船舶行业拼板高效焊接技术.

船舶行业拼板高效焊接技术的研究进展国内拼板焊接技术2国外拼板焊接技术3提纲目录1背景及意义总结4一、背景及意义船舶焊接是船舶制造过程中主要关键的工艺技术之一，目前随着船舶的大型化，焊接在船舶制造中作用就显得越发突出，加之目前国内高技术的焊接人才溃乏及人力资源成本的不断提升，使得以往依赖劳动力制胜的船舶焊接质量越发的困难。目前国内船舶制造公司，难以招聘数量可观的技术水平娴熟的焊接人才，难以保证船舶的焊接质量和焊接效率。因此，怎样提高焊接效率，保证焊接质量就成为当下各大船舶制造公司焊接工程师必须考虑的课题，怎样将目前船舶制造的焊接工艺采用机械化，高效化的焊接技术就成为船舶制造公司强而有力的竞争手段，同时这也将成为国内船舶公司与日韩船舶公司强有力的竞争手段。众所周知，船舶拼板在整个船舶制造过程中占有很大的比例，同时这也是影响整条船舶制造周期的关键环节，因此我们可以通过提高船舶拼板的焊接效率来提高船舶建造效率。二、国内拼板焊接技术1.CO2气保焊、埋弧焊目前国内拼板主要是在胎架上采用CO2气体保护半自动焊接，埋弧焊焊接技术，或两种方法相结合，主要是以人工操作为主，设备简单，操作入门相对比较容易，但是达到操作技术娴熟，合格的焊工比例越来越少，加之用于拼板定位所用的马板数量众多，焊接过程中熄弧起弧的位置较多，就越发给焊接操作者带来了更高的操作难度，同时在人为焊接过程中，焊接参数的选择不同导致拼板的变形不同，容易导致分段的精度要求不能达到目标。目前国内拼板的焊接状况如图所示。二、国内拼板焊接技术CO2气保焊、埋弧焊图1：拼板CO2焊图2：拼板埋弧焊二、国内拼板焊接技术CO2气保焊、埋弧焊图3：拼板马板定位图4：拼板反面碳刨打磨二、国内拼板焊接技术国内拼板焊接技术优缺点优点：•设备的投入成本较低，设备的入门操作相对简单。缺点：•需要大量的焊工，对合格焊工操作技能要求较高。•焊接速度慢，效率较低，因为需要大量马板进行定位，及马板的拆除辅助工序时间较长。•需要碳刨、打磨等工序辅助时间较长。•焊缝质量波动性较大。•拼板的精度难以控制。三、国外拼板焊接技术1.双丝MAG焊焊接技术双丝MAG焊接技术目前主要是应用在机车行业中，国外的船舶制造公司也有相应的应用，但是数量较少，双丝MAG焊主要是采用实芯焊丝利用CO2+Ar的保护气体进行保护，双电源控制，背面采用陶瓷衬垫，双丝单熔池的焊接技术。其焊接原理如图所示。图5：双丝MAG的焊接原理示意图三、国外拼板焊接技术双丝MAG焊焊接技术图6：双丝MAG焊门架系统三、国外拼板焊接技术双丝MAG焊焊接技术图7：MAG焊缝表面成型三、国外拼板焊接技术双丝MAG焊优缺点优点：•较传统的CO2半自动焊，采用双丝焊焊接效率有所提高。•焊缝成型均匀美观，熔敷效率高。•由于采用门架自动焊接系统对人员的操作技能要求相对较低。缺点：•设备的成本较高，对场地要求高，整套门架系统的投入维护成本高。•辅助材料要求较高，如衬垫、背面的压紧装置等。•对拼板对接的坡口精度要求较高。•具有到一定比例的返修率，并且需采用仰焊返修。三、国外拼板焊接技术2.FAB法焊接技术该焊接方法是焊剂石棉衬垫单面焊（FAB法），它是一种单面埋弧焊方法，利用柔性衬垫材料在坡口背面，并用铝板和磁性压紧装置将其固定。其特点是简便、省力、材料成本低廉。它主要应用于曲面钢板的拼接以及船体构造中船台合拢阶段甲板大口的焊接。该FAB衬垫是日本在1974年研制成功的，在造船和桥梁等施工现场获得实用后，证明能有效地提高效率，并可显著减轻焊工的劳动强度。焊接工作原理如下图所示。三、国外拼板焊接技术FAB法焊接技术横断面两面胶布玻璃布特殊固体焊剂耐火材料热收缩纸瓦楞纸衬垫55玻璃布端部侧面1.