船舶焊接技术的现状及发展

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1、船舶焊接技术的现状及发展0 引言 船舶焊接技术是现代造船模式中的关键技术之一。 先进的船舶高效焊接技术， 在提高船 舶建造效率， 降低船舶建造成本， 提高船舶建造质量等方面具有重要的作用， 也是企业提高 经济效益的有效途径。 先进的船舶高效焊接技术涉及到船舶制造中的工艺设计、 计算机数控 下料、小合拢、中合拢、大合拢、平面分段、曲面分段、平直立体分段、管线法兰焊接、型 材部件装焊等工序和工位的焊接工程。同时也会牵动与之相关的焊接产业链，如焊接材料、 焊接设备和专用工装、 焊接辅器具、 金属的加工、 焊接接头设计、 焊接接头性能与质量控制、 焊接标准与规范等。1 船舶焊接材料的现状及发展 我国船

2、舶建造焊接材料基本实现了国产化， 然而仍有部分焊接材料依赖进口， 如船厂大 型平面分段流水线上的多丝埋弧焊焊丝和焊剂，气电垂直自动焊工艺上的药芯焊丝，双丝MAG 焊的焊丝以及建造特种船舶如LNG 、LPG 船、化学品船等所用的焊接材料。 高效焊材在船舶建造中发挥极其重要的作用， 因此引起了世界各国的重视， 不断研究开发出新的高效 焊接材料。 进入新世纪， 根据我国造船工业发展的需要， 高效焊接材料会有更大的发展空间。 从发展的方向来看，可有以下几方面值得重视。1.1 手工电焊条向下立焊焊条：与立向上焊相比，效率提高12倍。铁粉焊条：熔敷效率可提高130%240%，生产效率提高 50%以上。重力

3、焊条：采用高效铁粉焊条（一般直径为58mm，长度为550、700、900mm）。生产效率是常规手工焊的 6 倍。1.2 气保护实芯焊丝我国气保护实芯焊丝的品种太少（E49-1、E50-6），今后应大力扩大品种，同时也应进一步改进实芯焊丝的工艺性能， 降低飞溅， 成型美观。 如研制开发的活性实芯焊丝， 表面活化 处理，并具备防锈、润滑功能等。1.3 气保护药芯焊丝从发展的趋势来看， 药芯焊丝将是 21 世纪船舶企业的主要焊材， 目前应用率已达到 60% 以上。其特点为焊道成型美观、电弧稳定、焊接飞溅小、全位置焊接工艺性能良好、焊接熔 敷速度快、 生产效率高等。 为此， 国内大部分船厂均实现了集中

4、储罐式供气和焊接工位的焊 丝盘托盘供应。目前我国的药芯焊丝， 无论是数量、 质量、 品种与国外相比均有较大的差距， 应大力开 发与研究： 如碱性药芯焊丝、 自保护药芯焊丝、 金属型药芯焊丝， 以及水下药芯焊丝和不锈 钢、耐热钢、耐酸钢、低温钢药芯焊丝等。1.4 其他焊接材料随着我国焊接自动化程度的提高，将大力发展多丝MAG 焊、垂直立焊、全位置管线MAG 焊，以及机器人 MAG 焊等。无论是实芯焊丝和药芯焊丝，在适应性方面都要进行大 量的工作。多丝埋弧焊也将有很大的发展空间，焊丝、焊剂，特别是烧结焊剂需大力发展。 单面焊双面成型的各类衬垫在高效焊接中也是不可忽视的。1.5 可持续发展的高效焊材

5、 焊接是污染大户，有强光、噪音，并伴有大量烟尘、飞溅，污染空气和环境，时有职业病发生。因此，在发展高效焊材的同时，必须考虑可持续发展。根据我国焊剂与切割安全GB9448-88的规定，各类焊接作业的烟尘量w6mg/m3。然而，实际各工厂的焊接场地均超过此规定，特别是在车间和封闭的容器内，如在船舱内可达38312mg/m3，碳弧气刨的烟尘量更大，达 2001300mg/m3。不同焊条的发尘速度及发尘量见表1。不同焊材的平均发尘速度及飞溅见表2。从表中数据可以看出，高效焊材（实芯及药芯焊丝）发尘量最多，其次是低氢焊条。但各类焊材均超 出规定的卫生指标。因此，发展各类高效焊材的同时必须降低发尘量。减少

