周昌盛

（大连辽南船厂，辽宁大连 116041）

自动化焊接技术在薄板成型中的应用

周昌盛

（大连辽南船厂，辽宁大连 116041）

结合某型高速船钢质结构的建造，阐述了在薄板焊接成型质量控制过程中，针对船体建造流程和船体结构特点，制定详细的焊接施工工艺。通过采用多种自动化焊接方式以及不同焊接方式的组合，有效控制了薄板的焊接变形，使该船薄板结构的整体成型效果达到了国内领先水平。总结的大量自动化焊接技术在薄板成型中的应用经验，可供业内同行参考使用。

自动化焊接；薄板成型；自动化率

0 引言

自动化焊接技术在我国飞速发展的造船业中已得到了广泛的应用。随着现代船舶产品的多样化、大型化和海洋工程的开发，船舶产品的焊接自动化率也在逐年提升。目前，我国船舶产品焊接技术机械化、自动化率可以达到45%以上，先进船厂的焊接自动化率已突破了50%。但对于航速要求较高的中小型高速船舶，其焊接自动化率一直不高。考虑高速船舶的特殊性能，为了保证一定的航速，在设计时不得不尽量采用强度较高、厚度较薄的钢板作为船体的主要材料，以降低船体自身重量。船体结构中大量薄板的应用，导致自动化焊接设备的高效性和适应性受到很大制约，这是其焊接自动化率偏低的主要原因之一。

薄板焊接成型问题一直是船舶企业所面临的一个难题。焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素[1]。以大连辽南船厂（以下简称“船厂”）承造的某型高速船为例，在该型船的建造前期，工厂通过总结以往的薄板焊接经验和外出调研成果，并根据全船薄板的结构特点，以钢板受热均匀、成型美观为基本原则，进行了三十余项焊接工艺性试验，最终针对薄板焊接变形控制精选出一系列较实用的自动焊焊接方式、方法用于该船的实际焊接施工中，并取得了巨大的成功，得到了各级领导和专家的高度赞扬。本文将结合某型高速船的建造，按照船体建造流程（船体建造一般分为钢料加工、分段建造、分段总组、坞台搭载等四个阶段[2]）和船体结构特点，对厚度为3mm~6mm的薄板自动焊焊接工艺进行总结和完善。

1 钢料加工阶段

钢料加工阶段是船体建造过程中最能体现焊接自动化水平的阶段。该阶段主要包括数控下料、拼板、划线、零部件组对及焊接等工序，除型材组对外，平板的拼接、平面板架的焊接均能实现自动化焊接。

1.1 平板的拼接

1.1.1 薄板拼接方法的选择

对于6mm以下薄板的拼接，按以往的经验，正反面焊接均采用CO2气体保护自动焊进行。该种焊接方法虽然使得焊缝成型美观，但也存在工序繁杂、效率底、焊接质量不易控制等缺点。考虑到CO2气体保护自动焊的诸多缺点，引进了细丝埋弧焊技术，利用Ф2.0mm焊丝对4mm~6mm薄板进行自动化焊接，大大地提高了焊接效率和焊接质量。细丝埋弧焊的焊缝成型不如CO2气体保护自动焊美观，相对而言，其焊接变形也较大。为此，经过对船体薄板结构特点和在实船上所处位置的仔细分析，既考虑焊接效率又兼顾焊缝表面成型效果，尝试采用组合焊，并取得了成功。在焊缝设计时，强调将细丝埋弧焊焊缝放在有结构一侧（一般为舱室内侧），在甲板面和通道两侧尽量设置CO2气体保护自动焊焊缝。

1.1.2 薄板拼接工艺要求

1）严格控制钢板对接间隙，3mm板材拼接对接间隙不大于1mm，6mm及以下板材拼接对接间隙控制在1.5mm~2mm之间（板材拼接焊缝间隙仅适用于CO2气体保护自动焊），并且在坡口处倒角，薄板拼接坡口参数如表1所示，示意图如图1所示。

表1 薄板拼接坡口参数

图1 薄板拼接坡口示意图

2）定位焊焊点直径为5mm，焊点间距为50mm，均匀分布。焊前对定位焊部位进行打磨，焊肉磨平高度约为 0~0.5mm，焊点高度不能超过钢板表面0.5mm，以免影响焊缝表面质量。

