中小型船舶焊接變形控制工藝設(shè)計

吳泰峰， 朱 池

(中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 無錫 226433)

0 引 言

目前,國內(nèi)中小型船舶企業(yè)主要分布在我國沿江各地，以生產(chǎn)10萬t以下散貨船、支線集裝箱船、瀝青船、化學(xué)品船等船型為主。已建造或在建18 600 t化學(xué)品船、載重37 000 t瀝青船、冰區(qū)加強載重38 800 t環(huán)保節(jié)能船、海豚型載重64 000 t船、卡爾薩姆型載重82 000 t船等都在向節(jié)能環(huán)保和個性化方向發(fā)展。因此，焊接變形工藝設(shè)計優(yōu)化以1萬～10萬 t船舶為研究對象進行分析。

在船體整個建造階段，單船的焊縫長度可達1萬～20萬m，因此焊接工藝精細設(shè)計具有十分重要的意義。結(jié)構(gòu)設(shè)計要做到：保證構(gòu)件最大限度的柔軟(軟趾)和最小的焊縫收縮應(yīng)變；船舶建造工序應(yīng)確保在組立、分段、總組、搭載等制造階段均能以持續(xù)檢查和控制得以實施的方式組裝結(jié)構(gòu),焊接順序應(yīng)以降低殘余應(yīng)力、減少焊接變形和防止產(chǎn)生焊接裂紋為目的；合理采用焊接工藝設(shè)計優(yōu)化減少焊接變形；考慮最優(yōu)分段劃分、搭載順序和焊接順序；等等。為此，從船舶焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝設(shè)計兩方面同時采取措施,對保證船舶焊接變形控制、建造質(zhì)量和建造周期起到了關(guān)鍵作用。

1 船體結(jié)構(gòu)焊接變形原因與要素

焊接變形是由不均勻加熱引起的，它會使船舶的建造品質(zhì)和服役性能受到影響。在眾多的船舶破損事故中，焊接變形和應(yīng)力是造成船體斷裂的主要原因之一。[1]熟悉掌握焊接變形的產(chǎn)生和存在的一些基本規(guī)律，對焊接變形的減少、控制以及防止具有重要意義。

2 船體分段與總段劃分要領(lǐng)

2.1 船舶結(jié)構(gòu)強度與結(jié)構(gòu)要求

對于橫骨架式船舶，為保證船舶組立間的連續(xù)性和整體性，盡量減少縱向分段的劃分。[2]對縱骨架式船舶，應(yīng)盡可能減少分段焊縫的數(shù)量并避免橫向焊縫，如果分段長度超出車間制造能力，可將船舶分段作縱向劃分設(shè)計?？紤]到船舶強度，分段焊縫布置時，優(yōu)先設(shè)計在分段有足夠強度和剛度的區(qū)域，避免在焊接、火工和吊裝時因結(jié)構(gòu)強度不夠使分段發(fā)生較大的焊接變形。對于船體搭載環(huán)形焊縫的設(shè)計要求，盡量避免焊縫處在高應(yīng)力區(qū)域和線型突變區(qū)域，一般焊縫設(shè)計在每個肋骨間的中心位置。

2.2 建造工藝要求

對于船舶平直貨艙區(qū)，采用分段流水線、高效焊接設(shè)備、機器人等相結(jié)合的建造方式，制定與平直分段流水線相匹配的建造工藝要求，保證船體分段的尺寸和重量滿足車間生產(chǎn)要求。分段盡可能采用定制鋼板的尺寸設(shè)計，通過與鋼材廠商合作，改變鋼材尺寸和形狀(鋼板通常尺寸為2 m×12 m以內(nèi)的各種尺寸，可以考慮訂購4 m/4.5 m×20 m鋼板,也可根據(jù)船體結(jié)構(gòu)中通用標準件的尺寸要求鋼企進行定模制作)，可減少分段焊縫數(shù)量， 減少焊接變形，提高鋼材利用率，從而達到船廠與鋼企雙贏的目的。對于分段裝焊順序和變形，在分段劃分時應(yīng)考慮其高效、經(jīng)濟、安全性。涉及各專業(yè)間的相互作業(yè)、檢查和建造階段，都應(yīng)在分/總段劃分設(shè)計中予以考量，從而設(shè)計出合理的分段和總段劃分。對于船體結(jié)構(gòu)總/分段中階梯斷面和平面斷面區(qū)域接縫處，須充分考慮焊接變形、焊接及其他專業(yè)的可操作性。[3]

