TANDEM双丝焊在造船拼板焊接中的应用及工艺

HEATS

TANDEM双丝气体保护焊是一种高效、高速、适应性强、节能的焊接工艺。和普通的气体保护焊相比，焊接效率是他们的3-6倍。在中厚板焊接时熔敷率可达到30kg/h,在焊接要求控制线能量的低合金高强钢是代替埋弧焊的最佳工艺。

0 前言

　　随着我国船舶事业的不断发展，造船产量在大幅度的增长，以及船厂建造的船型在不断的增多，造船用钢的趋势也悄悄的发生了改变：低合金高强钢的需求将大幅度的增加，造船用钢板的规格增大等，这将给自动化拼板增加一定的难度。首先，由于船舶的大型化，专业化使得低合金高强钢的需求大幅增加。因为普通造船用钢强度低，在建造大型船舶时就必须增加板厚。这样不仅增大制造过程中加工焊接的难度和成本，又增加了船舶的自重，减少载重量；其次，船舶大型化引发了船板使用规格大型化的趋势，预计最大的船用钢板规格将达到：长22.5 m　宽4.5 m　厚40 mm。低合金高强钢和中厚板高效焊接的问题将也是每一个船厂焊接部门必须面临的课题。
　　
　　近几年来国内的造船企业相继引进了多条平面分段流水线，在船厂的生产中发挥了较大的作用。平面分段流水线主要用于钢板平面组装阶段的船体平行中体外板，双层底板，顶板，甲板隔壁等的拼板对接焊，以及相应结构的焊接。但是也由于种种原因从目前的国内的几大船厂引进的平面流水线来看，成功的几乎很少。首先，焊接材料必须依靠进口，由于一般引进的设备都是大型高效装备，因此采用的都是大线能量高速焊接等技术工艺。国内虽然有部分焊材可以代替进口用于引进设备使用，但对韧性指标要求高或是特殊场合的焊材仍以进口为主；其次，由于一般引进的设备都是大线能量技术工艺，这就对高强钢的焊接不太适应，热输入大，产生变形和组织性能等问题；国内许多船厂引进的平面分段流水线中FCB单面焊拼板焊接工位由于坡口留根，间隙一致性差等问题导致焊缝反面成型不均匀，有时甚至不成型，增加返修工作量。对厚度≥35mm的钢板焊接接头的某些性能不能较好的满足要求。导致在一些情况下流水线流不起来，或流的不畅。

1　TANDEM双丝焊接系统简介

　 为了提高我国工业企业的焊接生产效率和焊接技术水平，珠海市金宝热融焊接技术有限公司从世界著名的德国克鲁斯（CLOOS）公司引进了TANDEM双丝高速高效焊接技术。成功的解决了一些需要高速焊接的用户的需求，在过去的十年中已经有超过150套的TANDEM焊接系统在国内交付使用，受到了广大用户的一致好评。
该技术将两根焊丝按一定的角度放在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝分别由各自的电源供电，所有的参数都可以彼此独立，这样可以最佳地控制电弧。与其它双丝焊技术相比，不仅可以提高熔敷速度，大大提高焊接效率，而且改善了焊缝质量，减少了飞溅物。

　 （1）TANDEM 焊接系统原理：
　 德国CLOOS公司TANDEM焊接系统原理见图1。

　　（2）TANDEM 双丝焊的工艺特点：
　　a)　高性能焊机， 100% 暂载率时的焊接电流 1000A ，脉冲电流 1500A ；
　　b)　数字化双脉冲电源， 6 英寸 LCD 显示，可编程，连接 PC 机、打印机；
　　c)　每根焊丝的规范参数可单独设定，质材、直径可不同，相位差可连续调整；
　　d)　每根焊丝的送丝速度可达 35m /min ；
　　e)　大大提高熔敷效率和焊接速度；
　　f)　在熔敷效率增加时，保持较低的热输入；
　　g)　电弧稳定，熔滴过渡受控；
　　h)　焊接变形小；
　　I)　飞溅小；
　　j)　焊接数据监控和管理，错误代码显示；
　　k)　使用标准气体，耗气量少；
　　l)　可焊接钢、高强钢、不锈钢、铝合金等；

2　船厂分段拼板技术要求

船厂分段拼板技术要求如下：
　　（1）一次焊透20-40mm厚的钢板，单面焊双面成型，反面成型美观，焊缝能满足船检的要求；
　　（2） 厚度低于16mm（含16mm）的不用开坡口；
　　（3） 焊接速度：厚20mm的1m/min以上，厚16mm的1.2m-1.5m/min之间；
　　（4） 能同样适用低合金高强钢的高速焊接；
　　（5） 焊接变形控制要求焊后不需要校正；
　　（6） 能用铜衬垫或陶瓷衬垫；
　　（7） 组对时间隙精度允许有2mm的误差。
3 TANDEM双丝焊拼板系统的构成

