船舶制造对接接头药芯焊丝旋转电弧焊接工艺研究

船舶制造对接接头药芯焊丝旋转电弧焊接工艺研究

芦宾

渤海造船厂集团有限公司内业部辽宁省葫芦岛市125004

摘要：采用响应曲面法（简称RSM）展开测试，通过设置回归方程，描绘响应曲面，探讨旋转电弧焊接方式参数对产生焊缝的影响。选择4各干扰焊缝成形的要素，即焊接速率(V)、坡口上沿距离(G)、旋转直径(D)与部件倾斜角度(r)，创建焊接成形的预计模型，获取优化焊缝成形效果的规律。

关键词：船舶建造；对接接头；旋转电弧焊接法；药芯焊丝

0前言

旋转电弧焊接方式的的运行速度快、窄缝隙焊时侧面熔合水平高一级熔池拌合促使晶粒细化，在重工领域具有良好的使用前景。研究显示：低速运行的电弧有助于焊缝成形，能有效优化焊接工艺。以往的旋转电弧设备主要用作焊缝追踪，基本原理是采用高速运行的电弧，收集每周的电流信息加以研究，从而计量出焊缝误差。用作焊缝追踪的旋转电弧，通常旋转频率能达到50Hz之上；而电弧的低速运行加大了散热范围，加快了熔池冷却，可以避免仰焊时容滴向下滴落，提升了焊接技术水平。

1、试验设备及焊缝成形影响要素

1.1试验设备

采取RSM方法来测试上坡焊与下坡焊方法。在焊接时，旋转电弧设备顺着有特定倾斜方向的低碳钢对接部件的V型坡口焊缝位置匀速转移。高度传感器能维持CTWD不变，前置相机照摄焊熔池位置，能细微调整焊枪位置，以保证焊枪中心对准焊缝。

1.2焊缝质量干扰要素

焊缝质量会遭受电流、电压、保护介质、焊枪状态、坡口尺寸、焊接速率等要素的干扰。针对旋转电弧焊接，其直径与频率也会影响到焊缝成形[1]。为缩减试验变量，文章在电流为100安、电压为20伏、CTWD为10毫米、旋转频率为1赫兹、保护气体为二氧化碳、采取药芯焊丝的条件下，探究焊接速率V、坡口上沿距离、旋转直径D与工件倾斜角r对焊缝质量产生的影响。

1.3焊缝成形效果指标

焊缝成形效果评价能分为两步进行：

①结合焊缝外表成形评估标准，判别表面成形。如果表面成形均匀，而且填充坡口，就表面成形达标；如果产生凹坑、没有填充或有咬边情况，就表示焊缝不达标。在后期试验数据记录环节，达标记成1，不达标记成2。

②剖开焊缝，以4%硝酸酒精溶液腐蚀焊缝表层以得到清楚的熔合线，然后测出熔合线长度，由此深入评价焊缝成形效果。

2、响应曲面法分析

2.1基本原理

RSM是一项数理统计方式，采取多项式拟合途径获得响应值和影响因素之间的关联，能用作最优区域的计算。其响应曲面模式是：

（1）

其中，Y是响应；•••是变量；ε是随机偏差；f是拟合函数。

2.2规划响应曲面测试

采取外切中心复合规划方式，设置响应曲线测试。针对4因素5效果的外切中心复合规划，形成30各测试点，各测试点对应不一样的焊接参量组合。

图1

3、结果研究

3.1上坡焊焊缝外表成形效果及长度

上坡焊焊缝外表形成效果Ys和4个焊接参量间的回归模型是：

按照测试统计量F布置，拟合偏差率是4.08%。旋转直径与其他焊接参量对Ys的影响见图1所示。

由此发现：D、V及r对Ys的影响较小，当G是中心值时，Ys约为1，认为达标。G对Ys的影响最严重。当G增大时，Ys明显降低，G偏大会造成不达标的焊缝外表成形。Y1和4个焊接参量间的回归模型是：

