Y形坡口埋弧自动焊反面定位法应用

冯涛，熊浩，刁凤军，张鑫

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

船舶建造中的焊接作业占据较大的比重[1]，提高焊接质量和效率是船企的重要课题。为促进总体效率提升，考虑改变传统工艺工法[2]，利用现有资源持续改善现场作业条件与习惯。

通常，大型钢制船舶零件数量能达到10万及以上，这些零件主要通过焊接进行连接。焊接从零件连接方式分为角接和对接，从焊接型式分为单面焊和双面焊，从坡口形式主要分为V形、I形、Y形和X形。对接焊中常见的有CO2气体保护焊(FCAW)、FCB法埋弧自动单面焊(FCB SAW)、单丝或双丝埋弧自动焊(single-wire or double-wire SAW)、FAB法埋弧自动焊(FAB SAW)、垂直气电焊(EGW)、手工电弧焊(SMAW)等。其中单丝或双丝埋弧自动焊主要应用于分段内部平直区域拼板，在整个造船对接焊中占比较高[3]，特别是在不配备FCB流水线的船厂。埋弧自动焊是双面焊，根据不同的板厚坡口形式通常分为I形、Y形和X形[4]，施工步骤通常分为焊道清洁、定位焊、埋弧焊接、碳刨、反变形控制。以最为常见的Y形坡口单丝埋弧自动焊为例，通过分析定位焊在正面和反面时各施工步骤的优缺点，为生产优化提供依据。

1 焊道清洁

Y形埋弧自动焊缝在拼板前处理要求与其他焊缝基本一致，坡口上的铁锈斑、氧化皮、车间底漆、油污、潮气和由气割、碳刨产生的残渣等都会影响到埋弧焊缝的质量，产生气孔、夹渣、未焊透等缺陷。所以埋弧焊缝拼板前必须用手工钢丝刷和钢丝盘等工具打磨、清理坡口面及两侧20 mm范围内的污物，见图1。

一般现场实际操作中建议将此范围扩大到50 mm，以确保焊缝焊接质量。在此施工步骤中，正面定位焊和反面定位焊要求相同。

2 定位焊

2.1 定位前准备

在板材定位前需复核板材来料尺寸、边缘直线度等与前道自测数据是否吻合，和图纸要求是否一致，自动焊缝的要求通常要高于半自动焊缝和手工焊缝。还要检查原始坡口的角度、过渡段长度、坡口深度是否达标，有缺陷的部分需按工艺要求先行修整，必要时使用砂轮打磨或焊补修整缺口。最后需检查两块板材的错边量和平整度。具体要求参照相关建造质量标准，确认无误后方可准备拼板定位。

2.2 焊材选择

根据生产和设备要求，通常采用手工电弧焊或者CO2气体保护焊。随着船舶生产的高速发展，常用焊条E5015(J507)或E4315(J427)，由于存放、烘焙、保温、回收、现场使用效率低下等原因，一般在大型船厂使用较少，现场作业过程中大都使用CO2气体保护焊进行定位。

2.3 正面定位焊

焊工需要具备定位焊资质。定位焊具体要求：对于开坡口的焊缝厚度D通常为6～8 mm，且不超过板厚的1/2。定位焊长度L一般为30～50 mm，对于高强度钢可超过60 mm，定位焊间距T一般为200～500 mm，见图2。

定位焊焊完后需要进行定位焊打磨、焊道清洁、定位焊缺陷处理、焊前交验等程序。要确保正面埋弧焊焊接质量，对定位焊的处理要求相当高，尤其是海工产品的焊前报验对定位焊点要求相当苛刻，见图3。

图3 正面定位焊

2.4 反面定位焊

需要拼板胎架高度足够定位操作人员施工，一般内场大组立拼板都在胎位上拼板，自然条件成熟，适合反面定位焊操作。

小组立主要在地面拼板，目前不具备条件，以后可以考虑埋弧自动焊在某一集中区域进行拼板，使用专用拼板胎架周转拼板。为减少钢板翻身，反面定位焊采用仰焊，焊工需要具备三类资质焊工，定位焊间距一般同样为200～500 mm，只是定位焊本身无需像正面定位焊一样打磨处理，反面定位焊样式见图4。

图4 反面定位焊

反面定位焊的拼板正面焊道(见图5)相对均衡，焊前处理比较方便，除锈打磨后可以直接进行焊前报验。

图5 反面定位焊的正面焊道

3 埋弧焊接

3.1 埋弧自动焊原理

施工时，在电弧热作用下焊丝和母材被熔化，在电弧底下形成液态金属熔池[5]，熔池的形状和尺寸由焊宽、熔深及熔池长度来表示，这3个尺寸的大小是由电弧的功率和电弧的移动速度(即焊接速度)来决定的，熔池尺寸大小和电弧功率成正比，而与焊接速度成反比，见图6。