焊丝2.铁粉3.母材4.FAB衬垫5.磁力马板6.焊剂图8：FAB焊接示意图图9：FAB用衬垫三、国外拼板焊接技术FAB法焊接技术图11：FAB法焊接设备图10：背面磁性装置三、国外拼板焊接技术FAB法焊接技术优缺点目前FAB焊接技术在国内中远川崎造船公司有所应用，由于该焊接技术对焊接材料的要求较高，目前设备、焊丝焊剂等辅助材料主要是日本进口，成本较高。但是由于是采用双丝埋弧焊，前丝直径4.8mm、后丝直径6.4mm，焊接熔敷率高，焊缝单面焊一次成型，效率高质量稳定。优点：•焊接熔敷率高，焊接效率快。•焊接质量成型好，焊接质量稳定。•对焊工的操作技能要求低。缺点：•设备依赖进口，成本高。•焊接材料依赖进口，成本高。•对接坡口精度要求较高。三、国外拼板焊接技术3.FCB法焊接技术FCB法（焊剂铜衬垫）埋弧自动单面焊是在平面分段流水线上进行拼板焊接的一种高效焊接方法，其原理是在铜衬垫上撒上一层底层焊剂，并将其紧贴在被焊接件的坡口背面，在表面用两个或三个电极进行埋弧自动焊。其焊接工作原理如图所示。空气软管铜垫板焊剂焊剂图12：FCB焊示意图三、国外拼板焊接技术FCB法焊接技术图13：FCB焊接设备图14：FCB法焊缝的表面质量三、国外拼板焊接技术FCB法焊接技术优缺点目前FCB法在国内船舶制造公司应用较多，主要依赖日本进口，采用两丝或三丝埋弧焊接，背面采用铜衬垫，单面焊双面成型，焊接效率较高。优点：•焊接熔敷率高，焊缝单面焊双面成型，一次成型，焊接效率高。•缝表面质量成型均匀统一，焊接质量稳定。•焊工的操作技术要求相对较低。缺点：•焊接场地要求高，前期投入成本高。•焊接材料及辅助材料成本较高。•存在一定比例的返修三、国外拼板焊接技术4.双丝埋弧焊焊接技术该套平面分段流水线是采用双丝埋弧进行焊接，然后利用翻身装置进行钢板翻身并在反面进行双丝埋弧焊的拼板焊接，随后具有纵骨T排的自动定位及自动焊接系统。焊接设备系统如下图所示。图15：双丝埋弧焊焊接设备系统图16：钢板翻身装置三、国外拼板焊接技术双丝埋弧焊焊接技术图17：纵骨T排自动焊接定位设备图18：纵骨T排自动焊接设备系统三、国外拼板焊接技术双丝埋弧焊焊接工艺该套双丝埋弧焊的焊接系统可以实现40mm以下钢板的正反面各一道的焊接，但是对坡口的间隙要求较高，工艺要求在1mm以下。目前该焊接系统可实现24mm以下厚度钢板不开坡口，正面焊接一道，翻身后无碳刨再焊接一道，即可完成钢板的焊接。图19：I型坡口焊接事宜图图20：双丝埋弧焊表面焊接质量焊道2焊道1三、国外拼板焊接技术双丝埋弧焊焊接工艺焊道焊丝直径电流电压(V)速度(cm/min)AC，DCA正面4.8DC1000-110030-3680-90AC750-85040-42反面4.8DC1200-130030-3690-100AC800-90040-42表1：24mm以下钢板的焊接工艺参数三、国外拼板焊接技术双丝埋弧焊焊接工艺24-40mm的钢板采用X型坡口的，正面一道，反面无碳刨再进行一道焊接，即可完成焊接，焊接效率大大提升。图21：24-40mm钢板X型坡口焊接示意图图22：40mm钢板X型坡口焊缝宏观金相三、国外拼板焊接技术双丝埋弧焊焊接工艺表2：24-40mm钢板的焊接工艺参数焊道焊丝直径电流电压(V)速度(cm/min)AC，DCA正面14.8DCEN900-110030-3652-58AC700-85033-39反面14.8DCEN1150-145033-3950-56AC1000-110038-43三、国外拼板焊接技术目前存在问题公司在对40mm厚度DH36的钢板进行双丝埋弧焊焊接，焊后对焊缝进行了UT的例行检查发现热影响区存在焊接缺陷疑似裂纹，采用碳弧气刨却没有发现任何缺陷，但是UT检测时常出现缺陷显示，于是将焊缝切割下料进行宏观检测发现钢板厚度中心线处存在一条黑线如图所示，初步认为是钢板中心处存在偏析夹层现象。