按照试验统计量F布置，拟合偏差率是0.62%。旋转直径与其他焊接参量对Y1的影响见图2所示。

图2

由此发现：D加大，Y1会扩大。随着G与r的加大，Y1也会随之加大。V对Y1的影响很小。

3.2下坡焊焊缝外表成形效果及长度

下坡焊焊缝外表成型效果Ys和4个焊接参量间的回归模型是：

结合试验统计量F布置，拟合偏差率是0.13%。D与其他焊接参量对Ys的影响见图3所示。由此得知：D与V不搭配时，极易产生不达标的焊缝外表成形；当V与r一定时，针对偏大的G，不管怎样调整D，均极易出现不达标的焊缝外表成形；针对偏小的G，加大D，能够提高Ys；当V与G一定时，r太大就极易产生不达标的焊缝外表成形，但通过增大D，可以提升Ys。Y1和4个焊接参量间的回归模型是：

图3

结合试验统计量F布置，拟合偏差率是0.001%，D与其他焊接参量对Y1的影响见图4所示，可以发现：在整体上，D愈大，熔合线愈短；而上坡焊过程，D愈大，r越长。这是因为在上坡焊过程熔池有朝下滴落的趋势，使已焊接完的焊接支撑[2]。当D较大时，有助于熔池向外分散，拓展熔合范围；在下坡焊过程，熔池有向没有焊接的坡口位置流淌的趋势；热扩散很快，而D较大会令热扩散加速，造成焊材和母材熔合不彻底。

图4

4、船舶建造领域高效焊接工艺的发展趋势

4.1焊接方式及工艺的多元化

现代船舶构造较大，所包含的结构繁琐，且劳动量大。为提升船舶建造效率，保证焊接效果满足标准要求，一般将船舶建造分成几个区域，分区开展焊接工作。为符合各焊接位置的焊接要求，提升船舶建造的焊接效果，一定要结合现代船舶的实际要求研发新的焊接方式及工艺，今后船舶建造领域的高效焊接工艺必定会表现出多元化的发展态势。

4.2气体保护焊完全取代焊条电弧焊

当前，焊条电弧焊任然是船舶生产中十分常见的焊接方式。但是，随着船舶结构逐渐朝着大型化、高附加值趋势改变，以人工操控为主的焊条电弧焊势必会被运行效率更高的自动及半自动焊、智能角焊等方式所取代。而这些焊接工艺均是以C02为电弧媒介的焊接方式[3]。随着时代的发展，焊条调虎焊必定会被气体保护焊彻底取代，亦或是仅在焊接修补过程才可能采用焊条电弧焊。

4.3焊接装置朝着智能化、集成化趋势发展

伴随船舶行业的迅速发展，船舶建造的管理形式、制造方法、工艺流程等开始出现变化，如此就对焊接技术提出了越来越高的要求。以往的人工焊接模式必定不能迎合大规模焊接要求，也不能得到高精度焊接。今后的焊接工艺必定会朝着更高精度、迅速的趋势发展。当前，焊接装置已表现出智能化与集成化的趋势。

比如，在平面分区焊接环节，一般采取三丝焊接途径。另外，该焊接中对电源要求很高，除了运行顺畅的大功率电源外，还应当配置一定的智能送板、液压控制器等。事实上，为保证焊接效果，还应当配置高精度的追踪器和有助于焊机转移的大型门架工件。

5、结论

文章主要采取RSM方法探究旋转电弧技术指标对焊缝成形效果的影响，并简单介绍了船舶建造领域焊接工艺的发展趋势。通过本文的分析，获得的结论有：

①在上坡焊过程，D、V及r对Ys的影响较小，而G对Ys的影响很大。

②在上坡焊过程，随着D、G与r的加大，Y1有加大的趋势，而V对Y1的影响很小。

③在下坡焊过程，D愈大，熔合线愈短。D、V、G及r对Ys有较大影响。

参考文献：

[1]陶雪花.基于非线性优化方法的船体线型研究和最小阻力船型设计[J].舰船科学技术,2018,40(14):7-9.

[2].牢记军工报国使命引领海军装备发展打造上海船舶制造品牌[J].上海企业,2018(07):40-41.

[3]孙楠,李军,宋艳媛,程阳,林洪山,金风明.船体零部件制造车间数字化物流参考模型标准研究[J].中国标准化,2018(13):53-57.