图6 埋弧焊熔池的形状和尺寸

电弧形成熔池，随着电弧的前移形成新的熔池，而原来的熔池冷凝结晶成焊缝。焊缝的形状和尺寸由熔宽B、熔深H和余高a来表示，熔宽和熔深就是焊缝的宽度和深度，而余高取决于焊丝熔化敷入的量。为了保证焊缝的力学性能，焊缝必须有足够的熔深，和合适焊缝的尺寸比例。对接焊缝的熔宽和熔深之比成为焊缝的形状系数(φ=B/H)，对于埋弧自动焊来说，较为合适的焊缝形状系数为1.3～2.0。余高是焊缝的增强量，适量的余高是有利于提高焊缝的强度，但并非越大越好。过大的余高将使焊缝趾部形成截面突变，造成应力集中，降低了焊接接头的动载强度。在埋弧对接焊缝中，常控制余高为熔宽的1/4～1/8，一般为0.5～3.0 mm，见图7。

图7 熔深、熔宽和余高

埋弧自动焊的工艺参数有：焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、焊丝的倾角等，这些焊接工艺参数影响着焊缝的形状尺寸和焊缝质量。

3.2 正面定位焊的焊接

正面埋弧焊的焊道内由于定位焊的存在，实际操作中无法精确、及时地微调定位焊区域与原始板缝区域的不同焊接工艺参数来确保焊缝的熔深和熔宽均衡。尤其是对现场生产中的相对薄板(12～20 mm)，焊接容易造成焊缝成型余高不均衡，有定位焊的区域受定位焊制约熔深不够，造成相对余高超高，需要焊后打磨修整。同时由于正面定位焊熔合在焊缝内部，如果定位焊存在缺陷又没有被埋弧焊完全熔合，就会造成埋弧焊焊接质量不达标，就要进行焊缝修补，见图8。

图8 正面定位焊埋弧焊焊缝成型

3.3 反面定位焊的焊接

反面定位焊的正面焊道不存在定位焊区域与原始板缝区域差异，实际操作中，熔深和熔宽相对均衡，不需要微调焊接参数。尤其是厚度在12～20 mm的钢板，焊缝余高控制比较容易，基本不需要焊后打磨修整。反面定位焊由于定位在碳刨面，定位焊在碳刨中全部清除，不存在对埋弧焊焊接内部质量隐患，见图9。

图9 反面定位焊埋弧焊焊缝成型

4 碳刨

4.1 正面定位焊的焊缝碳刨

正面定位焊的埋弧焊缝碳刨相对比较深，这是由于拼板正面定位焊区域与正面焊缝区域熔深不均衡、正面定位焊焊点可能存在缺陷(这一般在现场生产过程中碳刨发现问题的几率较高)、反面碳刨时正面的定位焊位置无法确定等因素，为确保埋弧焊焊道的均衡和焊缝质量，一般正面定位焊的焊道碳刨需要刨掉原定位焊焊点[6]，也就是相当于整体焊道加深碳刨，对实际碳刨工作量相对增加较多，碳刨面焊接工作量也相应增加。

4.2 反面定位焊的焊缝碳刨

反面定位焊的埋弧焊缝碳刨相对比较浅，这是因为正面焊道相对一致，正面焊接时埋弧焊熔深和熔宽相对均衡，碳刨时可以根据具体情况相对控制碳刨深度，尤其是对正面焊接熔深控制相对较好的焊缝，碳刨工作量比较小，碳刨面焊接工作量也相应较少。

5 反变形控制

5.1 正面定位焊的反变形控制

正面定位焊埋弧焊焊接后，由于定位焊质量和碳刨深度不受控，碳刨深度会因为正面定位焊区域埋弧焊熔深而变化。所以一般靠拼板前加放反变形量幅度较大，不容易掌控，相对碳刨深度比较深的焊道焊接变形就难以控制，火工较平工作量较大。

5.2 反面定位焊的反变形控制

反面定位焊埋弧焊焊接因为与定位焊质量关系不大，正面焊接时的熔深和熔宽都受控，所以碳刨深度基本受控，通过现场经验积累，一般加放反变形量幅度较小，对焊道焊接变形容易掌控，火工较平工作量较小。

6 对比分析

1)通过正反面定位焊对比分析，可以得出二者的优缺点，见表1。

2)Y形拼板埋弧焊采用反定位焊法属于基本利用原有作业条件，通过优先确保埋弧焊焊道的均衡促成焊缝成型美观；通过将定位焊设置在碳刨面减少焊前“定位焊”处理，减少能耗；通过确保正面熔深减少碳刨工作量，同时相对节约焊材；通过减少碳刨相对控制拼板变形程度等。

表1 正反面定位焊对比分析

在某型FPSO船的101和103分段上实施拼板反面定位，通过拼板前准备、拼板定位、埋弧焊接、碳刨、反变形控制等几个方面进行对比。对减少定位焊打磨工作量(以及打磨耗材与动能损耗)、减少碳刨工作量(以及碳刨耗材与动能损耗)、减少焊缝变形(以及减少火工校正耗能及工作量)、提高埋弧焊焊接质量、节约焊材等都有好处，如果以量化估算，节约成本约30%。在该项目其他在建分段初步统计效率提升20%以上，综合成本节约25%以上。

3)Y形坡口埋弧自动焊采用反定位焊法可以对“在胎拼板”无需特别投入辅助资源，对不具备“在胎拼板”条件的可以考虑集中“借胎拼板”，还可以扩展运用到I形和X形坡口的埋弧自动焊，以确保焊道均衡、正面熔深用足等。经过反复和各种情况试验、验证和评审，或可升级为公司生产的工艺标准。