3）采用单面定位焊，先焊接定位焊面，翻身后，除3mm板材需清根后焊接外，4mm~6mm板材打磨后直接采用细丝埋弧焊进行焊接。

4）平板拼接前将磁性压码或专用压板器均匀放置在焊缝两侧，磁性压码间距为500mm左右，板材周边用马板固定，防止板材翘起，如图2所示。在不影响焊接的情况下，磁性压码或专用压板器应尽量靠近焊缝，待焊缝冷却后方可移开。磁性压码应采用防磁措施（在靠近焊缝一侧的磁性压码旁垫上铝板），避免造成焊接作业时产生磁偏吹现象，影响焊接质量。

图2 平板拼板压铁摆放示意图

5）平板拼接焊接时，CO2气体保护自动焊选用Φ0.8mm实芯焊丝，埋弧自动焊选用Φ2.0mm焊丝，此种焊接方法仅适用于4mm~6mm板材的拼接，其规范如表2所示。

表2 平板拼接焊接规范（组合焊）

1.2 平面板架的焊接

1.2.1 平面板架焊接方法的选择

薄板平面板架的焊接效果是薄板成型的关键，该工序焊接方法使用不当会直接影响后续工序乃至全船薄板整体成型质量。要想板架成型效果好必须做好以下三点：1）焊脚尺寸一致且趋近设计尺寸下限；2）板架整体受热均匀；3）做到焊接有序。

自动角焊小车是同时满足前两点要求的不二选择。结构安装时应考虑自动焊小车的利用率情况。在平面板架结构安装时，应将方向一致且数量多的结构先安装。一般情况下，先安装全部纵向结构，使用自动角焊小车焊接后，再安装横向结构。由于形成了十字相交结构形式，须将小车的轨道用特定的工装垫平，分段焊接横向结构。此种方法焊接的平面板架，自动化焊接量最高可达到焊缝总长的80%以上。

1.2.2 平面板架装配、焊接工艺要求

1）使用专用平台装配、焊接，平台表面平面度保证在±1mm/5m。

2）平面板架结构装配间隙应控制在0.5mm以下，尽量做到“不透光”。

3）定位焊分布均匀，间距为50mm为宜，并只在结构的一侧定位焊，不得使用拉杆固定。

4）焊前使用厚度为 25mm~35mm、宽度为300mm的条形压铁，放置在预先钉焊好的结构两侧，待焊缝冷却后方可移开。为使焊接应力能够自由释放，板架边缘无需刚性固定，平面板架焊接压铁摆放如图3所示。

图3 平面板架焊接压铁摆放示意图

5）单道焊缝由中向两端施焊，多道焊缝由中向两侧交错施焊，型材同一侧焊缝一次性焊接完毕后再焊另一侧焊缝，焊接顺序如图4所示。

6）平板板架焊接时采用CO2气体保护自动角焊进行，选择Φ0.8mm焊丝，焊前打磨清理待焊部位，其焊接规范如下：电流 70A~90A；电压18V~20V；小车行走速度：350mm/min~400mm/min。

7）薄板平面板架焊接时，应将焊脚高度控制在0.9K~1.0K（K为焊脚设计高度）范围内。

图4 平面板架焊接顺序示意图

2 分段建造阶段

分段建造即分段装配，是将钢料加工阶段所形成的部件和零件组装成分段或总段的工艺过程[3]。对于某型高速船而言，在该阶段自动化焊接主要体现在分段反造和舷侧板架安装、焊接两个方面。

2.1 分段反造时甲板结构的焊接

分段反造时，一般以甲板或平台为基本操作面，将板材直接铺于胎架上，然后进行板材拼接、划线、结构件安装、焊接等作业，其施工要点与平板的拼接、平面板架的焊接类似。不同之处是在坡口的选择上，当板厚大于或等于5mm时，对于对接板缝就可以尝试使用陶质衬垫，实现单面焊双面成型的效果；当板厚小于5mm时，就只能选择CO2气体保护自动焊（使用带有摆动功能的自动焊小车）进行焊接，以确保焊接质量和焊缝成型美观。