2.3 生產(chǎn)人員和周期要求

在施工人員和周期方面，分/總段劃分須根據(jù)車間生產(chǎn)能力、物資供應(yīng)和場地面積考慮。在分/總段劃分圖初稿設(shè)計完成后，進行軟件模擬造船和施工車間討論方式來決定總段數(shù)量。為縮短船臺(船塢)周期和減小焊接變形，盡可能建造大型總段，從而減小分段搭載數(shù)量，以便減少搭載焊接數(shù)量，繼而減少總段焊接變形。

2.4 建造設(shè)備實施要求

在分/總段的劃分設(shè)計中，運輸起重能力是決定分段重量和尺寸的主要因素之一。起重能力保證船體分/總段裝焊、翻身、搭載及各階段裝車能力；運輸能力保證船舶分/總段順利到達每個作業(yè)區(qū)，亦是配送能力的體現(xiàn)。二者都是分段劃分設(shè)計中缺一不可的重要內(nèi)容。

3 船用鋼材選擇

在船舶建造中，船用鋼材主要由冷、熱軋鋼板，型鋼及他們的組合裝焊而成。通常情況，船用普通碳鋼板焊接時，液固相變在彈性極限溫度以上發(fā)生變化，對焊接殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響小，基本不影響焊接變形。然而在船用高強鋼焊接時，液固相變在彈性極限溫度以下發(fā)生變化，其液固相變造成結(jié)晶體積增大，從而產(chǎn)生較大的焊接變形。[4]因此，焊接變形是熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變及相變綜合結(jié)果的影響。在船舶強度、使用性和經(jīng)濟性滿足的情況下，優(yōu)先選擇普通碳鋼板，有利于焊接變形減小和矯正。

4 主板坡口設(shè)計

板縫設(shè)計時，須充分考慮船體結(jié)構(gòu)強度，嚴格按照船體設(shè)計規(guī)范。板縫布置使組立的作業(yè)量達到最小化，零件數(shù)量最少，裝配方便，焊接量最小。板縫布置使組立的用料達到最小化，即材料的利用率最大，材料訂貨量和規(guī)格最少。板縫布置須考慮組立裝配和搭載時的方便性和快速性。板縫的布置須考慮精度管理的要求，即補償量和余量的加放原則。

外板縫的布置還須考慮以下因素：(1)船體外板的彎曲形狀、裝配方法和程序，從而確定鋼板及其加工方法、加工余量數(shù)值、余量的加放位置以及外板的坡口方向。(2)船體外板加工設(shè)備的能力，從而確定外板的最大極限尺寸。

板縫的布置還須考慮船體在建造過程中設(shè)施配備的限制條件。

5 坡口形式設(shè)計

焊縫布置、接頭的變形以及應(yīng)力集中程度都對接頭質(zhì)量有明顯的影響，合理的接頭設(shè)計應(yīng)使變形與應(yīng)力集中系數(shù)盡可能小，且具有良好的可焊性，并便于焊后檢驗。[5]為此，應(yīng)避免將焊縫布置在斷面突然變化的位置，并須考慮施焊的方便。

為控制坡口與加熱對焊接變形的影響，通過試驗完成了載重38 800 t散貨船艙口圍厚板坡口的確定，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 厚板坡口確定試驗數(shù)據(jù)

