海洋工程钢结构自动化焊接技术浅述

海洋工程钢结构自动化焊接技术浅述

杨辉利闫磊董怀峰

海洋石油工程股份有限公司  天津市滨海新区 300452

摘要：大型焊接钢结构的施工工艺对精度要求严格，结构本身的自由度相对较大。由于焊接操作中热源的高度集中，温度场会不均匀。此外，在时间因素的影响下，钢结构焊接工艺中的应力场和温度场也会发生变化。这些问题会增加数据分析的难度，导致计算错误的概率增加，并对焊接质量产生相应的不利影响。因此，对于钢结构来说，要顺利、高效地做好焊接施工往往很难，需要有针对性地应用相关手段和技术，有效控制此类结构的焊接质量。

关键词：海洋工程；钢结构；自动化焊接；质量；

海洋近海资源的开发程度较高，为了获取更多海洋资源，海洋工程逐渐向深海挺进。海洋工程钢结构设备性能也逐渐向适应深海开发演变。而海洋工程钢结构焊接质量正是保证海洋工程设备安全性的关键因素。海洋工程钢结构的作业环境复杂多变，无论是对钢结构的腐蚀还是焊接过程中的残余应力的损害对海洋工程钢结构的稳定性的影响都是深远的。

一、海洋工程钢结构焊接简述

海洋工程钢结构主要应用在海洋平台、海洋底部油气管线、海上风电以及海上船舶建造等方面，不同的海洋工程领域，所选择的钢结构材料的型号和性能也不相同。海洋工程平台的桩腿用钢材料通常为Q690的齿条钢；海洋底部油气管线用钢材料为X65/70型钢；海洋工程大型LNG船的建造用钢材料为殷瓦钢。目前，在海洋工程钢结构中的普通型钢铁材料焊接技术方面，我国与其他海洋工程装备制造强国相比几乎比肩，但是在海洋工程钢结构的特殊钢结构材料的焊接技术方面，我国与其他海洋装备制造强国相比还是存在一定的差距，一些先进的特殊钢材料的焊接技术在海洋制造强国中已经取得了长足进步，有些先进技术已经进行了实践或者实际应用，而我国在钢结构特殊材料方面的焊接技术还处于理论研究阶段，一些关键的焊接工艺和焊接技术还有很大的进步空间。现阶段，手工电弧焊、埋弧自动焊、钨极氩弧焊、药芯焊丝电弧焊以及气电立体焊等传统焊接技术是我国海洋工程钢结构焊接作业常用的焊接方法，特别是手工电弧焊、药芯焊丝电弧焊以及埋弧自动焊是我国目前大多数海工企业首选的焊接工艺，作为浅海领域的海洋工程装备焊接这些技术可以实现预期焊接目的，海工装备焊接成品也能满足使用要求。但是随着海洋开发不断向深海挺进，海洋工程钢结构的厚度、海洋工程钢结构的刚度以及海洋工程钢结构的强度都逐渐增加，特别是大厚度高强度钢材料在深海钢结构装备的制造过程中使用的频率逐渐增加，这时候手工电弧焊、药芯焊丝电弧焊以及埋弧自动焊等常规焊接工艺在大厚度高强度钢结构焊接中的应用效果较差，不但不能满足焊接质量要求，而且焊接效率也大幅度降低，因为高强度大厚度钢材料的焊接需要的是高度自动化的焊接技术，而不是劳动密集型的焊接技术。此外，随着国内劳动力成本的增加，海工制造企业也在积极寻求高效率高质量先进的焊接技术。现阶段，无论是在理论上还是在焊接实践中都比较可行的高度自动化焊接技术主要有窄间隙焊接技术、等离子电弧复合焊接技术以及激光电弧复合焊接技术等。窄间隙焊接技术不但可以降低焊接材料总量还可以明显提高钢结构焊接效率。因此，窄间隙焊接技术已经成为海洋工程大厚度高强度钢结构焊接技术的首选技术。等离子电弧复合焊接技术和激光电弧复合焊接技术都可以高效率集合并充分利用各类焊接方法，会高度自动化的选取在某个区域使用哪种焊接技术，也就是高度智能化，大幅度提高了海洋工程钢结构的焊接效率。更因为等离子电弧复合焊接技术和激光电弧复合焊接技术的高度自动化优势，也越来越受到海洋工程装备制造从业人员的青睐。海洋工程钢结构焊接设计、焊接加工等工序所执行的都是国际通用的焊接标准，这些国际通用标准主要包括钢结构标准、海洋底部油气管线标准、压力容器标准以及海洋工程工艺管线标准等。此外，国际通用标准还制定了关于焊接工艺、焊接母材以及焊接材料、焊接方法以及焊工操作人员上岗资格等方面的标准，海洋工程钢结构焊接过程中需要严格执行这些标准。