6、飞溅，特别是对碱性低氢焊材尤为重要。表1不同焊条的发尘速度及发尘量焊条类型发尘速度/(mg?mi n-1)每kg焊条的发尘量/（g?kg-i）钛钙型焊条20028068高钛型焊条28032079钛铁矿焊条300360810低氢型焊条30045010 20表2不同焊材的平均发尘速度及飞溅焊条实芯焊丝药芯焊丝发尘速度/(mg ?min-1)200450400600500850飞溅/(g?mi n-1)232.5 3.50.7 1.2日本神钢研制出I系列的药芯焊丝，比同类药芯焊丝发尘量和飞溅量减少30%40%。这种I系列焊材主要通过调整药芯的组成物，如以 MgCO3部分代CaCO3,减少CaF2及K

7、 的含量，以及适当减少激烈氧化等 （降低钢带的含碳量）。金属型药芯焊丝，也可减少烟尘及飞溅，并能提高生产率和改善焊接工艺性。 采用活性 焊丝可以提高焊接电弧的稳定性， 减少飞溅。此外采用逆变电源亦可降低飞溅， 改善焊缝成 型。为了保护焊工的健康， 焊接工位应安装通风、 洗尘设备，特别是在封闭容器之内焊接时。2船舶焊接方法及设备根据我国船舶企业造船模式的现状，可把企业分为三类：第一类主要是众多的小型造船企业和沙滩船厂，属于整体造船模式。 其焊接方法及设备的使用现状为：平板拼接、管道焊接及船体焊接均采用硅整流式变压器手工焊条电弧焊，刚开始应用晶闸管式 CO2气体保护焊机。第二类主要是地方造船厂和规

8、模较大的民营造船厂，其造船模式属于分段造船模式。其焊接方法及设备的使用现状为：平板拼接采用CO2气体保护焊机和晶闸管式埋弧焊机。平角焊、立角焊工艺采用 CO2气体保护焊和手工电弧焊。分段焊接亦以CO2气体保护焊和手 工电弧焊为主。管道焊接则采用TIG焊、CO2气体保护焊和手工焊条电弧焊。其趋势是向以CO2气体保护焊和焊接过程自动化为主的方向发展。第三类则是中国船舶工业集团公司和中国船舶重工集团公司下属的大型企业，如外高桥船厂、大连船厂、沪东中华以及南通的中远川崎等，其造船模式已属于分道造船模式，并向C02更先进的集成造船模式发展。上述企业焊接方法及设备的使用现状为：平板拼接采用气体保护焊和晶闸

9、管式埋弧焊机。平角焊、立角焊工艺基本为C02气体保护焊。区域连接应用气电立焊工艺。管道焊接为TIG焊和C02气体保护焊。其船舶焊接基本以 C02气体保 护焊和焊接过程自动化为主导，并开始采用机器人焊接。所谓高效焊接技术是指与常规焊条手工电弧焊相比，熔敷速度高、焊接速度快、操作方便且易于自动焊的焊接工艺方法。其特点是生产效率高、焊接质量好、节约能源和材料、改善劳动条件和保护环境等。对于船舶制造可以大大缩短造船周期、降低造船成本，故对我国造船业来说，船舶焊接方法及设备的整体发展趋势应是向高效焊接工艺及设备发展。目前我国的第三类造船企业中高效焊接技术已占全部焊接工作量的80%，但众多的中小船舶企业则

10、相差很远。船舶高效焊接技术主要有： 手工焊：铁粉焊条、重力焊、下向焊； 气体保护焊：CO2气体保护焊、双丝 MAG焊、垂直气电自动焊、TIME焊； 埋弧焊：单丝、多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊； 单面焊：手工单面焊、CO2气体保护单面焊、埋弧单面焊 (FCB、FAB、RF法)； 其他：电渣焊、激光焊、激光电弧复合热源、搅拌摩擦焊等。下面介绍一些船厂常用的高效焊接技术。2.1熔化极活性气体保护焊(MAG)MAG焊自20世纪50年代以来得到广泛应用，日本已占70%以上。MAG焊有自动和半自动两种方式。保护气可采用CO2或混合气体，焊材可以是实芯或药芯焊丝，其特点是高效、节能、质量好、成本低、易自动化。(