6 焊接工藝設(shè)計要求

6.1 人員要求

凡是裝配工、焊工等操作人員，必須經(jīng)過專門培訓(xùn)和考試合格，經(jīng)相關(guān)船級社認可，方可持證上崗。

6.2 坡口形式選用與要求

技術(shù)部門設(shè)計人員應(yīng)在保證焊接質(zhì)量的條件下，充分考慮焊縫所在位置、焊接設(shè)備、焊工操作方便和環(huán)境等因素，進行合理、易控制變形和靈活地選用坡口。現(xiàn)場切割人員應(yīng)根據(jù)圖紙要求切割坡口并保證精度；裝配人員在裝配時應(yīng)保證坡口符合圖面要求；焊接質(zhì)檢人員在焊前應(yīng)檢查坡口是否符合圖面要求，不符合要求不應(yīng)進行焊接，對圖紙中坡口有質(zhì)疑的位置應(yīng)向設(shè)計部門提出，并進行合理修改。

6.3 焊接方法的選擇

不同焊接方法的熱影響區(qū)不同，焊接區(qū)域收縮量也不相同，多道多層焊縫比單道單層焊縫長度方向的收縮量和變形小。[6]這是因為單道單層焊熱影響區(qū)域冷熱不均造成溫度梯度大，焊接收縮量和形變亦增大。因此,在設(shè)計階段應(yīng)盡可能使用熱量集中和高效焊接方法來減少焊接變形。

6.3.1 不同直徑埋弧自動焊拼板收縮量

經(jīng)過3組數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)不同直徑埋弧自動焊厚度為12 mm的中薄板在焊接時，直徑越小，收縮量越小。由此可見，焊材直徑對收縮量影響很大，故而焊接變形影響也很大。見表2。

表2 埋弧焊12 mm拼板焊接焊縫縱向與橫向收縮測量表 mm

6.3.2 設(shè)備更換提升球扁鋼角變形控制合格率

最初采用普通角焊機或CO2手工半自動焊焊接，角變形合格率一直在78%以下徘徊，使用高速微型橫角焊機使焊腳尺寸符合圖紙要求且焊喉飽滿，還能1個人開2臺小車提升焊接質(zhì)量和效率。因焊腳設(shè)備更換，大成型球扁鋼的角變形控制合格率從50%提升至89%，如圖1所示。

圖1 2016年球扁鋼變形合格率

6.4 裝焊設(shè)計要求

裝焊先后順序能引起構(gòu)件在不同裝配階段重心位置改變和剛性變化，對船舶結(jié)構(gòu)的焊接變形有較大影響。整個船體結(jié)構(gòu)裝焊有兩種方式，即局部裝焊和整體裝焊。在簡單的船舶構(gòu)件中，采取整體裝焊方式，可以減少其旁彎、彎曲變形，例如工字梁裝焊過程：若采用局部散裝法，焊接后船體構(gòu)件產(chǎn)生的各種彎曲變形量較大；若采用整體裝焊法，現(xiàn)場驗證發(fā)現(xiàn)船體構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形較小。在線型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的船舶中，整體裝焊法不再適用，為此，制定如下焊接工藝設(shè)計原則：(1)在線型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜船型建造中，優(yōu)先采用局部裝焊，采用局部散裝法，造成焊接變形不能反應(yīng)到船體建造的總變形量上；(2)在線型和結(jié)構(gòu)簡單船型建造中，有限采用整體裝焊。

在結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計中，控制裝配間隙，以確保裝配精度和質(zhì)量；在胎架設(shè)計中，胎架應(yīng)具有足夠的剛性，有限元分析不能有下沉，胎架結(jié)構(gòu)便于制作；確認設(shè)計中構(gòu)件的坡口加工、裝配次序、定位精度及裝配間隙符合規(guī)范要求；明確避免強制裝配，以減少構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力；薄板裝焊點接觸胎架(見圖2)更改為面接觸胎架(見圖3)，從而減少焊接變形。

圖2 點接觸胎架

圖3 面接觸胎架

6.5 焊接工藝參數(shù)設(shè)計

對于不同船舶鋼板，應(yīng)根據(jù)焊接工藝評定試驗選擇焊接參數(shù)，其基本原則為：在提高船舶建造效率和降低生產(chǎn)成本前提下，保證焊縫質(zhì)量，減少焊接變形及殘余應(yīng)力。焊接工藝參數(shù)涉及電流、電壓、焊速等，如選擇不當，將會造成焊縫變形較大及焊接缺陷產(chǎn)生，最終直接影響船舶使用壽命。此外，還須考慮焊接線能量對焊接變形及殘余應(yīng)力的影響。熱輸入量的通常規(guī)律是隨著熱輸入量的減小造成壓縮塑性變形區(qū)變小，因而收縮量隨之減小，反之亦然。

