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实 习 专 题 报 告
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实习专题报告
船舶高效焊接工艺及存在的问题
提要
通过本次实习，总结了焊条电弧焊、C0 气体保护焊、埋弧焊、不锈钢焊、活性气体保护焊等国内船舶制造中的主要高效焊接，同时介绍了焊接机器人、激光一电弧复合焊、搅拌摩擦焊等高新焊接技术以及当前亟待解决的大厚度钢板的焊接、薄板焊接、焊接机器人开发、焊接精度控制等焊接工艺问题。
1、背景
焊接是船舶建造的主要工艺技术之一。焊接设备的先进与否，很大程度制约着船舶建造周期、建造质量、建造能力。因此，有必要全面审视高效焊接技术的现状和存在的问题。高效焊接方法是指与常规药皮焊条手工电弧焊相比熔敷效率高、焊接速度快、操作方便且易于自动化的焊接工艺方法。高效焊接工艺方法的持点是生产效率高、焊接质量好、节约能 源和材料。各种不同的高效焊接工艺方法各具特色。现代先进焊接设备应具有的特征是：高效、自动化程度高、低能耗、低污染。目前造船业采用的一些焊机在不同程度上具备了这些特征，这些焊机辅以各种辅机具和焊材，实现了自动化和高效化，加快了造船速度。面对新的机遇与挑战，对船舶高效焊接工艺进行综合分析研究是有着重要意义，在过去的一段时间内，国内各大船厂围绕现代造船模式的总体要求，以推进造船总装化、管理精细化为重点，结合产品载体，将先进焊接技术及焊接自动化工艺装备在生产中发挥作用。作者近年来调研了国内各大型船厂的高效焊接技术，整理了主要的船舶高效焊接工艺、船舶制造中的高新焊接技术以及亟待解决的焊接问题等内容。
2、我国船舶高效焊接工艺的现状
自20世纪80年代初，原中国船舶工业总公司开始在各大船厂推广和应用高效焊接技术，经十多年艰苦不懈的努力，不论是对焊接工艺、设备，还是焊接材料的研究，都取得了很大的成就，为提高船体建造质量，改善工人劳动条件，缩短造船周期起到了重要作用。高效焊接在船舶制造工程中应用广泛，涉及到工艺设计、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。从目前的现状看，所采用的高效焊接方法上主要有埋弧焊、CO 气体保护焊、焊条电弧焊，不锈钢焊接，活性气体保护焊等。
下面着重介绍一些常见的高效焊接技术。
2．1 埋弧焊工艺
目前埋弧焊工艺主要用于焊接各种钢板结构，可焊接的钢种包括碳素结构钢，不锈钢，耐热钢及其复合钢材等，图1为半自动埋弧焊设备简图。埋弧焊时，在电极周围均匀地覆盖40～60mm厚的粒状焊剂，将电弧掩埋在焊剂层下，电弧热将焊剂熔化，使之产生保护气体和渣壳，以保护熔池和高温下的焊缝金属不受有害气体的侵害，因此也称为焊剂层 下电弧焊。
按照施焊过程中焊炬的驱动方式分为自动埋弧焊和半自动埋弧焊，在自动埋弧焊中，又按焊丝数目分为单丝和多丝埋弧焊；按焊丝截面形状分为丝极和带极埋弧焊。其中应用于平面分段流水线的FCB法焊接，FCB法是铜板上撒布厚度均匀的衬垫焊剂，并用压缩空气软管等顶升装置把上述填好焊剂的铜板压紧到焊缝背面，从正面进行焊接而形成背面焊道的一种单面埋弧焊接法。
2．2 高效焊条电弧焊
高效焊条电弧焊工艺包括：① 向下立焊焊条，与向上立焊相比，效率可以提高1～2倍；
② 采用铁粉焊条焊接工艺，其工艺简单实用，通过提高熔敷效率达到高的生产效率，一般提高50 以上；③ 采用高效铁粉焊条(一般直径为5～8mm，长度为550mm、700mm、900mm），熔敷率在130%～180%之间，常见的焊条牌号有CJ501FeZ等。
