CO2焊接工艺及其在造船中的应用

CO2焊接工艺及其在造船中的应用

——焊接工艺及设备论文

作者：邱广贺 周凯莉 姜兴海 陈家奥 张世超 杜宗宪

分工情况：

邱广贺：负责整体概况，及所有章节编写。 周凯莉：负责焊接工艺部分资料查找。 姜星海：负责应用案例部分资料查找。 陈家奥：负责论文排版布局。 张世超：负责论文修改审查。 杜宗宪：负责论文打印装订。

2014.12

CO2焊接工艺及其在造船中的应用

摘 要：CO2气体保护焊是利用CO2作为保护气体的一种熔化极电弧焊方法，简称CO2焊。该项技术无论在研究开发的深度方面，还是在应用的广度方面, 都有了很大发展。本文通过对CO2气体保护焊的介绍，以及对CO2气体保护焊在造船业的应用的阐述，并通过对我国造船业焊接技术现状及日本造船业焊接技术现状的对比，从而展望我国船用焊接技术的发展前景。

关键词：CO2气体保护焊；焊接工艺；造船 正 文：

1.CO2气体保护焊的特点

CO2气体保护焊是用CO2作为保护气体,依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化金属的一种电弧焊接法。CO2气体比重大,受电弧加热后体积膨胀大,所以在保护电弧和焊接熔池、避免有害气体侵入方面,效果显著。其特点如下:

1.CO2气体是酒精厂的附产品,来源广,价格低,而且消耗的焊接电能少,其焊接成本只有埋弧焊和手弧焊的40%～60%；

2.因使用的焊接电流密度高达100～200安/毫米2,使熔深增大,焊丝熔化率提高, 熔敷速度加快。另外, 焊后没有焊渣,特别是在进行多层焊时,节省了清渣时间, 所以其生产率通常比手弧焊高1～4倍；

3.可使焊工不必在窄小舱室等恶劣环境下进行手工仰焊；

4.CO2气体保护焊中,熔池具有强烈的沸腾现象,有利于气体逸出,同时由于采用了高锰硅型焊丝,使焊缝金属的还原作用大为增加,对铁锈的敏感性大为降低。因此, 焊缝中不易产生气体,而且含氢量低,其强度和冲击韧性都较高；

5.由于熔深大,工作的钝边也可由手弧焊的2mm到4～6mm,坡口角度可由一般的60°减少到45°,这样也就大大减少了熔敷金属量；

6.由于电弧热量集中,加热面积小,焊速快,同时CO2气流具有较大的冷却作用, 因此焊接热影响区和焊接变形较小,特别适合于焊接薄板；

7.由于是明弧焊,可以看清电弧和熔池,能随时发现问题而加以调整。同时,CO2半自动焊具有手弧焊的灵活性,特别适宜于全位置焊接。CO2气体保护焊还易于实现机械化和自动化；

8.CO2气体保护焊也存在一些不容忽视的问题,如:飞溅较大,焊缝表面形成较差；不能在有风的地方施焊,否则容易出现气孔；很难用交流电焊接,焊接辅助设备较多。

2.CO2气体保护焊的焊接工艺参数的选择

合理地选择焊接工艺参数是获得优良焊接质量和提高焊接生产率的主要条件。

2.1 焊丝直径的选择

焊丝直径应根据焊件厚度、焊接位置及生产率的要求来选择。当焊接薄板或中厚板的立横、仰焊时,多采用直径在1.6mm以下的焊丝；在平焊位置焊接中厚板时,可以采用直径1.2mm以上的焊丝。焊丝直径的选择可参照下表：

2.2 焊接电流

用直径0.8～1.6mm的焊丝,短路过渡时,焊接电流通常在50～230A内；对于平板外缝和底板内缝这种水平位置的焊缝,为了提高焊接速度,可以选取25OA以上电流,与焊丝直径相适应。

