海洋工程结构焊接技术

赵为松

（安徽建筑工业学院 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601）

0 前言

海洋工程结构工作环境比较恶劣，结构设计不同于普通钢结构。正确、合理地选材能够保证海洋钢结构的性能、寿命、使用安全和经济性。选材上必须满足海洋工程对钢材的特殊要求。海洋钢结构对焊缝综合机械性能要求比较高，要求母材必须具有良好的可焊性，并满足Z向性能、塑性疲劳和低温韧性等特殊性能要求。采用自动化焊接技术能明显提高海洋结构件的焊接质量。

1 海洋工程结构焊接

海洋工程结构焊接加工设计执行国际通用焊接标准，通常包括钢结构标准、海底管道标准、工艺管线标准以及压力容器标准，对焊接材料选择、焊接方法、焊接工艺、焊接工艺评定、焊工和焊接操作者资格、现场焊接施工管理和焊接检验等各方面都做了相应的严格规定。

1.1 海洋工程结构焊接特点和要求

海洋工程结构焊接的特点主要包括以下几点：

（1）焊接材料的选择。考虑到焊接冷裂缝和热影响区的韧性，一般焊条多采用低氢型和超低氢型碱性焊条。

（2）为了保证焊缝韧性、疲劳寿命和抗脆断性，焊接工艺参数设置一定要适中。

（3）对于中厚板和厚的结构件，焊接前一定要预热，以防止在焊接时发生裂纹。

（4）重要部件和部位焊接后应进行热处理或局部热处理。

（5）承受交变应力的角焊缝需要熔修，以修整焊缝和消除表面缺陷，减少应力集中，提高焊缝的疲劳寿命。

海洋工程结构工作特殊，对焊缝的要求很高，主要包括余高、包角、焊趾过渡、焊缝设计形式、全焊透焊缝焊接注意事项和焊接顺序。余高对焊缝起到增加强度的作用，通常控制在3～5 mm，余高过高会造成焊缝横向不连续，在焊趾处容易引起应力集中等缺陷。包角是焊接过程中必须考虑的问题，一条焊缝是否焊接完成主要看包角包得是否完美。包角会给焊缝质量留下隐患，通常包角会有气孔、夹渣和未熔合等缺陷，可能引起焊缝从包角处出现裂纹从而进行扩散，造成焊缝断裂。焊趾是焊缝与母材的连接部位，此处容易产生应力集中，应对焊趾进行处理，一般打磨过渡，也可以用TIG熔修等。对于海工结构中厚板、强度等级高的板材，由于受力较大，现在的全焊透焊缝容易引起缺陷，UT合格率下降，主要原因是坡口形式不合理、焊工操作不当、反面清根不彻底以及碳刨坡口形式不合理造成的。

1.2 自动化焊接的优点

焊接自动化的关键是使用自动控制装置和机械装置来实现焊接作业的方法，通过精确的自动控制和准确的机械动作来确保持续的稳定的焊接质量，减轻工人的劳动强度、提高生产率、降低成本。

2 自动化焊接设备在海洋工程结构生产中的应用

目前，我国海洋工程焊接常用的焊接方法有焊条电弧焊、CO2气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊、埋弧焊等。特别是重要结构，常采用埋弧焊、气电立焊、等离子焊、激光焊接、焊接机器人和船舶焊接自动流水线来进行焊接。在此主要介绍焊接机器人的应用。

焊接机器人是使用全自动的机器人化的微型面板焊接工作站。操作员只需将板料装入输入输送机的盒子，工作站便会自动将其拾起、定位、焊接。

视觉系统的最大特点是用户使用方便和工件编程快。一个8 h焊接任务的编程仅需要30 min，而焊前准备仅需5 min。从单程操作来看，一个视觉机器人大约可进行160 m的角焊和立焊。

对于海洋工程结构的焊接，突出的问题就是焊接变形和应力。变形和应力不仅会影响尺寸精度，还影响结构的强度、疲劳寿命、安全可靠性。壳体纵缝的结构如图1所示。材质为Q235-B，焊条电弧焊在外侧定位，尺寸50/150，焊接顺序为焊条电弧焊先焊内缝，外侧清根后焊接。

图1 壳体纵缝的结构

主要检验方法：（1）外观检测。（2）大于等于20%射线探伤，按JB/T4730.2Ⅲ级要求。

法兰与接管焊接的结构如图2所示。采用焊条电弧焊定位3～6点，焊脚高度与接管壁厚同。

图2 法兰与接管焊接的结构

封头与筒体环缝焊接结构如图3所示。

图3 封头与筒体环缝焊接

（1）定位焊：先将衬环与封头组装定位，然后将衬环与筒体组装定位。定位焊50/150，焊脚高度3 mm。

（2）采用焊条电弧焊焊接，φ3.2焊条打底，用φ4.0焊条进行焊接。

焊接方法、焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接材料的选择主要根据以下几点。

（1）熔深与焊接电流成正比。

（2）电弧电流和电压增大，焊缝熔宽增加。

（3）焊丝直径与电弧斑点漂移范围成正比。

该产品主要焊接工艺参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数

3 海洋工程结构焊接新技术

（1）搅拌摩擦焊。

搅拌摩擦焊是利用摩擦生热来进行焊接的一种技术，在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无法比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。

（2）激光焊接技术。

激光焊接是一种高能束焊接方法，所形成的焊缝金相组织致密、强度高，焊接热影响区小，焊后工件变形小。

（3）激光-MIG复合焊（L-MIG复合焊）。

复合焊的特点是利用激光的高能量来提高焊接效率，MIG焊用于降低成本，提高焊缝的搭桥性能。激光产生的等离子体增强了MIG电弧的引燃和维持能力，使MIG电弧更稳定。

（4）变极性等离子立焊(VPPA)。

该法采用转移弧和变极性交流进行等离子立焊，焊接电流较大，通过小孔作用可以焊接薄板和厚板（2～25 mm）。

（5）焊接机器人。

焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化（按照开环控制的原理设计）的传统方式，开拓了一种柔性自动化新方式。

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