2.3 CO2气体保护焊
应用实芯焊丝气体保护焊的致命弱点是飞溅和气孔倾向大、成形不良，而且我国气体保护实芯焊丝的品种太少，今后大力扩大品种的同时，也需进一步改进实芯焊丝的工艺性能。增强焊丝表面的防锈、润滑功能。
采用药芯焊丝是一种方便可行的方法，配合各种类型的衬垫可以实现单面焊一次成形，很方便地进行各种金属的焊接，不同位置焊接时药芯焊丝的电流差异最小，适合全位置焊接。现在船厂普遍采用药芯焊丝来焊接船舶结构，以后CO2气保护药芯焊丝焊接将成为船厂的主要焊接材料和工艺。
目前，在常用船用结构钢方面，药芯焊丝已经可以完全国产化，工艺主要应用于气电垂直自动焊。气电垂直电焊(EGw)是由日本神钢开发的焊接方法，主要用于船舶建造分段合拢时的立向上对接焊，这种方法在国内船厂应用广泛，由于专利及合拢缝的重要性，普遍对神钢以外的同类产品格外谨慎。焊接过程中，用 气体作保护，并对焊接熔池强制一次成形的方法来完成的，焊缝的前后面分别用水冷铜滑块和带有梯形凹槽衬垫，以保持熔池稳定和成形良好。
2.4 活性气体保护焊焊接技术(MAG焊)
所谓的活性气体保护焊焊接技术就是采用CO2+Ar混合气体的CO2半自动或自动焊接，普遍应用于不锈钢的焊接。上海船舶T 艺研究所开发了适合船厂专用的双丝单面MAG焊接技术与装备，主要技术特点是，可无间隙装配，坡口内定位焊、添加切断细焊丝，背面应用陶瓷衬垫，】2～22mm 范围内的板厚可一次成形，焊接速度快，焊接效率高，焊接质量好。3 船舶制造中的高新焊接技术
现代T业高速发展，高效焊接方法也层出不穷，但是由于造船业的特殊性，比如环境恶劣、露天等，使得许多高效焊接技术的应用受限。随着技术进步，这些焊接技术已经部分开始应用于工程实际，还有一些好的方法也将在未来的造船工程中发挥巨大作用。
3．1 焊接机器人系统
为了加快造船周期、提高船舶质量、减轻焊接工人的劳动强度，世界各国的造船厂都非常重视焊接新技术、新工艺和新设备的推广应用。其中机器人因其柔性大，适应性强等特点，在造船厂得到越来越广泛的应用。早在20世纪80年代，造船界就开始尝试采用焊接机器人，最初只用于小合拢部件上加强材的平角焊，后来逐步扩大至平行船体分段中纵、横构件间各种角焊缝的焊接，船坞上船体外板对接焊缝的焊接以及管子车间中管子与管子和管子与法兰的焊接等。
20世纪90年代后期，日本的几个大型造船厂已批量应用焊接机器人。然而，随着现代造船技术的日趋先进和船舶类型的多样化，造船工业对焊接技术提出了越来越高的要求，船舶焊接机器人系统要想在造船厂进一步推广应用，其关键技术必须得到进一步突破。焊接机器人对船舶高效焊接自动化有着深刻的意义，特别是焊接机器人与各种高效焊接技术相结合，能达到更好的焊接效果。
机器人焊接是计算机技术、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。在造船业成功应用的有欧登塞船厂的舱体格子形构件焊接移动机器人，韩国Pukyong国立大学的KamBO等人研制的复杂焊接环境的轮式智能移动焊接机器人，上海交通大学研制的具有自寻迹功能的焊接移动机器人。实现了大型舰船甲板的高效自动化焊接，保证了焊接质量。欧盟研制了一套双层外壳船舶焊接机器人，以满足双层外壳船舶建造的需要，如超级巡洋舰和巨型油轮，该机器人在实
验室环境下实现了基于电弧传感的6自由度焊缝跟踪。
3．2 激光一电弧复合焊接
激光一电弧复合焊接具有焊接速度快、自动化程度高、焊接热变形小等优点，是船舶焊接技术发展不可缺少的一种新技术，尤其在铝合金的焊接中有明显优势。近来，这一技术已经在日本、韩国和欧美一些国家得到了广泛的研究与应用，而我国应用还很少。
