哈工程船体焊接大作业

船体焊接研究意义及当前现状焊接作为船舶建造中的一门重要工艺其地位在整个船舶的建造过程中是不容忽视的。通常来讲船舶建造过程中焊接约占全船工作量的30%，它作为一种连接技术，在当今工业社会，没有哪一种连接技术象焊接那样被如此广泛、如此普遍地应用在各个领域。而其中最主要的原因就是其极具竞争力的性价比。在人类社会步入21世纪的今天，焊接已经进入了一个崭新的发展阶段。当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术，诸如：计算机、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等，已经被广泛地应用于焊接领域，这使得焊接的技术含量得到了空前的提高，并在制造过程中创造了极高的附加值。与此同时焊接也已成为关键的制造技术和现代工业不可分离的组成部分。这是因为焊接作为组装工艺之一，通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用，并且许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术的使用。焊接技术在船厂的应用及焊接变形的影响那么焊接又是怎样的一门工艺呢？可以说焊接就是通过施加外部能量的方法（通过加热或加压或者两者并用），使两个分离的物体之间达到原子或分子间的永久连接。与传统的铆接方式相比焊接具有诸多优点：1.节省大量金属材料2.可改变结构设计3.结构强度高4.焊接结构密封性好5.投资省、劳动条件好、生产率高。船舶建造工艺从铆接变为焊接，堪与木壳船向钢壳船的过渡相比拟，可以说是造船工业的第二次革命，为船舶建造向自动化、大型化、专业化发展提供了可靠的保证。在船厂中的焊接技术有：焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊、钨极氩弧焊、气电立焊等。这其中电弧焊是目前应用最广的焊接技术。它分渣保护电弧焊和气体保护电弧焊两类。它包括焊条电弧焊、埋弧自动焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊和气电立焊等。焊接电弧是一种人工制造下的小能量放电现象，它是在焊接电源支持下，在两个电极之间产生电弧放电。为了满足弧焊工艺的要求，它必须保证：一、引弧容易；二、电弧稳定；三、具有足够宽的焊接规范调节范围。焊条电弧焊具有方便灵活，适应性强；设备简单，操作方便；对焊工操作技术要求高；生产效率低，劳动条件差等工艺特点。埋弧焊是一种能实现机械化焊接的渣保护电弧焊，连续送进的焊丝在可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材和溶剂部分熔化和蒸发构成一个空腔，电弧在空腔内稳定燃烧。1940年，乌克兰巴顿焊接研究所发明埋弧自动焊。它具有生产效率高；焊接质量好；改善劳动条件等优点。现在发展有双丝、多丝埋弧焊，不足之处是只适用于平焊和横焊。CO2气体保护焊是用连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，通过焊枪喷嘴输送CO2保护气体。主要特点有生产效率高、热量集中；明弧无渣、抗冷裂性强；焊接成本低、飞溅大；不能用于非铁金属焊接。药芯焊丝CO2焊：在电弧热作用下，药芯焊丝，母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣层覆盖熔滴并覆盖熔池，对熔化金属形成了又一层的保护，是一种气－渣联合保护的焊接方法。主要特点是气－渣联合保护，成形美观，电弧稳定性好，飞溅少；熔敷速度快，生产效率高；可以调整药芯成分以适应各种钢材焊接；焊丝制造过程复杂。目前，CO2气体保护焊是造船业中应用最多的焊接方法。药芯焊丝占75%，实芯焊丝25%。气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种气-渣联合保护焊方法，它利用类似于电渣焊所采用的水冷滑块挡住熔融的金属，使之强迫成形，以实现立向位置的焊接。主要特点是生产效率高，是手工焊的10倍以上；工艺过程稳定，焊缝质量优良；设备较复杂，焊前准备工作要求高。氩弧焊是利用氩气作保护气体的电弧焊方法，即在电弧焊的周围通上氩弧保护性气体,将空气隔离在焊区之外，防止焊区的氧化，按电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。它常用于不锈钢、铝、镁、铜、钛、锆及镍合金的焊接及船舶管系安装、船舶电气安装也用于焊接修复，如铜制螺旋桨。