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杨京华，史 媛，何敬宇，李志博
(大连船舶重工集团长兴岛船舶工程有限公司，辽宁 大连 116318)
在全球金融危机的持续影响下，船舶企业接船难、船价低，且船东、船检对产品质量要求越来越细致，行业竞争也越来越激烈，同时劳动力人工成本上涨且不稳定。在这双重压力下，需我们挖掘内部潜力，从新工艺新技术以及自动焊高效焊接推进的深度和广度着重入手开展研究，提高管子加工生产效率和产品质量，降低生产制作成本[1]。
不锈钢管件焊接传统工艺是采用手工氩弧焊方法进行全焊接，该方法仅适用于规格较小的不锈钢管件焊接，而在浮式生产储油卸油装置(FPSO)上部模块项目中大量采用316L不锈钢管。该钢管壁厚20～73 mm，焊接工作量大、焊接质量要求高，如仍采用传统全手工焊接，将耗费大量人工成本和时间成本。为解决不锈钢管焊接技术难题，深入开展自动高效焊工艺技术研究。
研究一种采用自动转胎、氩弧焊打底[2]、CO2自动焊固定位置填充盖面方法进行焊接的新工艺，取代目前全部采用手工焊接操作的方法。
拟通过针对以下几方面工作的研究和实施，实现不锈钢管自动高效焊接的目标。
1)制定试验初步方案，完成不锈钢管自动高效焊自动转胎工装设计、调试工作。主要包括焊接胎架、焊枪固定装置等前期准备工作。
2)重点突破不锈钢管焊接冷却工装的设计、调试及试验，解决焊接缓冷技术难题。
3)开展焊接试验，摸索和确定CO2自动焊接各项工艺参数，包括焊接电流、电压、速度等，并对焊接试管进行探伤、力学性能等相关检测，验证不锈钢管自动高效焊接方法可行性。
本文拟通过工装研制和焊接参数摸索攻克焊接冷却技术难题，从设计原理上实现了不锈钢管自动高效焊，并通过样管验证不锈钢管自动高效焊接方法的可行性。
2.1 工装设计
1)转胎。对于大型管件需要转胎提供承重，转胎上的滚轮可随管焊件进行匀速转动。
2)焊枪固定装置。CO2焊接的焊枪安装至固定装置后，可在前后、左右及上下各个方位调节至适合焊接的最佳位置。焊接时无需焊工按常规方法进行手工运条操作，但是必须实施监控并根据需要进行电流、电压及干伸长的微调。
2.2 冷却装置
1)不锈钢晶间腐蚀机理和焊接层温控制。对于焊接接头，离焊缝熔合线4.0～7.5 mm的热影响区母材处于危险温度范围内，焊后敏化处理温度在危险温度范围内，在晶界会析出大量碳化铬，使得不锈钢产生晶界腐蚀，焊接接头晶间腐蚀也可能发生在焊缝区和熔合线上。
提高不锈钢抗晶间腐蚀能力、防止晶间腐蚀的途径都是从控制碳化铬的沉淀来考虑，即从碳化铬沉淀的分量、部位和沉淀物形成动力等方面考虑。控制危险温度范围的最有效方法就是控制层间温度，目前工艺中层间温度要求为≤150 ℃，而不锈钢的导热系数为普通碳钢的1/3左右，即散热性能差但层温要求低。一般来说焊接10 min，要等待30 min才能让层温降至要求范围，厚壁不锈钢的焊接效率非常低下，如果焊接制作厚壁不锈钢的数量庞大，往往需要大量焊工和工位，甚至影响焊接制作工期。
2)冷却工装设计及原理。不锈钢焊接冷却工装如图1所示，主要由气水循环装置和水密气密堵板2部分组成，即在焊缝两侧一定体积内形成密闭空间，但可通入循环气或水的工装。其是为本次项目专门研发的一整套工装，主要原理和作用有如下2点：①在氩弧焊打底焊接时，焊缝需要背面充氩气保护，在焊缝装配结束后，将进气管通入氩气，通过排气管将空气排出，待检测保护气体含量合格后即可焊接；
②在使用CO2填充焊接前，将进气管和排气管分别接入循环水箱，待筒体内达到一定水位(根据壁厚情况调整)循环后，可进行焊接，这样在整个焊接过程中循环水可将焊件的大部分热量带走，使层间温度大大降低，基本可以实现连续焊接，大大提高焊接效率。
图1 不锈钢焊接冷却工装
3)焊接层温对比。为验证冷却装置的实际效果，在采用相同的CO2自动焊接情况下，分别对采用循环水冷却和自然冷却控制层温的2组试验进行了对比，根据试验数据形成循环水冷却和自然冷却试验数据折线对比图见图2。通过试验发现，当采用自然冷却时，焊接所需时间为467 min；
采用循环水冷却时，焊接所需时间为104 min。通过图2可以看出焊接连续的2道焊道的间隔时间：采用循环水冷却时是连续焊接，只有焊接时间，没有冷却时间；
采用自然冷却时，焊接连续的2道焊道间隔时间主要是自然冷却至150 ℃的等待时间，而且随着板厚增加，所需焊道必然增加，后续焊道的等待时间更长。
图2 循环水冷却和自然冷却试验数据折线对比图
2.3 焊接试验
1)焊接参数确认。为达到CO2自动焊提高焊接效率的目的，同时保证焊缝质量，经过反复试验和调试，确定出CO2自动焊接适合参数范围，如表1所示。
表1 CO2自动焊接适合参数范围
2)试管焊接探伤及相关机械性能检测验证。攻克不锈钢高效自动焊接技术难题后，编制不锈钢管焊接试验方案，按照试验方案要求进行试管焊接[3]，试管焊接后分别做渗透(PT)和射线(RT)2项无损探伤检验，焊缝内无焊接缺陷。随后做相关力学性能检验，检验项目及数量见表2，力学性能检验结果见表3。由表3可知，检验结果均满足要求。
表2 力学性能检验项目及数量
表3 力学性能检验结果
不锈钢自动高效焊试验的成功，填补了不锈钢管自动高效焊接的空白。目前的研究成果可作为技术储备，对于未来FPSO模块中大量使用的不锈钢、双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊接具有指导性意义，并有以下优点。
1)显著提高不锈钢管焊接效率，针对不锈钢管对接焊缝，尤其是厚壁管，通过层温对比试验可以看出，如采用CO2自动焊接技术，与传统焊接相比，焊接施工效率可提高约3倍以上，对于海工模块中的大量厚壁不锈钢管的焊接制作，可节约出大量的焊工数量和时间成本。
2)在保证焊接质量前提下，自动焊接技术的使用可有效降低焊工操作难度和劳动强度。
3)根据经验表明，即便在不能使用连续焊接的情况下，一般的手工焊接的层间温度冷却至合格温度亦需大量时间，因此冷却装置的运用同样可以显著提高焊接生产效率。
4)对于其它同类材质焊接，冷却装置的适用意义更大，例如双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊接，这类材质在FPSO的模块中大量使用，层间温度对焊缝质量影响更大，并且要求更为严格，要求层间温度不能高于80 ℃，本技术的应用将更能提高焊接效率。
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