激光与电弧复合焊接技术的特点是可有效利用激光能量。电弧先熔化母材，提高激光吸收率；增加熔深，利用激光束作用于熔池底部，进一步提高熔深；稳定电弧，激光使气体电离产生等离子体，有助于稳定电弧；降低对焊缝装配精度要求，装配问隙可由0．3mm增大至lmm。激光一电弧复合焊接的另一个主要优点是焊接变形非常小，焊后的修整工作量大为减少。
3．3 搅拌摩擦焊
1991年，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)，这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。搅拌摩擦焊属于固相焊接，与传统的熔化焊接相比，具有无强光、无飞溅、无炯尘、不需要焊材、接头无气孑L、无夹杂及无裂纹等优点，并具有细晶组织，属于优质无污染的焊接技术。
在造船领域，搅拌摩擦焊应用面很宽，船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板，船舶的上层铝合金建筑结构，直升飞机起降平台，离岸水上观测站，船舶码头，水下T具和海洋运输工具，帆船的桅杆及结构件，船上制冷设备用的中空挤压铝板等。国外已采用此技术生产预成型结构件，使船舶制造由零件的制造转变为船舶甲板南壳体的预成型结构 件的装配。目前搅拌摩擦焊已经在英国、法国、挪威、瑞典等得到船级社的认证，甚至美国、澳大利亚和日本的船级社也批准搅拌摩擦焊成为新型船舶制造工艺技术。如大型豪华游轮“Star Prince”号的25%的船用铝合金壁板构件采用了搅拌摩擦焊技术，总体成本降低约5%。在我国新研制的“双体穿浪隐形导弹快艇”的宽幅铝合金壁板的制造上也采用了搅拌摩擦焊技术。船舶高效焊接存在的问题
4．1 焊接机器人的开发
由于焊接机器人的高适应能力，因此焊机机器人的需求不断增加，我同焊接机器人的水平明显落后于日本及欧洲发达国家，为了提高造船效率，应加快研究脚步。不过掌握先进技术虽应当遵循客观规律，循序渐进，但也不能排除跳跃式发展。造船焊接实现机器人焊接一直是我国造船界专业人士努力追求的目标，为此必须开展这方面的研究和探索。首先要解决好船用钢板的切割下料技术更新，要形成火焰切割、等离子切割和激光切割三足鼎立的局面；其次，焊接电弧跟踪技术要有成熟的实用技术。
4．2 超厚钢板及薄板的焊接
随着大型集装箱船和海洋工程等开发建造，钢板厚度和强度不断增大，要求更高的低温韧性，以往的FCB等焊接法满足不了其焊接要求，需要针对钢板的种类来研发合适的焊接工艺。在海洋工程模块等结构上，3～6mm 的薄板有较多的应用，焊接后容易产生变形，因此在现有焊接技术基础上要研究合适的薄板结构焊接技术，减少焊接变形，提高效率，降低成本。如细丝埋弧焊技术和CO2气体保护焊下行焊技术等，从焊接方法、坡口、材料焊接工艺等方面改进薄板的焊接工艺。另外一个途径就是引进高新焊接技术，如激光焊接技术等，激光焊接在日本造船厂的薄板焊接中已得到应用。
4．3 焊接精度控制
精度管理是精益思想的重要特征。造船精度管理就是用数理统计的方法，通过对造船生产过程中的加工公差和焊接热变形的精度控制，用补偿量代替余量的办法，减少造船加工、装配和焊接中的无效劳动。日本船厂一般都在制造部下设精度管理班，负责组织和推进全厂的造船精度管理。精度管理可以极大地减少造船生产过程浪费，减少无效劳动，降低作业难度，实现高效焊接，提高产品质量。结论
总结了我国船厂现行的部分高效焊接方法和技术，提出一些目前高效焊接需要解决的难题。应结合实际生产，试验研究焊接工艺技术，提高焊接效率；研究开发适合不同船型的便携、简易的机械化、自动化焊接设备；努力开发国产的适合各种船用材料的系列化高效焊接方法。
