊接工艺规范标准的实施，在船舶制造方面大力对薄板焊接工艺的推广及应用势在必行。

1.2 研究意义

研究本工艺是企业发展的需要，同时符合国家科技研发方向。随着我国造船业的快速化发展，高科技领域造船，最新焊接技术等一些先进造船理念的提出，对船舶制造企业在造船周期和质量上都有很严格的要求，为此，企业必须具备很强的应变能力和先进技术的开发能力[2]。

研究本工艺符合先进制造技术理念。在保证并考虑提高焊缝质量的基础上，按照薄板的焊接特性编制合理的焊接工艺并有效地控制焊缝强度和焊接变形，并综合考虑改善其获得线性光顺、焊接质量合格、美观焊缝的成型。对提高产品的寿命、降低维护费用及维修时间，为减少焊接表面缺陷、焊接变形的产生实施奠定基础，符合现代造船先进制造理念。

2 研究内容

2.1 重点与开发内容

该研究通过自主研发的自有技术，通过对不同类型的焊接设备的使用，在无压力架设备装置的情况下通过设计，试验，检验等，得出一套完成的自有的薄板制造工艺指导生产，并逐渐形成自有操作规程。研究目的是使该产品的焊接减少变形，外观具有良好的平整度，对提高产品的整体美观极为重要。

在焊接过程中，由于焊接热源和焊接热循环的作用，使焊件受热不均匀，有先焊和后焊之分，焊缝全长加热时间不一致，因此金属各部分受热使的膨胀与冷却使收缩也不同，先焊部分先冷却，后焊部分后冷切，先冷切部分又限制后冷切部分的横向收缩，这种相互之间的限制和反限制，就在焊件中产生了应力和变形.焊接变形将引起甲板失稳以及舱壁、外板的凹凸变形，使船体结构强度降低。焊接残余应力对焊接结构的脆断、应力腐蚀开裂都有很大的影响。

影响焊接变形的因素有很多，如施焊方法和焊接工艺参数，焊缝长度及其截面积，焊接热输入，装配和焊接程序等。综上所述影响薄板焊接变形的因素时多方面的，现在从实际工艺生产角度，主要从控制焊接热输入及焊接工艺参数入手进行试验，在焊接过程中不可避免的产生缺陷。

CO2气体保护焊一般采用φ1.2mm的盘式焊丝；埋弧焊一般采用φ2.4mm的盘式焊丝。焊丝材料可选用：GB-E501T-1、GB-H08A/ CHF431或CHF301。上述焊材与规格仅供本研究参考选用。

2.2 薄板焊接主要设备

埋弧焊设备：可选用630E埋弧焊机；CO2气体保护焊设备：可选用350A CO2焊机和自动化气保焊车（自动焊接小车）以及气体流量计、气瓶等。

2.3 薄板焊接工艺—双面埋弧自动焊

（1）首先钢板切割完后使用三芯滚校正，然后吊装在拼板的胎架上，防止钢板向下凹陷。

（2）埋弧焊拼板需将薄板拼在拼板的胎架上，注意整块钢板必须落在胎架模板条上，整个焊接过程必须使用压铁将其固定。板两侧用直角马板固定，并且每个直角马板间隔200mm左右，焊缝的两侧全部加上长的压条，压条长度不少于板长，拼板的四角最好再加上箱型压铁。

（3）板的间隙最好控制在0.5mm-1.0mm以内，因为填充材料越多，焊接变形越大。坡口边缘要整齐，接口处上下错边应不大于板厚的1/3，以减少变形。

（4）拼板对接装配时，定位焊长度30mm，间距150～200mm。拼板两端应安装引弧板和熄弧板，规格为不小于100×100 mm，厚度与被焊板材一致，焊接时引弧和熄弧板上的焊缝长度<50mm。

（5）埋弧自动焊焊剂领用前必须经过适当温度和时间的烘焙，其中CHF301属硅钙型中型烧结焊剂，在使用前须经300-350°烘焙1-2小时。CHF431是熔炼型高锰高硅低氟焊剂，在使用前须经200-250°左右烘焙1-2小时。

（6）焊前应进行适当的清理工作，对焊缝部位及焊缝周围30mm范围的油污、水、锈等赃物，采用钢丝刷或砂轮打磨进行清理。必须磨出金属光泽，必要时需采用氧—乙炔炬火焰烘烤焊接部位，以烧掉工件表面的污垢和油漆，并烘干水分。