二、自动化焊接技术的优势

自动化焊接技术是通过自动控制装置来驱动控制机械装置进行焊接作业，钢结构焊接质量在精准自动化控制和误差极低的机械动作控制的双重控制下得到了可靠保证，在自动化焊接技术下进行钢结构焊接作业，不仅大幅度提升了钢结构焊接质量，也有效降低了传统焊接作业模式下焊接工人的劳动量，降低了焊接作业人员的劳动强度，有效提升了焊接作业效率。

三、海洋工程结构焊接过程中应注意的问题

1.焊接材料选择方面应注意的问题。由于钢结构焊接过程中需要考虑焊接冷裂缝和焊接热影响区域的韧性降低问题，所以海洋工程钢结构焊接材料中的焊条类型主要选择低氢或者超低氢型碱性焊条。

2.焊接参数设置方面应注意的问题。焊接参数的设置直接影响钢结构焊缝的抗脆性能力、影响着钢结构焊缝韧性能力以及影响着钢结构焊缝抗疲劳的能力，所以钢结构焊接参数的选择不能太过激进即选择上限参数，也不能太过保守即选择下限参数，正确的做法是尽量选择适中的焊接参数。

3.钢结构中较厚的构件在焊接之前需进行预热处理，目的是通过钢结构预热来抑制焊接过程中裂缝的发生。

4.海洋工程钢结构重要节点部位焊接结束后需要进行热处理工艺。钢结构角焊缝位置通常承受结构的交变应力，为了消除角焊缝表面缺陷并减少应力集中现象发生，提高钢结构焊缝抗疲劳能力，需要对角焊缝位置进行熔修。海洋工程钢结构对焊缝处理要求比较高，特别是钢结构的的余高设计形式、包角设计形式、焊缝设计形式以及焊趾设计形式要进行严格的焊接控制。余高的长度控制对焊缝强度有着密切影响，余高高度过长会影响焊缝的横向连续性，继而引起焊趾处应力集中，造成结构不稳定。钢结构焊接过程中的包角环节不仅仅是影响焊缝的美观，对焊缝质量也有重要影响，如果包角处理的不好，包角内会含有气孔、残渣以及没有完全融合的缺陷，可能引起焊缝从包角处出现轻微裂缝直至焊缝断裂。钢结构焊趾处也就是焊缝和钢结构母材的连接处是较容易产生应力集中的地方，必须要对钢结构焊趾进行打磨处理，或者通过TIG熔修处理来消除应力集中。

四、自动化焊接设备在海洋工程结构生产中的应用

现阶段，普通类型的海洋工程钢结构焊接作业经常采用的焊接模式主要有采用药芯焊丝气体保护焊、焊条电弧焊以及CO2气体保护焊等焊接形式。比较特殊关键的钢结构焊接一般采用CO2气体保护焊或者埋弧焊等，非常重要的钢结构构件焊接一般采用等离子焊接技术和焊接机器人技术。焊接机器人技术通俗的讲就是利用全自动机器智能化的微型面板替代传统的焊接工作。钢结构焊接作业人员只需要将焊接板材装入指定的输送装置，焊接工作站会自动运行并按照设定程序完成焊接作业。自动化焊接设备通过先进的可视系统大幅度降低了焊接变成和焊接作业的时间，大幅度提升了焊接效率。海洋工程钢结构焊接过程中急需解决的问题就是焊接过程中的焊接变形和应力集中问题，焊接变形和焊接应力集中会影响钢结构焊接尺寸精度和钢结构使用寿命以及使用安全。

总之，随着多学科交叉融合和焊接技术的日益发展，海洋工程钢结构焊接技术已经与电子科学技术、自动化技术以及信息化技术结合的越来越紧密，未来海洋工程钢结构的焊接技术一定是多学科融合的一个高度智能化的技术，在提高焊接质量的同时也大幅度降低了焊接周期。

参考文献：

[1]刘超.钢结构工程焊接质量控制要点分析.2022.

[2]杨国尝.关于海洋工程钢结构自动化焊接技术探讨.2023.