基于垂直面横向对接埋弧自动焊技术研究

张剑锋， 徐宝东， 厉文耀

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

基于垂直面横向对接埋弧自动焊技术研究

张剑锋， 徐宝东， 厉文耀

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

通过对垂直面横向对接埋弧自动焊技术进行研究，解决了焊接工艺、焊剂的敷设、焊缝跟踪，以及焊接小车行走等技术问题。从装备和工艺技术上形成船体自动横焊新技术，实现船体垂直面横向对接焊缝的自动横焊技术突破。该技术将提高焊接生产质量和效率，缩短造船周期，改善焊接工人的劳动强度和生产环境，并为今后新型、大型船舶的建造提供焊接工艺、装备支持。

垂直面横向对接 埋弧 自动焊技术

1 前言

船舶是一个庞大而复杂的钢结构体，现代船舶具有向大型化发展的趋势，建造船体的钢板厚度也呈增厚的趋势，导致横向对接焊缝的焊接工作量大幅增加。如仍然采用现有横向对接焊工艺进行焊接施工，势必影响到船舶的建造周期。随着造船业的发展，自动横焊技术已越来越引起大型、先进船舶企业决策层的高度关注。垂直面横向对接埋弧自动焊工艺及装备是针对大型船舶总装厂在建船舶的特点并兼顾我国船舶工业发展需要而提出的，具有高效、实用、先进性的优点，主要适用于船舶在搭载阶段自动化焊接，为大中型船舶总装厂总组搭载垂直面横对接焊接生产提供全套创新自动焊接工艺及装备技术。

2 国内外研究现状及发展趋势

2.1 国外研究现状及发展趋势

国外船舶焊接技术近三十年来的技术进步以日本为例可分为三个阶段：第一阶段从20世纪七十年代开始发展半自动气保护焊取代手工电弧焊条，其标志是药芯焊丝和MAG焊。到20世纪九十年代日本造船厂CO2半自动焊已占80%，大量性能优良的可控硅、逆变焊接电源投入生产应用。这一阶段从焊接材料、方法及电源三个方面取得发展，也为随后的机械化自动焊接技术发展打下了基础。从20世纪八十年代末开始开展的机械化自动焊可看作船舶焊接技术发展的第二阶段。据日本焊接协会船舶钢结构、海洋结构焊接施工委员会统计，日本简易自动焊接机器由1989年768台发展到1998年的4 405台，十年增加了6倍，其平均焊接率达到35%。这类设备的特点是独立的台车形式，采用MAG焊接方法。随着计算机辅助设计建造CAD/CAM技术应用于船舶建造，为智能化设备、机器人进入建造焊接提供了必要的信息基础。1995年神户制钢和NKK津船厂合作实现世界上第一套造船焊接机器人系统 ,用于内场小合拢生产。机器人化可看作是焊接技术发展的第三阶段。目前造船焊接智能化设备、机器人系统技术还处于起步发展阶段，其前提是数字化造船和造船精度达到1 mm～2 mm。国外在该领域研究向自动焊接装备的轻巧化、高速焊、焊接多丝化方向发展。

2.2 国内研究现状及发展趋势

从国内船舶焊接技术发展看，20世纪八十年代开始大力推广高效焊接技术，尤其是有气体保护的CO2半自动焊，至今已得到相当的普及，在一些骨干船厂的高效焊接率达55%以上，部分船厂高达70%。CO2焊机与焊工比率达1∶1，相当于人手一台。这是开展机械化自动焊接重要的技术基础之一。目前我国大型船厂在内场的分段建造采用自动化程度较高的大型装置化平面分段流水线生产，多电极和高速焊接，生产效率较高。外场船台、坞立体分段和总段合拢建造时，部分大型船厂已开始采用单丝垂直自动气电焊、双丝单面MAG焊等技术。这些自动化焊接技术的应用，无论在焊接效率和焊接质量上较人工焊接有很大提高。除上述自动化焊接装备的应用以外，外场船台、坞船体建造过程中基本上还是以人工CO2半自动焊和部分埋弧焊为主要焊接生产手段，而大多数中小型船厂的焊接自动化程度更低。因此先进焊接技术开发研究及推广应用十分重要。目前，国内在高效焊接技术领域有了一定的发展，正紧跟国际先进自动化焊接工艺技术的发展步伐。

3 主要研究内容

3.1 埋弧自动横焊工艺技术研究

埋弧自动焊工艺通常用于平面对接焊，本项目研究是将埋弧焊工艺恰当地用于船体平直部舷侧分段外板、边水舱隔舱旁板的横向对接焊缝的焊接，根本解决垂直面横向对接难以实现自动、高效焊接的难题，焊接工艺性能达到相应的规范要求。主要研究内容包括：

(1) 焊缝坡口形式和装配设计研究；

(2) 焊接工艺参数规范和工艺条件研究；

(3) 焊接材料和焊剂匹配研究。

3.2 埋弧自动横焊装置研究

研制能实现埋弧横焊工艺的装备——埋弧自动横焊机。

目前，埋弧自动焊工艺虽已在船厂得到广泛应用，但仅限于平面对接焊，还未应用在船体垂直面对接焊中。因为现有埋弧自动焊机的本体质量重、体积大，其构造形式是无法在垂直面上实施焊接的，因此不能应用于船体横对接焊。为实现埋弧自动横焊工艺就必须针对埋弧自动横焊工艺要求，研发相适应的自动焊接装置。主要研究内容包括：