2.2 舷侧板架安装、焊接

2.2.1 焊接方法的选择

对于深 V船型或舷侧结构线型不大的船体而言，其舷侧外板由于横向线型多为斜直线型或直线型，所以舷侧结构十分适合形成板架后整体安装。为了提高焊接自动化率和薄板成型质量，在设计时将舷侧结构组成平面板架在钢加阶段进行焊接，最后在分段建造阶段整体安装到分段上，这样既节省了工时又有利于薄板成型控制。所以，其焊接方法与钢加阶段平面板架的焊接相同。

为提高外板横焊缝的美观程度，引进自动焊摆头小车，使用CO2气体保护半自动焊（药芯）在结构内侧焊接，外侧气刨清根，CO2气体保护自动焊（实芯）盖面。此种工艺有效地杜绝了外板横焊缝的“双眼皮”问题，大大地提高了外板横焊缝的美观程度。立对接焊缝比照以往手工焊缝的成型效果也有很大提高。这样，除艏艉分段外板有部分焊缝手工焊外，其余外板焊缝均实现了自动焊盖面，焊缝成型效果极佳。

2.2.2 横、立对接焊缝气体保护自动焊焊接规范

横、立对接焊缝气体保护自动焊（盖面焊）焊接规范如表3所示。

表3 外板对接盖面焊焊接规范（CO2自动焊）

3 分段总组、坞台搭载阶段

分段总组、坞台搭载阶段是将分段合成总段，再将总段吊到船坞或船台进行搭载，最终形成完整船体的施工阶段。该阶段主要是针对合拢缝的焊接，其焊接方法与分段建造阶段相似，仅在盖面层应用CO2气体保护自动焊，本文不再重复介绍。

4 薄板自动化焊接技术总结

在某型高速船的薄板焊接中，先后应用了细丝埋弧自动焊、CO2气体保护自动焊、CO2气体保护自动角焊、半自动CO2气体保护焊、带陶质衬垫的CO2气体保护焊等高效焊接方法，仅在定位焊和一些施焊位置狭小的部位用了一些焊条电弧焊。以下是船厂根据该工程焊接材料实际消耗量，按照国内某权威院所提供的计算方法，得出的焊接自动化率结果如表4所示。由于该统计结果为批量产品前期阶段性统计结果，在该工程后续统计中焊接自动化率还应有所上升。

表4 焊接材料实际消耗总量及焊接自动化率统计表

表5 组合焊方式及使用范围

为提高焊缝成型质量，在全船薄板焊接施工中，除在钢加阶段外，船体外板、各层甲板、平台等较平直部位均采用了组合焊工艺，在大大地提高了焊接自动化率的同时，对薄板成型质量起到了至关重要的作用。具体组合焊方式及使用范围如表5所示。

5 结束语

薄板焊接成型质量的好坏直接影响船舶整体的美观效果，薄板焊接成型问题也一直是船舶企业所面临的一个难题。自动化焊接是提高薄板成型质量的重要手段之一，结合实际建造经历，总结了大量自动化焊接技术在薄板成型中的应用经验，仅供广大业内同行参考。

[1] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册(第 3卷)[M].北京: 机械工业出版社, 2007.

[2] 应长春. 船舶工艺技术[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2013.

[3] GB 12924-91, 船舶工艺术语[S]. 1991.

Application of Automatic Weld Technology in Sheet Forming

Zhou Chang-sheng

(Dalian Liaonan Shipyard, Liaoning Dalian 116041, China)

Combining with the steel structures’ construction of some high speed vessel, the detailed welding construction scheme in the quality control process of sheet weld forming is set down, aiming at hull’s building procedure and structure features. The sheet welding distortion is controlled effectively by adopting multiple automatic welding methods and combination of different welding methods, which make the sheet structures’ overall forming effect achieve the leading domestic level. The automatic weld technology applied to sheet forming in this paper can be used as a reference in this industry.

automatic weld; sheet forming; automatization ratio

U671.8

A

1005-7560 (2014) 06-0013-04

周昌盛（1975-），男，工程师，主要从事船舶焊接工艺及设计工作。