在船舶建造过程中由于焊接位置不同接头形式也各不相同，因此工艺也有较大区别。施工中常见的接头形式有对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头等形式。对接接头是船体结构中常见的接头形式，多用于船体外板、甲板、内底板和舱壁板等构件间的联接。坡口是根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽。其中当两板厚度差大于4mm时，根据规定厚板边缘加工成斜边，以使其均匀过渡。T形接头是船体结构和海洋平台结构中采用最多的一种接头形式。在船体结构和海洋平台结构中有些受力不大的构件，可采用间断填角焊缝(节约、提高效率、减小变形)。船体结构与海洋平台中，若外板与内侧型材、腹板无法直接使用角焊缝联接可采用塞焊作增强联接，如舵结构、船尾柱等。针对V形或X形坡口，为保证完全焊透常需要背面刨根进行双面焊，不能进行双面焊时，可在背面设垫板进行单面焊按照焊接位置不同，可以将焊接分为平焊、横焊、立焊、仰焊和角焊等。这其中平焊最容易施焊，重力、表面张力、电弧吹力和电磁力均有利于熔滴过渡，焊缝形状易控制，可选用粗焊条、大电流。横焊在重力作用下，熔池中的铁水易下淌，致使焊缝上部熔合线处出现咬边，下部出现焊瘤或未焊透，因此应使用较小电流(介于平焊和立焊之间)和短弧焊。立焊中熔池中铁水易下淌，焊缝成形困难，要选用小直径焊条和短弧焊，电流比平焊小10%-15%。仰焊中重力阻碍熔滴过渡，熔滴过渡困难，工作人员易疲劳，是最难焊的一种位置。要用细焊条、小电流(平焊和立焊之间)，最短的焊接电弧。角焊或船形焊时平角焊焊条与水平成45，前倾角70-80；焊接时选用的焊接电流可比平角焊大。焊条电弧焊:电弧在熔化的电极和工件之间燃烧，电弧和焊接熔池通过焊条药皮产生的气体和熔渣的保护来防止空气的侵入。焊条电弧焊是采用低电压、大电流放电产生电弧，依靠电焊条瞬时接触工件实现。焊条电弧焊设备简单、重量轻，操作灵活方便，适应性强，可达性好；可焊金属广泛；待焊接头装配要求较低；劳动条件差，熔敷速度慢，生产率低。可以焊接钢板厚度为≥1.5mm；一般在3∼40mm之间。能焊的金属有：碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、铜、铝及其合金；能焊但可能需预热、后热或两者兼用的金属有：铸铁、高强度钢、淬火钢等；不能焊的金属有：低熔点金属如Zn、Pb、Sn及其合金；难熔金属如Ti、Nb、Zr等。适宜用在结构复杂的产品、具有各种空间位置、不易实现机械化或自动化焊接的焊缝；单件或小批量的焊接产品；在安装或修理部门。埋弧焊是一种能实现机械化焊接的渣保护电弧焊，连续送进的焊丝在可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材和溶剂部分熔化和蒸发构成一个空腔，电弧在空腔内稳定燃烧。在焊剂层下，电弧在熔化的电极与工件之间之间燃烧，电弧热使焊丝、焊剂、母材熔化以致部分蒸发，在电弧区形成蒸气空腔，电弧在空腔内稳定燃烧，底部是金属熔池，顶部是熔渣，随着电弧向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝，熔渣凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。连续送进的焊丝在可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧，靠近电弧区的焊剂在电弧热的作用下被熔化，这样，颗粒状焊剂、熔化的焊剂把电弧和熔池金属严密的包围住，使之与外界空气隔绝。焊丝不断地送进到电弧区，并沿着焊接方向移动。电弧也随之移动，继续熔化焊件与焊剂，形成大量液态金属与液态焊剂。待冷却后，便形成了焊缝与焊渣。优点:熔敷速度高，生产效率高；焊接质量好，容易实现机械化、自动化；无辐射和噪音，是一种安全、绿色的焊接方法。缺点:受焊接位置限制，常用于平焊和平角焊位置的焊接，不适合焊小、薄件；不便观察，需要焊缝自动跟踪装置，对装配精度要求高；设备一次性投资大。注意事项：焊缝必须是直的；焊缝必须干净，事先用砂轮打磨；焊丝的位置非常重要；焊剂应该覆盖整个电弧；焊剂应该干燥。CO2气体保护焊利用CO2气体在熔化极电弧焊中对电弧及熔池进行保护的焊接方法称作“CO2气体保护电弧焊”，简称“CO2焊”。它采用与母材相近材质的焊丝作为电极。焊丝为电弧的一极，焊丝熔化后形成熔滴过渡到熔池中，与母材熔化金属共同形成焊缝。