（1）机台总成：含主门架、爬梯、横向滑移机构等。主门架采用固定形式，长21m,适用21m及以下不同规格的板材，焊接小车在门架横梁上运行，焊接距离长。
（2）焊接总成：含焊接小车、立体、上下升降机构、左右调整机构、焊枪夹持机构等
a)焊接小车：采用双边变频驱动形式，驱动功率为1.5KW,焊接速度为300-3000mm/min
b)焊枪上下升降装置：焊枪拖板在精密丝杆的传动下，通过直线导轨副上下运动，驱动功率为：0.75KW,移动距离为500mm,速度为：250mm/min
c)焊枪左右横移装置：焊枪在焊臂的带动下手动左右移动，通过直线导轨副导向，移动距离为500mm。
（3）焊接系统：含两套TANDEM双丝焊机（四台）、四台送丝机、两把TANDEM双丝焊枪及焊枪电缆、联接电缆等。
（4）跟踪系统：含激光跟踪系统、电动十字滑架。采用十字滑架结构方式，非接触传感工件对接处，根据采集到的焊缝变化信号，由X-Y滑块执行焊炬精确地随动，精度：±0.25mm。
（5）焊烟除尘器：含德国产焊烟回收系统1套。
（6）导弧总成：含焊枪角度调整机构、焊枪间距调整机构。
（7）能源传送总成：含15000mm长坦克链及辊道等。辊筒直径为：245x16mm。
（8）控制总成：含控制箱、操作箱、电缆线等。控制系统采用集中控制，可储存焊接工艺参数，根据不同工艺参数可随时调用，数字显示。
（9）钢板固定装置：含电磁铁等。每个电磁铁直径为φ250mm,吸力为2吨。横向电磁铁间距为925mm,纵向为：965mm。在每个电磁铁中间设置一个托轮，有利钢板的输送。
(10) 衬垫：含陶瓷或琴键式铜衬垫。陶瓷衬垫采用人工装贴，琴键式铜衬垫采用气囊顶升压紧。

4　TANDEM双丝焊拼板焊接工艺过程：

(1)　切割好的两块钢板放置在辊道上预先点焊，预留间隙精度控制在3mm以下；
(2)　通过同步输送链将钢板拼接焊缝处送至焊缝贴片处，反面贴上陶瓷衬垫，或顶升铜衬垫，保证反面衬垫与焊缝结合严密；
(3)　启动高速TANDEM双丝气保焊机进行焊接，前后两把TANDEM双丝焊枪四丝同时工作。前枪带焊缝激光跟踪系统进行打底，后枪带电弧摆动盖面，一次焊接成型。
(4)　去除反面的陶瓷衬垫，手工气保焊清根,完成拼板工序。
(5)　将拼接后的钢板输送至纵筋龙骨装配区，在钢板上划出纵筋龙骨位置线，将龙骨装配并点焊，装配后的工件由输送辊道送至纵筋龙骨焊接区进行双面自动焊接。

5 焊接参数
焊接参数见表1。

r7 s. f' b9 J- G/ B+ `表1焊接参数
! o8 l, w5 K8 j8 i2 h% y1 L$ f. m& ?$ h R2 y" m* [4 x7 e. ~, j& J+ Z7 E U4 E1 E; F- L9 j9 i v3 O6 T0 O/ Z) A! P: O2 D& s1 A9 e9 [$ i1 T+ j, i) z) | U' b- R- R, o: }; r. \+ E4 i" [% V% j& u# o8 Q+ R9 P8 W1 t3 g: a* A' F1 G- m- y1 { M1 P% R8 ?6 U; u( W) o7 f! j6 [! d+ S" m% e# L+ V0 H/ g1 p8 L& c' V' q- c2 f- b; S, ~) |/ E. H9 s6 y/ F5 {8 t$ r1 I" I4 R& O; W; _+ L1 p- X* c. x! r' Y+ I; {! y7 Y( k) w3 D9 G7 `! @$ K) B, P) p6 A* f. `1 y& r7 J" K7 _4 T3 E- z3 z2 ]$ O: j5 I9 @( \6 {$ L6 | j& Z$ m6 `8 Q0 }! A. W" j1 d* L3 k9 A" \' V+ h- i$ N) }+ s+ v' P1 u* D% ]; a- o0 K1 Z7 ~, [. J% ^0 {; _1 c7 Y2 E& w2 J7 k* o3 f* Q9 q1 |3 I- o( i8 B4 S, }" g: L; j% a& J0 e+ [' [8 j+ L, }5 T7 p m9 ]( o4 c$ g) z ]7 a" c5 d# Y8 ~* C. { \! R# T, S s2 U5 D2 k' E; [6 e" @. r% w2 C g: h5 F. j: w; B5 t+ O" V* Y7 V- g! y" M: Y+ t8 E" y$ e4 Q7 U7 T3 @) ^$ v, Z0 i4 l& K/ \! ?: g% A% o, i9 I* J$ L! ^( r7 m a' f; W- r4 v1 k! s) Q6 m2 I! z( E8 O2 K' o6 C% ^) V2 _% h' j) {4 \ K$ a+ G( U. _* f: ], T! G' ~0 T' f6 U6 ?$ A3 b8 n4 z4 J* i8 o+ ^, q' V* w# D; L/ J3 e4 c$ M/ Z9 U) p$ R$ I0 ]8 W6 ?: T4 f( ^8 T- t; z5 d+ z8 _! N/ D$ G+ L' a( D/ J7 U7 q6 Z( _& G7 i! z+ p4 a- T( @* y v& @ k, N1 H' u1 ?. G+ y# @8 e( |( z! M# o! ]# M) m0 f8 i/ f7 c1 U5 a! B6 w9 a$ r