（7）焊完第一面，板缝两边稍待冷却平复，吊开压铁翻身，注意板片外缘须落在胎架模板条上，再吊上压铁于焊缝两侧。

焊接工艺参数如下：

埋弧焊第一道：焊丝直径φ2.4mm、电流280-300A、电压24-28V、焊接速度28-30m/h；

埋弧焊第二道：焊丝直径φ2.4mm、电流320-340A、电压28-30V、焊接速度36-40m/h。

2.4 工艺要点控制

通过模拟试验对工装、夹具改进；缩短拼板胎架间距，埋弧焊拼板需将薄板拼在拼板的胎架上，注意整块钢板必须落在胎架模板条上，整个焊接过程必须使用压铁将其固定，焊缝的两侧全部加上长的压条。片体制作时板片四周须落在胎架模板条上，如有落空须加强胎架。板片四周加压码固定，注意必须先装结构后加压码。板片的四角最好再加上箱型压铁板两侧用直角马板压铁固定，并且每个直角马板压铁间隔200mm左右。

2.5 埋弧焊焊接主要缺陷的解决对策

（1）第一面采用埋弧焊焊接时易产生了大量的焊缝表面气孔。

原因分析如下：4-7mm薄板埋弧焊，由于埋弧焊在焊接薄板时速度比较快，电弧功率小，对气孔的敏感性甚为强烈，其电弧能量小，冷切速度块，金属的熔化-结晶时间很短，弧氛中的的搅拌作用减弱，在熔池中某些气体就没有充分时间溢出，铁锈、油、水分等若干存在于焊接端面，在焊接过程中熔池的底部就会使气体猛烈析出，由于焊接过程很短部分气泡来不及浮到表面，就会在焊缝中产生气孔，焊接过程中保护不良，有较多的空气浸入熔池从而形成气孔。

解决措施：根据现场分析多数情况气孔是成堆出现，结合拍片和对比气孔的形状发现氢气孔是少数，更多的是成蜂窝状的氮气孔。因为第一面采用的是CHF431焊剂。然而CHF431颗粒度是8-40目，颗粒度比较大，焊接过程中保护不好，有较多的空气浸入熔池，从而形成气孔。后来第一面采用CHF301焊剂，颗粒度为10-60目，气孔问题得到良好的解决。

（2）焊缝表面成形有斑点问题。

分析原因：这个主要是因为焊接区未清理干净，焊剂和工件潮湿，焊接过程中焊剂铺附过厚。焊剂堆散高度太薄或太厚都会在焊缝表面引起斑点、凹坑并改变焊道形状。按照焊丝直径和所使用的焊接电流值，焊剂层的堆散高度通常在25-40mm范围内。

措施：加强焊前清理，烘干焊剂和工件，将焊剂铺覆高度降低到40mm一下。

2.6 工艺方案总结

工艺方案能在没有压力架的条件下有效控制薄板焊接的变形，能为企业节约成本较多成本。双面使用埋弧焊不但提高了工厂的生产效率较少了火工矫正，而且还获得了内部质量良好，外部成形美观的焊缝。为现代船舶建造质量奠定良好的基础，也为以后的薄板拼板焊接提供了一个规范。

3 风险分析

风险主要包括市场风险、資源风险、技术风险、工程风险、资金风险、外部协作风险、社会风险和其它风险等。本研究的技术来自主研发，技术风险较小；涉及的到资源，材料为公司生产必需品，设备工程为常规性项目，并只有简单的工装制作项目，因此，其市场风险和资源风险较小，本研究跟随企业工程开展同步进行，在研究支持上有保障，风险较小；外部协作较少，社会风险和其他风险较小；并具有明显的产业资源的优势，和人力资源优势和成本优势。

因此进行本研究的风险较小。

4 总结

针对联合工厂拼板焊接变形和焊缝表面缺陷等现场实际状况，提出了关于“薄板拼板焊接工艺研究”课题。工艺方案能在没有压力架的条件下有效控制薄板焊接的变形，节约造船成本。经过研究，采用双面使用埋弧焊不但提高了工厂的生产效率较少了火工矫正，而且还获得了内部质量良好，外部成形美观的焊缝。为现代船舶建造质量奠定良好的基础，也为以后的薄板拼板焊接提供了一个参考。

【参考文献】

[1]石子.薄板焊接技术[M].金属加工（热加工）杂志编辑部，1986.

[2]曹雷.舰船建造工艺[M].海潮出版社，2003.