11、1) 实芯CO2气体保护焊：在国外一些大型船厂可占50%。(2) 药芯焊丝CO2气体保护焊(FCW) : FCW高效、节能、工艺性好、质量好。综合成 本低，只有手工焊条的 1/2，埋弧焊的1/3，CO2实芯焊丝的90%，飞溅少。(3) TIME焊：该工艺是在普通 MAG焊工艺基础上开发的一种新的焊接工艺，在焊接质量明显改善的情况下提高了熔敷效率。TIME焊和MAG焊角焊缝焊接效率比较如图1所示。MAGiV :皴口甬厦：&0熔敦事；5桃和h riMLiJR 口桶嚏;40图1 TIME焊和MAG焊角焊缝焊接效率比较TIME焊的工艺特点可简单的概括为：大的焊丝干伸长，高电弧电压，高速的送丝速度，提高

12、热能和熔敷效率， 达到高速、高效的焊接效果。大的焊丝干伸长意味着提高电阻热，采用高的电弧电压，大的电流的结果都能提高其熔敷效率，并在大电流的MAG焊禁区开创了新的应用领域。(4) 双丝或多丝 MAG/MIG高速焊。特点为大幅度提高热效率和熔化率；大幅度提高焊 速，可达13m/min ;明显降低生产成本。双丝位置可前、后，亦可并排。保护气体：Ar或Ar+CO2。焊板下可装传感器，控制电弧电流，保证焊透及成型。(5) 自动角焊MAG焊。船舶焊接结构中，角焊缝比例特别高，提高角焊的自动化率极 为重要。船厂应用的主要角焊设备有： 简易CO2自动角焊：适用于长直焊缝； T排制作自动角焊：无需装配焊接，焊

13、接速度快、焊接变形小； 船体纵骨自动角焊：双丝双电弧，平直分段纵骨焊接，同时焊接四纵骨八焊缝。(6) C02气电立向自动焊。 焊接时采用C02专用药芯焊丝，焊缝正面采用水冷铜滑块强 制成形，反面借助于衬垫也同时成形的高效焊接方法。多用于船体合拢，比手工焊条焊提高效率68倍。2.2高效埋弧自动焊 多丝埋弧焊；适用于船体平板拼接。 窄间隙埋弧焊：适用厚板结构(100200mm)，可比一般埋弧焊提高效率24倍，节省填充金属，降低能耗； 立板横向埋弧焊：适于船体侧板组装的焊接。球形及筒形压力容器的横向组装焊缝 (工地现场)。2.3单面焊双面成型在船舶制造中采用最多的高效焊接工艺技术。按衬垫种类分：铜衬

14、垫、陶瓷衬垫、玻璃纤维及石英砂衬垫以及固化焊剂衬垫。 按焊接工艺方法分：手工焊条焊、埋弧焊、实芯和药 芯的MAG、MIG焊。(1) 焊剂石棉衬垫单面焊(FAB)FAB法(Flux Aided Backing)利用柔性衬垫材料装在坡口背面一侧，并用铝板和磁性压紧装置将其固定。主要用于曲面钢板的拼接及船台合拢阶段甲板大口的焊接，如图2所示。复=呈、圭竺g匚二火甘料图2 FAB法(2) 热固化焊剂衬垫单面焊(RF)RF法(RegionFluxBacking)是采用一种特制的含有热硬化性树脂的衬垫焊剂，它的下部 是装有底层焊剂的焊剂袋，如图3所示。(3) 铜衬垫单面焊FCB法FCB法(FluxCopp

15、erBacking)是采用焊剂铜衬垫及压缩空气加压。通常用双丝或多丝埋弧焊，第一丝常用直流，其他丝用交流电源，如图 自动焊设备如图5所示。4所示。平面分段流水线 FCB法四丝埋弧图5 平面分段流水线 FCB法四丝埋弧自动焊3船舶制造中的高新焊接技术3.1机器人焊接机器人焊接是焊接自动化的最高水平，是计算机技术、自动控制技术、气体保护焊接技术的完美结合。适用于船舶构件批量化、小型化焊接生产以及狭窄舱室短焊缝全位置焊接。上世纪90年代日本船厂开始使用焊接机器人，韩国现代已研发出5种获得国际认证的焊接机器人用于船厂焊接。我国外高桥造船有限公司等单位已开始尝试采用机器人焊接技术 用于船舶结构焊接。 图6所示为昆山华恒焊接工程技术中心、江苏科技大学、上海外高桥造船有限公司联合研制的国内第一条船用管-管、管-法兰机器人焊接系统。图6管-管、管-法兰机器人焊接系统3.2激光与电弧复合焊接技术激光