图23：母材厚度中心线处偏析分层（左边无，右边有）三、国外拼板焊接技术目前存在问题事后对钢板原材料进行检测，首先进行坡口边缘的原材料UT检测，发现UT存在异常情况，然后切割下料原材料试验，进行拉伸和弯曲试验时发现存在中间偏析分层现象如图所示。图24：超声波检测（UT）异常三、国外拼板焊接技术目前存在问题图25：拉伸试样端口中心存在偏析分层图26：弯曲试样母材中心出现开裂三、国外拼板焊接技术目前存在问题事后我们邀请相关钢板厂家进行商讨研究，并要求提供母材检测标准，同时钢板厂家表示：钢板是符合船级社的相关原材料标准；钢板中会出现偏析分层现象尤其是厚板更容易出现，但是都是在标准允许范围之间。针对此种现场公司组织相关人员进行分析：•首先对钢板的坡口边缘进行UT检测，UT检测后对于偏析分层不严重的钢板进行焊接；•焊后再次对焊缝进行UT检测，发现如果钢板无分层现象，焊后焊缝质量无缺陷，钢板原材料检测有偏析分层时，焊后检测可能会出现UT检测异常。•厚板中心线位置存在偏析分层时，由于该处两次受到大线能量热量的影响，容易在该处产生焊接缺陷。三、国外拼板焊接技术工艺改进为此公司焊接技术人员从坡口工艺上进行研究改进，将40mm厚板的坡口条件进行适当修改如图所示，焊后UT检测合格。但是更改后的坡口，焊接效率有所下降，本来只需2道焊，现在需要4道焊接，同时焊接变形也很难控制。图27：原坡口示意图图28：坡口修改后的示意图三、国外拼板焊接技术工艺改进表3：40mm钢板的焊接工艺参数道次前丝后丝焊接速度（mm/min）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）正面第一道预设7503290033700第二道预设11003490036650第三道预设10003490039480反面第一道预设12503390040560三、国外拼板焊接技术工艺改进图29：坡口修改前宏观金相图30：坡口修改后宏观金相四、总结随着船舶建造的大型化，船舶用钢及海洋工程产品用钢的大厚度高强度钢板应用比例越来越多，并且随着自动化技术的不断进步，一些大线能量的焊接技术不断在船舶制造中得到应用，这就要求我们的钢板不断提升质量，才能满足大线能量焊接技术的应用需求。1.拼板的焊接技术伴随着科学技术的不断进步，将逐步向大线能量高效焊接技术方向发展。2.大线能量焊接技术的不断应用将会促使能够满足大线能量焊接钢板不断发展，目前国内的厚板高强度钢板的在大线能量焊接方面的研究与日韩等国还有一定的差距。3.期待并将积极的参与与国内的焊接材料制造公司、钢板生产厂家，焊接设备制造公司不断加强沟通，不断加强在厚板高强度钢的大线能量焊接研究合作，为确保国内厚板高强度钢大线能量的焊接质量添砖加瓦。四、总结船型设计钢板钢厂焊接接头焊接方法焊接材料焊接设备焊接工艺目前国内造船模式特点：1个别中间产品与终端产品联系，针对终端产品进行开发研究，并应用至实际生产中；2、中间产品厂家之间上下道研究较少，未能形成产业链的系统研究；3、开口式焊接产业研究生产环节。四、总结设计钢板级别钢厂焊接接头焊接方法焊接设备焊接材料焊接工艺船型日本造船模式特点如下1与终端产品联系，针对终端产品进行开发研究，并应用至实际生产中；2中间产品厂家之间的横向研究较多，并形成产业链的系统研究；3闭合的焊接产业研究生产环节。