为防止外界空气混入到电弧、熔池所组成的焊接区，采用了CO2气体进行保护。有以下几个特点：焊接效率高，焊接生产效率是MMA的1-5倍;焊接成本低，仅为MMA或SAW的40%-50%;适用范围广，对任何位置、角度、长度及复杂曲面的焊缝都可进行焊接，不受结构条件制约;不易产生冷裂纹，是一种低氢型或超低氢型焊接方法;焊后不需清渣，明弧焊接便于监视，有利于机械化操作;不能用于非铁金属的焊接；过渡不如MIG焊稳定，飞溅量大、烟尘大；设备复杂，包括弧焊电源、控制箱、供气系统等，较手工电弧焊的设备复杂。药芯焊丝CO2气体保护焊药芯焊丝气体保护焊的工作原理与普通CO2气体保护焊基本一致，不同是采用可熔化的药芯焊丝作为电极。焊接时，在电弧热作用下，药芯焊丝，母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣层覆盖熔滴并覆盖熔池，对熔化金属形成了又一层的保护，所以实质上是一种气－渣联合保护的焊接方法。采用气－渣联合保护，焊缝成形美观，电弧稳定性好，飞溅少且颗粒细小。焊丝熔敷速度快，熔敷效率高达85%～90%，生产率比手弧焊高3～5倍。通过调整药芯成分可提供所要求的焊缝金属化学成分，以适应各种钢材的焊接。但是焊丝制造过程复杂；送丝较实心焊丝困难，需要采用降低送丝压力的送丝机构等；焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，需要加强对焊丝管理。金属材料的焊接性指金属材料在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。它主要取决于以下依据：1、金属的导热性和导电性2、金属的高温塑变能力3、金属对热循环的敏感性4、熔点和线膨胀系数金属的可焊性包括以下两方面内容：1、金属经受焊接加工时对焊接缺陷的敏感性；2、焊接接头在一定使用条件下的可靠运行能力。焊接性是一个相对概念，非一成不变。焊接性受材料、焊接方法、构件类型、使用要求等因素影响。焊接性的好坏从两个方面来衡量：1.工艺焊接性：焊接工艺的优劣，产生缺陷的倾向。2.使用焊接性：接头在使用中的可靠性，如力学性能和其它性能。焊接接头质量的好坏直接影响船舶与海洋结构物的使用、安全和寿命。如果存在焊接缺陷，在风浪作用下，结构可能破坏，造成重大事故和损失。焊接缺陷是指焊接过程中在焊接接头中产生的不符合设计或工艺条件要求的缺陷，主要有焊接裂纹、未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边和焊瘤等。产生应力集中，降低承载能力；引起裂纹，缩短使用寿命；造成脆断。焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。未熔合指焊道与母材之间，或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。未熔透、未熔合的产生原因有三点1、焊接电流小、焊速过高2、坡口尺寸不合适3、电弧中心线偏离焊缝，电弧产生偏吹。焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形成穿孔的现象叫烧穿或焊穿。焊穿属于严重的焊接缺陷，等同于对工件形成了切割。成因有1、焊接电流过大、焊速过小；2、厚板焊接时，熔池过大，固态金属对熔化金属的表面张力不足以承受熔池重力和电弧力的作用，从而形成熔池脱落；3、在薄板焊接时，如果电弧力过于集中，或者对缝间隙过大也会出现焊穿。沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边。它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。焊接时，由于焊缝两侧金属没有被很好地熔化，同时熔化焊缝金属受表面张力的作用容易聚集在一起而对焊趾部位的润湿性不好，容易形成固液态剥离，凝固后出现咬边。由于电弧电压过高、焊接电流过大、焊接速度过快、操作不正确都有可能形成咬边。焊瘤是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积。他易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未焊透等缺陷。在横焊、立焊和仰焊的焊接中，由于焊接速动过慢和运条操作不当形成焊瘤；或者直接在焊缝上聚集成大的金属瘤，多数情况是由于不稳定的熔滴过渡造成。残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣。因