2.3 电弧电压

当焊丝直径、电流、焊接位置一旦确定,最佳的焊接电弧电压往往只有2V左右的变化(通常电弧电压在17～24V范围内),必须仔细认真地进行调整,过高或过低都会影响焊缝成形或产生飞溅,或易生成气孔,或是电弧不稳定。

2.4 焊接速度

在一定的焊丝直径、焊接电流和电弧电压条件下,焊速增加,熔宽与熔深减小, 焊速过大, 容易产生咬边及熔合等缺陷, 且气体保护效果变差,可能出现气孔；但焊速过低,则生产率下降。一般焊接速度控制在15～40m/h。

2.5 焊丝伸出长度

焊丝伸出长度对焊接过程的稳定性、飞溅、焊缝的成形及气体保护均有影响, 伸出过长过短都不合适。焊丝伸出长度取决于焊丝直径,一般约等于焊丝直径的10倍,且不超过15mm。

2.6 CO2气体的流量

CO2气体流量应根据焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度及喷嘴直径等选择, 细丝为5L/min～15L/min ,粗丝为2OL/min。

2.7 电源极性及电路电感值

为了减少飞溅,保证焊接电弧稳定燃烧,一般都采用直流反接。

电路电感值应根据焊丝直径和电弧电压来选择。电感值通常随焊丝直径增加而增大,可通过试验来确定,若焊接过程稳定,飞溅很少,则此电感值是合适的。

3.我国船用焊接技术发展现状 3.1 我国船用焊接设备技术发展现状

从图2中分析可知，我国的机械化、自动化焊接主要是半自动CO 焊和埋弧自动焊等，焊接机器人几乎等于零,因此处于自动化焊接的初级阶段，与日本、韩国相比存在较大的差距，尤其在机器人焊接方面存在较大的发展空间。

3.2 我国船用焊接材料技术发展现状

一个国家焊接消耗材料的生产情况可以反映该国焊接技术的总体水平。近8年来我国产量增加了两倍多。仅统计焊条与焊丝，1996年产量为62.96万吨，发展到2003年已达192万吨，如果加上进口的焊材，总耗量超过200万吨，成为世界最大的焊材生产与消费国家。

但从不同焊材的产量构成看（表4）,在我国生产的焊材中，手工焊的焊条产量一直占75%以上，而机械化、自动化焊接需要的各种焊丝总量不足25%。按熔敷金属计算，我国焊接机械化、自动化率仅能达到35%左右，而世界工业发达国家一般都在60%以上。可见我国焊接生产的总体自动化率仍比较低。埋弧焊多在船舶、压力容器、管道和钢结构件的制造中使用。我国埋弧焊丝的产量近年来也有较大增长，但是只占焊材总量的5%左右。而工业发达国家埋弧焊丝的比例一般在8%～10%。

目前我国船厂焊接高效化率平均已达到90%以上，而且所应用的焊接材料除小部分的专用药芯焊丝需要进口外，其余均已采用国产焊接材料，这也为降低焊接成本作出一定的贡献。表5为2003年我国船厂使用的焊材比率。

4.日本船厂应用CO2气保护焊近况

总的说,日本造船焊接技术朝着效率更高、更机械化、更实用的方向发展。一些原有的焊接工艺更成熟,配套装置更完善,机器人的应用在船用管子焊接中基本过关,在造船的其他工位也开始逐步应用。

4.1 部件装配阶段的应用

由于日本船厂目前采用的钢板日趋大型,最大的钢板尺寸达4.5×22m。因此, 有些船厂已开始采用单板法工艺进行造船,即在钢板拼板焊接前预先焊装加强筋板的方法。

拼板焊接多见FCB法,机头大多为多头焊机。如长崎造船厂在拼板工位上的埋弧焊机为三丝埋弧焊机。焊接时,前丝通常采用中4.8mm焊丝,后二根丝则较祖, 均为巾φ6.4mm。焊机导向采用前导向轮在焊缝坡口内导向的办法,以减少搬运安装轨道的工作量。实际施工时,则根据不同的板厚选择单丝、双丝或三丝,保证一次焊接即能完成一条捍缝。