7 焊接方向與順序設(shè)計

7.1 焊接方向

焊接位置先后順序，優(yōu)先平位置，其次立位置，再次橫位置，盡量避免仰位置焊接；角焊縫的焊腳尺寸嚴格按照圖紙標注施焊。

7.2 焊接順序原則

對接縫部位的焊接會因變形的受熱量、間隙量等作業(yè)條件多少產(chǎn)生差異，焊接變形最小化的焊接方向及順序總則：分段的中心處從前、后、左、右、上、下進行對稱焊接; 從收縮量多的對接縫開始焊接;首先進行對接縫焊接，然后進行角縫焊接。

小組立焊接順序設(shè)計如圖4～圖7所示。

圖4 肘板及加強筋焊接順序

圖5 筋板與面板焊接順序

圖6 小框架間焊接順序

圖7 肋板與筋板焊接順序

拼板焊接順序,如圖8所示。

圖8 拼板焊接順序

分段焊接順序設(shè)計要求，如圖9所示。優(yōu)先焊接船體強力板之間的對接縫，其次焊結(jié)構(gòu)框架間的板與板對接焊縫、焊組立結(jié)構(gòu)間的角接縫，最后焊接組立結(jié)構(gòu)與強力外板間的角接縫。

圖9 分段焊接順序

長焊縫焊接變形設(shè)計，可以采用焊縫分段退焊法(見圖10)，從中間向兩側(cè)同時退焊。

圖10 分段退焊法

總段環(huán)縫焊接順序,如圖11和圖12所示。

圖11 37 000 t瀝青船總段環(huán)縫焊接順序

艏艉搭載焊接順序,如圖13所示。

圖12 載重82 000 t散貨船總段環(huán)縫焊接順序

圖13 載重82 000 t散貨船艏艉搭載焊接順序

8 結(jié) 論

在設(shè)計船體焊接結(jié)構(gòu)時，除滿足船舶使用性能和強度要求外，須特別注意：避免產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成焊接變形；便于焊接施工，提高效率和減少建造成本；盡量避免結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)和構(gòu)件斷面的急劇變化；避免應(yīng)力集中，以免造成焊接變形；盡可能減少熔敷金屬量，提高結(jié)構(gòu)的施工工藝性；分段/總段劃分、坡口形式優(yōu)化能有效控制焊接變形。

在焊接工藝設(shè)計過程中，應(yīng)有避免船體結(jié)構(gòu)焊接變形和焊縫高應(yīng)力集中措施。選擇適宜焊接方法能有效減少焊接變形與應(yīng)力，盡量減少強力裝配也能減少焊接變形。對于薄板，減少焊縫數(shù)量是減小焊接變形和焊接缺陷產(chǎn)生的一個重要途徑。在船舶設(shè)計和建造中，為船體建造提供高品質(zhì)、經(jīng)濟、簡便的焊接方案，焊接順序是十分重要的設(shè)計內(nèi)容之一，應(yīng)在船舶設(shè)計階段予以考慮，并貫穿于整個船舶生產(chǎn)制造的過程中。焊接順序正確與否，對整個船舶建造精度和焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。

在船舶建造整個過程中，焊接變形和殘余應(yīng)力是相互共存、不可避免的，為此，只能采取正確和積極的方法減少焊接變形，從而達到既滿足船舶設(shè)計強度及服役性能要求，又滿足當前節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟性要求。

[1] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M]. 2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2] 陳祝年.焊接工程師手冊[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2002.

[3] 《船舶焊接手冊》編寫委員會.船舶焊接手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[4] (蘇)C.A庫茲米諾夫.船體結(jié)構(gòu)的焊接變形[M].王承權(quán)，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[5] 陳冰泉.船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)焊接[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6] 陸偉東.船舶建造工藝[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1991.