(1) 埋弧自动横焊机总体构造设计研究；

(2) 埋弧自动横焊机焊缝跟踪研究；

(3) 埋弧自动横焊机运行控制系统研究。

4 总体技术和关键技术

4.1 总体技术方案

针对船体分段搭载合拢后形成的垂直立面横对接焊缝，通过焊接工艺研究、焊接装备研究，达到实施埋弧自动横焊技术，突破一般自动埋弧焊只适合平位置焊接的限制。因此，涉及焊接工艺技术和焊接装备技术两大部分。

4.1.1 焊接工艺技术

该技术是研究将埋弧自动焊工艺方法应用在垂直面横对接焊缝的焊接。从埋弧自动焊的特点分析，要解决焊剂在垂直面的敷设保持、焊缝跟踪、焊接装置行走、焊接工艺和规范等几方面问题。

由于焊剂为颗粒状分散物，在垂直面无法保持，需增加辅助的保持装置，并保证焊剂在焊接过程中的有效性。垂直面横对接焊缝坡口形式为“K”字型，下口角度小，上口角度大，不对称，焊枪与母材立板面不垂直，要有一定的角度。

焊枪上方设置漏斗，焊剂通过漏斗流入到焊缝，在焊枪下方设置托带，使焊剂保持在焊缝位置，焊丝通过焊枪、导丝轮送入焊缝并与母材立板面有一定角度。埋弧焊剂以及熔化后形成的熔渣起着隔绝空气的作用，使焊缝金属免受大气污染，造成气孔等焊接缺陷，而且不仅在外场作业时有效防风，熔渣对熔池也有一定的托付作用，在立面焊接时可采用较大电流。

埋弧焊接装置在垂直面上行走时重心向下，需要在母材上设置行走导轨且与母材可靠固定，同时行走导轨要有足够的刚性来保证焊枪沿焊缝行走的精度。但是，埋弧焊接装置除本身自重较重外还承载焊丝和焊剂的重量，造成行走导轨机构大、重量重，给导轨安装带来困难。为了解决这一问题，可以采用轻型行走导轨和辅助跟踪导轨来保证焊丝在焊接过程中与焊缝的位置准确性。

分段搭载时受定位马脚和内部结构影响，只能采用背面贴衬垫、单面焊的工艺方法。在立面焊接时，熔渣对熔池托付的作用可采用较大电流，但是与平位置埋弧焊相比，焊接电流、电压、焊丝直径等焊接规范不能过大，不能一次焊接完成，需要打底、填充、盖面多层多道焊接。

4.1.2 装备技术。

垂直立面横对接埋弧自动化焊接是普通埋弧自动焊的一种特殊形式，只要研究解决了电源、焊剂的敷设、焊缝的跟踪、焊接小车的行走问题，就可以对横对接焊缝应用自动埋弧焊。

(1) 埋弧自动横焊机总体构造。

① 高低调节和跟踪机构部件。根据打底、填充、盖面不同焊接层道数，调节托带到焊缝的高低距离，保持焊剂的敷设高度。与跟踪导轨配合使用实现了焊缝跟踪。

② 托带部件。在埋弧焊接时托付焊剂，确保焊接过程焊剂的有效保持。

③ 焊枪调节部件。根据打底、填充、盖面不同焊接层道数，改变焊枪角度和高低位置，前后调整范围±20 mm，上下调整范围±40 mm，倾角调整范围±15°。

④ 靠轮及导向轮部件。靠轮部件保证设备依靠重力紧靠着船板行走；导向轮部件(包括跟踪导轨)保证焊枪沿着焊缝行走，即自动跟踪系统的机械保证。

⑤ 焊枪总成部件。

⑥ 行走部件。该部件(包括行走导轨)保证焊接装置以100～1 500 mm/min的速度自动平稳行走。部件中还设置了3个药斗：在顶部安装了一个较大的药斗，用于储存埋弧焊的药粉20 kg～40 kg，在底部安装了两个接药粉的药斗，用于收集从托带上掉落下来的药粉。

(2) 埋弧自动横焊机焊缝跟踪研究。由于埋弧焊电弧在焊剂中燃烧，无法用肉眼观察调准位置，因此，在采用埋弧自动横焊工艺焊接施工时，必须对焊缝进行精确跟踪以保证电弧位置稳定，焊缝自动跟踪是实现工艺施工的必要保障。

