自动横向埋弧焊的探索和研究

■ 许立新，张翼飞，王钱浦，朱庆

1. 概述

中国经济发展遇到了一个好的时代，中国造船也同样遇到了一个崭新的时代。目前，科技高速发展，制造业智能化、自动化发展迅速，而反观造船过程，目前还是大量采用手工焊和CO2半自动焊进行船体焊接，远远不能满足中国造船的发展趋势。以劳动密集型和资金密集型的方式进行生产的船体，根本不能满足时代发展的需求。而船体大量横向焊缝的焊接，依靠CO2半自动手工焊，已经适应不了船舶建造的要求。因此，我们进行自动横向埋弧焊的工艺探索和研究，将其应用于船体焊接，从而以高效、自动的焊接方法和优质的产品质量满足生产和时代发展的需求。

2. 自动横向埋弧焊机的现状及优势

自动横向埋弧焊机是一种自动化的焊接设备，是由CO2自动全位置焊接小车演变而来，具有埋弧焊不怕风、无弧光、绿色环保的优点，电弧稳定，整条焊缝的焊接一气呵成，没有手工焊的大量接头，成形美观，填充金属熔敷率高，能够确保焊接参数的准确率，保证产品质量及客户要求的实现。自动横向埋弧焊设备可以拆卸，设备轻便、灵活，操作人员只需经过短期的培训，有埋弧焊操作证就能操作焊机进行焊接，持证上岗就能满足船级社要求，在船体建造中能够得到广泛的应用。

（1）第一代自动横向埋弧焊机 是一种大型的自动化专机，在石油储罐、反应锅炉、压力容器的制造企业得到广泛应用，使用范围广（见图1）。可用于10~40mm（单侧坡口）不同等级和使用要求的各类材料（能适应埋弧焊工艺的各类材料）。对气候和环境要求低，适应野外作业，抗风能力强（CO2焊接风速要求＜2m/s）。与CO2焊接工艺相比，焊接效率高。一名焊工采用CO2焊完成板厚20mm，长度为12m的横对接焊缝的时间大约为6h，采用自动横向埋弧焊的时间约为4h，同时降低了对焊缝间隙的要求（间隙0~3mm）。由于是机械操作，大大降低了人为因素对焊缝质量的影响，所以焊接内外质量都明显提高，降低了劳动强度，改善了作业环境。但设备尺寸比较大（由设备操作架、送丝机构和焊剂托带组成），调运和行走都不太适合在船上运用。

（2）第二代埋弧焊机 国内有一些横向埋弧焊机的生产厂家，它们的机械结构整体较重，并且在轨道上行走，硬质轨道与轨道衔接处很难做到平滑过渡，船体外板带有一定的弧度则无法进行焊接，另外铺设轨道的时间较长，在轨道接头处容易造成焊接缺陷。第二代横向埋弧焊机现场使用如图2所示。焊缝成形情况如图3所示。

（3）第三代自动横向埋弧焊机 该焊机是在全位置焊接小车的基础上进行的改进，有软硬两种轨道的配置，轨道只起到导向的作用，车体吸附在船体钢板上，克服了因船体线形变化而引起的焊缝线形的变化，可广泛应用于各种船体的横向焊缝（见图4）。焊缝成形情况如图5所示。

图1 第一代埋弧焊机

图2 第二代横向埋弧焊机现场使用

图3 焊缝成形情况

第三代自动横向埋弧焊机主要有以下优点：①机器的安装轻巧方便，可以灵活拆装，由一辆全位置焊接小车加上焊剂料斗部件、焊剂回收装置组成。拆除焊剂回收装置，CO2焊和埋弧焊可以相互转换。如果间隙过大，可以摆动CO2实芯焊丝打底，埋弧焊填充盖面。②采用锂电池供电，没有电源线，可以排除电源线对焊接区域的限制。同时排除了使用电源线产生的高电压在安全上的影响。③配置实时数字显示面板，实时控制电弧电压、焊接电流等焊接参数。④整车设置磁铁及磁吸附离合手柄，安装、调整位置及时到位。

3. 应用难点与改进方法

通过以上三种自动横向埋弧焊机的比较，我们通过不断的创新改进并实践，发现全位置焊接小车+送收药粉回收装置为最理想的方案之一，为在自动横向埋弧焊机船体建造中的成功应用奠定了良好的基础。

图4 第三代横向埋弧焊机基本结构

图5 焊缝成形情况

（1）送收药粉装置的改进 第一步，送收药粉装置是一个与全位置焊接小车同步的装置，因此是一个同步控制器控制的一个整体，由焊接小车控制行走速度，橡胶托粉带与船体之间通过橡胶的弹性进行贴合，当船体有一定线形时，可以通过橡胶的弹性，保证与船体之间紧密贴合，减少漏药粉的情况产生。

（2）数字显示面板的安装 自动横向埋弧焊机，安装数字显示面板，能够及时的反应实时的焊接电流、电弧电压，使埋弧焊能够满足焊接参数的要求，确保焊接质量

（3）改进成应用灵活的焊接方式 船体建造过程中，横对接线形比较复杂，当板缝间隙＞3mm时，可关闭药粉回收装置，打开CO2气体装置，利用φ1.6mm实芯焊丝打底，确保背面成形良好，然后打开药粉回收装置，关闭CO2气体，接入压缩空气，进行埋弧焊进行填充及盖面。当板厚较大时，可利用双丝双电单熔池的方式，进行填充和盖面，可大大提高焊接效率。

（4）更适应现场的需要 自动横向埋弧焊机，利用平特性气体保护焊电源实现埋弧焊作业，无需添置专用的埋弧焊接电源，采用船舶制造厂家大量使用的CO2气体保护焊机和送丝机构作为焊接电源，选择使用φ1.4mm和φ1.6mm的实芯埋弧细焊丝实现单丝、双丝摆动或不摆动焊接作业，优质高效、最大化发挥焊接设备的优势。

4. 焊接工艺试验及结果

通过大量的试验及现场操作，采用GWL—W14H焊丝在横向位置进行成形焊接，成形层只需要一层，使用φ1.6mm实芯焊丝，焊接时使用GXL—122焊剂进行保护，焊接参数如表1所示。对焊接试件进行力学性能测试，结果如表2所示。同时对焊接接头进行硬度测试，测试点位置分布如图6所示，硬度结果如表3所示。

表1 埋弧焊接参数

表2 力学试验结果

图6 硬度取样分布

表3 硬度分布数据 （HV10）

5. 结语

通过对横向埋弧焊机的不断改进，使其使用范围得到更大的扩展，不仅仅局限于平直区域，带有较大线形的区域也可以使用。通过现场验证，横向埋弧焊机可以提高焊接自动化率，降低CO2半自动焊过程中可能产生的缺陷，提高焊接质量，减少返工作业，从而提高效率。