' }7 X, g8 Y1 F' {% n- ? 试 件	. W/ C, z& K( K( S Q235		焊 丝		1 n/ f# m1 V$ y" [ e& n) x ER70S Φ1.6mm
. E, Q( O v, G" Q* B& ` 坡口形式		2 L$ ]! v4 q, g' {* y4 Q7 I 对接焊缝 V型 20+20mm			对口间隙	1 T2 I/ q8 i# j8 I( C 4—5mm
$ P# V( P1 H1 b) n7 t 焊接气体		2 P0 I6 x; J& e/ _% M7 X 80%Ar+20%CO2			预热温度	/ f @" p& Q" u+ D+ B 无
" _" S' c* q; K 焊道次序		+ L U" A, v: ^ 打底TANDEM焊枪			, m: I4 ] X0 t$ S0 C& h 盖面TANDEM焊枪
7 k2 S5 a& u0 X$ c 焊丝		前丝		: B! L4 s1 K, q9 X# ^ 后丝	前丝		后丝
& E3 ]* s* E( w! H3 h9 x 焊接电流A		260		6 h, P% i- X, @" E S+ @. ?: o! c 300	420		( e2 r' a9 c T' L, @+ a 380
) }' E1 B! {3 R$ B! U 电弧电压V		28		30	9 O% ~9 p+ a0 p% [! O, P. B1 H$ ~' p7 z 32		& e, K) f8 K& U6 b5 } y2 L9 V$ ?9 A9 d 31
送丝速度m/min		; Z! ~: {+ y$ L5 j; E 7.0		" i) I5 J0 k% p 7.5	( g ~$ ~9 T2 E. k1 j5 ?, s. F' d 10.0		3 W+ h& z) u1 b, R; f 8.5
/ M& Q* e9 L; s 脉冲频率Hz		200		200	4 V# z. R& M+ {$ M! x) Y5 U9 d 200		9 i+ H% E- K' ?$ Y: {7 W& A 200
6 A E% t3 u% A! @2 Q: }: O) f 峰值电压A		32		34	8 [( [ {2 ~' {9 E/ L! I 36		' s5 k* {+ ` H/ X$ L 35
基值电流A		100/100		! g2 o! l# }0 d 100/100	1 {8 \! I/ z, G/ @! a0 M 100/100		/ N8 |" c5 }8 x; Q 100/100
脉冲波形		2		2	, \, U0 `8 t; ]- c' K 2		( J7 M- U7 Y2 z. w: k 2
) A7 J/ c. E6 k3 c3 s3 j 脉冲宽度ms		1.90		1.90	/ L2 ? L0 `: S 2.25		2.25
脉冲模式		4 L e: [8 r$ ^# T) C5 u U/I		3 v7 j' E: ?' @& z% y5 ^4 G% l U/I	% l1 W/ x) p$ f8 u9 p U/I		* T& E( }& G$ D( W/ [# `8 { U/I
气体流量l/min		7 a# f) }3 j, K) q( H3 A3 [9 r$ L 25		, J. {9 {/ [8 H# E6 ]0 }( p- Q/ J5 ~4 ` 25	* f- \3 \4 i6 D" z 25		1 G) T9 C7 T, P) d7 w 25
焊接速度mm/min		" ]5 ~3 s+ c( c, {$ f7 M 1000
摆动频率Hz		! c" c9 l! g( Z7 B: k			% W# w6 ^/ E6 f; _% q4 _7 u! N/ ^+ a 20
摆动幅度mm					5
驻留时间s		q, P* ]; w1 T1 T* A			0.2
' P/ ~+ t6 J" H- S+ q! s 焊缝宽度mm		反面6-8			正面21-24
备注：焊机相关参数设置: 1.TANDEM脉冲MAG焊工艺,控制方式U/I, 材料合金钢,焊丝直径Φ1.6mm,保护气体 80%Ar+20%CO2. 主电源Master-alternate ,从电源Slave-mode,相位差50%;无飞溅起弧SPAZ; 2.提前送气0.3,滞后送气0.8; 3.预送丝速度3.5m/min; 4起弧: 起弧时间0.5/0.5s,上升时间0.3/0.3,送丝速度4.8/4.5,脉冲频率120/100,基值电流80/80; 5.收弧: 收弧时间1.0/1.0,下降时间0.3/0.3,送丝速度4.0/3.5,脉冲频率80/80,基值电流60/60; 6回烧:30%.

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