为了提高加强筋板的焊接效率,日本各船厂广泛在多头焊机上下功夫。例如前面提到的香烧工场20头CO2自动角焊机,一次可同时完成5根肋骨板的角焊, 效率极高。整个装置较为庞大,所有的焊机、焊丝都固定在可移动横梁架上,而控

制系统则负责对中、焊接工艺参数、焊接同步等的控制。另外,在香烧工场还见到1台“十点同时点焊机双,主要用以焊接“L”型加强筋板,目的是减少焊接工作量和焊接变形, 提高焊接效率。焊点的间距约为200mm,焊后的焊点直径通常达25mm。由于不同于塞焊,其筋板厚度通常以小于6mm为宜。完成10点焊接仅需时7s。点焊时采用中φ1.6mmCO2气保护焊丝进行焊接,效率颇高。而对于大型“T”排。以及重复性较大的零件,则大都在专用的角焊装置上进行角接焊,尽可能减少手工操作。

4.2 船台装配阶段的应用

日本造船焊接的一大特点是尽可能多地采用单面焊接方法。船台装配阶段CO2气保护焊的应用情况大致如下:

(1) 甲板的焊接

甲板的纵缝由于装配条件较好,因此大都采用单丝或双丝的FAB单面焊法,而横接缝的焊接由于装配间隙、板边差、焊接位置等因素,不少部位则采用CO2气保护单面焊接法,其反面衬垫在香烧工场多见新日铁提供的SB-41衬垫。盖面层考虑到提高焊接效率,多数采用埋弧自动焊盖面。

(2) 舷侧板的焊接

三家船厂对舷侧边板横向对接缝的焊接,均采用SB-41衬垫的CO2气保护半自动单面焊方法。衬垫粘贴在舷侧板内侧,焊工则在外侧面焊接。为防止风的干扰,焊接区局部用一矩形挡风框。立向对接焊缝所用衬垫亦同,不同的是,对于弯曲段的焊接大都见衬垫粘贴于舷侧板外侧,即焊工在内侧面进行焊接。平直段则采用SEGARC-2装置的垂直自动气电焊(国内部分船厂已有引进),衬垫为KL-4GT专用衬垫,悍丝为DWS-43G。据介绍,工艺上要求坡口伺隙通常为6±2mm , 板边差应小于1mm。

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5.我国船用焊接技术的发展前景

5.1 大力发展逆变焊机，提高逆变焊机的使用比例

电弧焊是造船厂最重要、应用最广泛的一种焊接工艺，在船舶建造中要获得优良的焊接质量，就必须有好的焊接设备作保证。逆变式弧焊机具有良好的电气

性能和焊接工艺性能，是目前国际上公认的最先进的电焊机，也是最具有发展潜力的一种焊机。在造船厂推广应用IGBT逆变式CO2焊机最具有现实和长远的技术经济价值。

5.2 大力推广应用药芯焊丝

药芯焊丝是20世纪后期飞速发展起来的一种新型焊接材料，它摒弃了焊条和实芯焊丝的缺点，并进一步发展了两者的优越性。其特点是高效（熔敷效率是手工焊条的4倍，比实芯焊丝也高许多）、焊接质量优良、节能、节材、综合成本低、焊接工艺性能好，且可与CO2焊接工艺相结合，目前船厂已普遍采用CO2气保药芯焊丝来焊接船舶结构。

5.3 大力发展新工艺、新方法

重点推广应用平面分段装焊流水线拼板工位多丝埋弧自动焊单面焊双面成形新工艺、新装备。船体平面分段构架装焊采用半自动或自动气体保护角焊工艺，船台大合拢时的垂直对接缝（长度达15～30m）采用CO2气电垂直自动焊工艺提高焊接速度的双丝单面MAG焊接技术与装备。

参考文献：

[1] 刘斌.金属焊接技术基础.国防工业出版社，2012.7.

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