① 采取接触式焊缝偏离检测和光电信号反馈，指示焊枪与焊缝的偏离变化。

② 单片微机检测光电信号反馈判断偏离。

③ 根据算法产生控制信号，经伺服放大驱动电气传动修正焊剂托带和焊枪偏离，至正确焊缝位置而实现焊缝实时跟踪。

(3) 埋弧自动横焊机运行控制系统研究。运行控制系统是埋弧自动横焊工艺施工的执行核心。

① 采用单片微机脉宽调制技术实现对运行电气传动的控制设计。

② 采用霍尔传感技术实时采样焊接工艺参数。

③ 设计机械接触式加光电传感器模式的焊缝跟踪控制模式。

④ 编制运行算法和运行控制软件程序，在试验运行中不断测试、修正，直至完善。

4.2 关键技术

4.2.1 埋弧自动横焊工艺技术

目前，埋弧自动焊工艺通常是指在平面对接时采用的埋弧自动焊工艺方法，其在船体垂直面横焊接中应用，是对常规埋弧自动焊工艺技术的创新，是该技术主要突破的难点，属于关键技术。

垂直面横焊缝处于垂直立面决定了实施埋弧自动焊与平面对接的埋弧自动焊的工艺技术要求高，其难点在于要解决熔化金属下淌以及焊剂立面敷设问题。因此要分析研究横焊的电流、电压、焊接速度等工艺参数和坡口形式以及焊枪位置和角度；要分析研究焊剂敷设方法和选用合适的焊剂等。由于船体外板较厚以及搭载横焊缝的特殊性，采用单面多道焊接方法，需通过研究和试验，分别确立打底和盖面的工艺规范；采用旋转托带机构实现对焊剂的敷设，在垂直面横焊缝实施埋弧焊时，焊剂不仅要起到保护电弧的作用，而且要起到对熔池进行有效托敷作用，因此需研究分析焊剂的特性并通过试验选用适合横焊工艺的焊剂。

4.2.2 自动焊缝检测与跟踪技术

船体在搭载阶段建造中形成的垂直面横向对接焊缝，是船体建造的重要大接头焊缝，需采用多道多层焊接完成，焊接质量要求高。由于埋弧焊电弧在焊剂中燃烧，无法用肉眼观察调准位置。因此，在采用埋弧自动横焊工艺焊接施工时，必须对焊缝进行精确跟踪以保证电弧位置稳定，焊缝自动跟踪是实现工艺施工的必要保障。

4.2.3 埋弧自动横焊机运行控制系统技术

运行控制系统是埋弧自动横焊工艺施工的执行核心，既要控制埋弧自动横焊按照工艺规范的实施，同时又要控制焊接装备按工艺规程条件运行。检测焊接工艺程序指令和模拟指令信号，执行施工动作和各个电气传动控制，只有工艺规范与装备运行的有序协同，才能实现理想埋弧自动横焊高效和高品质的目标。

5 技术先进性分析

(1) 采用埋弧自动横焊技术可以有效防风。焊剂的托起作用，有效防止了焊缝金属的下淌，解决了目前人工焊接和CO2气保护自动焊质量不稳定的问题，保证了焊缝质量的稳定性，显著提高一次拍片合格率，且焊缝表面成形良好，特别适合外场作业环境。

(2) 埋弧横焊大线能量输入，减少了焊接层数和道数，而且稳定的焊接质量明显减少了当前人工焊接和CO2气保护自动焊的返修率，提高了焊接效率。

(3) 适用面广、钢种多。

(4) 横向埋弧自动焊装备结构紧凑、体积小、重量轻，专为船舶建造中外场作业开发研制。

(5) 电极上下、左右以及角度可调，适用于多层多道焊接。

(6) 焊缝自动跟踪，操作简便，显著降低了工人的劳动强度。体现出以人为本、绿色造船的理念。

(7) 横向埋弧自动焊装备采用悬挂式行走方式，行走导轨通过焊接在焊件上的马脚支撑，安全可靠。

6 结论

垂直面横对接焊缝埋弧自动焊是普通埋弧焊的一种特殊形式，主要区别在于解决了熔化金属和焊接下淌的难题，利用较小的焊接电流、电弧电压和较高的焊接速度获得在横向焊缝上的焊缝成型。埋弧焊固有焊接质量稳定、一次拍片合格率高、焊接效率高、无弧光、防风以及烟尘少等优点，因此垂直面横对接焊缝埋弧自动焊工艺及装备可以实现船体横向焊缝的自动化焊接，特别是可以解决外场作业时船体搭载合拢阶段的横向焊缝的自动化焊接问题，可以极大地提高焊接质量、提高效率、减轻工人的劳动强度和改善工人的作业环境。

Research of Automatic Submerged Arc Welding on Transverse Weld in Vertical Hull

ZHANG Jian-feng, XU Bao-dong, LI Wen-yao

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

Base on the research of automatic submerged arc welding on transverse weld in vertical hull, we solve many welding technical problems, which include the coating of flux, the seam tracking, the running route of welding trolley and so on， which are based on the research of the automatic submerged arc welding technic on the transverse welding line of the vertical hull. The new automatic transverse welding technic will be made in the equipment and technics, and it is a breakthrough in the automatic welding technic on the transverse welding line of the vertical hull. And this technic will increase the welding quality and efficiency, shorten the ship-building circle，improve the working intensity and the environment of the factory, and it will be a technical support of the welding technic and equipment for the building of the new type and large ship.

The transverse welding line of the vertical hull Submerged arc Automatic welding

张剑锋(1963-)，男，工程师。

U671

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