船舶焊接型窗戶施工改進和應用

鈕東輝

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226000)

0 引言

駕駛室是船舶重要的操控場所。駕駛室的視野范圍和光線對船舶操控人員及引水員的觀望等有著重要的作用,進而直接影響船舶航行的安全性[1]。為了保證必要的航行觀望視野和采光度,駕駛室四周通常采用大面積的玻璃窗。為了保證窗戶的強度,駕駛室窗戶一般都為焊接型,這對窗戶的安裝、焊接等施工工藝提出了很高的要求。船體結(jié)構(gòu)的平面度、焊接工藝順序、焊接熱變形都可能導致窗戶內(nèi)部殘余應力的存在,進而在船舶建造過程中或者航行中因為外界振動等因素導致玻璃碎裂[2]。窗戶破損后,在船舶航運過程期間無法對窗戶進行修補。若是窗戶玻璃碎裂情況較為嚴重,會對船舶的航行造成較大的安全隱患。

本文以船舶駕駛室焊接型窗戶為研究對象,對其施工難度及在施工過程中的船體結(jié)構(gòu)平面度超差、焊接變形、窗框和結(jié)構(gòu)開孔的尺寸誤差等影響因素進行分析,對施工工藝注程、加工工藝順序進行梳理,以實現(xiàn)船舶駕駛室窗戶施工工藝精度和變形滿足要求,保證駕駛室窗戶安裝后的完好性,進而保證船舶航行安全。

1 焊接型窗戶殘余應力產(chǎn)生的原因分析

導致焊接性窗戶產(chǎn)生碎裂的直接因素,是在窗戶安裝完成后,窗框內(nèi)部存在殘余應力。這個應力可能在之后的時間內(nèi),因為環(huán)境因素、船舶航行或其他附近作業(yè)的振動因素等,導致應力超過玻璃的受力極限,進而導致玻璃碎裂。導致施工過程中產(chǎn)生應力的因素主要有以下幾個方面:

1.1 駕駛室船體結(jié)構(gòu)平面度超差

駕駛室船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)拼接等分段制作過程中,分段隸屬敞口結(jié)構(gòu),非箱體結(jié)構(gòu)。分段部材小裝配前壁板上的結(jié)構(gòu)火工開孔已經(jīng)結(jié)束且分段內(nèi)部加強較少,在分段裝配及翻身過程中,雖然內(nèi)部使用槽鋼增加臨時防變形措施,但此防變形的精度控制措施較窗戶施工要求要超出很多。雖然在窗戶施工前會對窗戶的船體框架進行火工校正,但因為火工平面度的控制水平等因素,導致船體結(jié)構(gòu)平面度的超差。因此窗戶安裝時,為保證窗戶框架與船體結(jié)構(gòu)的相對位置,需要對窗戶局部施加外力,從而導致窗框內(nèi)部產(chǎn)生應力且無法釋放。

1.2 窗框焊接順序及焊接熱變形

在窗框焊接時,焊接電流的大小及焊接的施工順序,直接影響窗框的熱變形大小,進而影響內(nèi)部殘余應力的大小。

1.3 窗框加工誤差和船體結(jié)構(gòu)開孔誤差

窗框在加工時,因為加工件的誤差或者船體開孔的尺寸誤差,導致在船上安裝時,窗框與船體結(jié)構(gòu)的縫隙不均勻,部分大的間隙只能采用堆焊施工,進而在焊接時局部會產(chǎn)生大量的熱變形。

2 焊接型窗戶施工工藝分析

在施工過程中控制窗框的殘余應力是避免焊接型窗戶損壞的最有效的措施。經(jīng)過研究,發(fā)現(xiàn)窗框4個邊角位置因為焊接熱變形要同時受到2個交叉方向的受力,產(chǎn)生的合力方向與邊框成一定的角度,會在窗框內(nèi)產(chǎn)生很大的應力。降低窗框4個邊角位置的焊接熱變形成為降低窗框內(nèi)部應力的最有效的措施。特此就窗框焊接有針對性地進行試驗[3]。

參考窗戶制作廠家的焊接總體要求,選取2個對稱位置且相同尺寸的窗戶為試驗對象,分別制定了2個焊接施工工藝:以窗框4個邊的中心點為起焊對稱點、以窗框4個邊角位置為起焊對稱點,并規(guī)定了施工順序、焊接電流等條件。

2.1 試驗內(nèi)容

以2塊對稱位置相同尺寸的玻璃為試驗對象,試件示意圖見圖1。

H1、H2、H3—高度;W1、W2—寬度;T1、T2—對角線長度。

焊接前,船體結(jié)構(gòu)開孔及窗框尺寸、扭曲度見表1。窗框尺寸見表2。

表1 船體結(jié)構(gòu)開孔尺寸表

表2 窗框尺寸表

2.2 焊接工藝方案確定

將窗戶制作廠家給出的焊接工藝方案和根據(jù)生產(chǎn)過程中實際研討的改善方案,作為本次試驗的試驗方案。

方案1:窗戶制作廠家給出的焊接工藝方案(FW135-1),見圖2。

1～12—定位焊焊接順序;A～H—整體焊接順序。

(1)將窗框置入鋼圍壁相應窗的開口中,并使四周間隙均勻。

(2)按圖示順序?qū)嵤┒ㄎ缓附?以4個邊框的中心點為對稱焊接起點,每處長50 mm,兩處間距不大于400 mm;大尺寸窗按對標交替原則適當增加順序段數(shù),即圖示中1～12標注位置。

(3)按圖示順序?qū)嵤┱w焊接,從距離已有焊縫100 mm處開始,連續(xù)焊接長度必須超過100 mm并覆蓋,即圖示中A～H標注位置。

(4)為保護玻璃,在焊接過程中不得移開或損壞窗玻璃的防護板及其他保護層。

(5)焊接電流250 A。

方案2:改善方案(FW135-2),見圖3。

①～—焊接順序。

(1)將窗框置入鋼圍壁相應窗的開口中,并使四周間隙均勻。

(2)以窗框的4個邊角為對稱焊接起點,對窗框室內(nèi)和室外側(cè)實施各至少8個焊點的定位焊接,焊腳高度4～6 mm,焊縫長度約50 mm,即圖示中①～⑧標注位置。

(3)對窗框內(nèi)和室外側(cè)按照圖示順序?qū)嵤M焊,焊腳高度4～6 mm,一次連續(xù)焊接長度不大于300 mm;先焊接室內(nèi)側(cè),然后焊接室外側(cè),即圖示中⑨～標注位置。

(4)焊接電流200 A。

2.3 窗框尺寸及玻璃溫度的確認

焊接后窗框尺寸見表3。

表3 焊接后窗框尺寸表

窗框溫度計測按照圖4計測點進行測量。

①～④—計測點。

經(jīng)過上述試驗結(jié)果可以得出:焊接工藝方案2對窗框的焊接順序和焊接點位置進行了優(yōu)化,窗框焊接過程中產(chǎn)生的熱量少,另外窗框的變形也得到了改善。

3 窗戶焊接施工工藝流程

(1)結(jié)構(gòu)尺寸確認如下:舷窗開孔處圍壁平面度≤1.0 mm,極限偏差≤1.5 mm,窗座與窗開孔間隙≤1.0 mm,極限偏差≤2.0 mm。

(2)舷窗安裝:鋼圍壁平面度符合要求后,將窗安裝定位,檢查窗與鋼圍壁是否貼緊,縫隙均勻,檢查各構(gòu)件是否使用靈活。

(3)舷窗焊接必須注意控制焊接變形及焊接熱量對橡皮的影響,采用小電流(不能超過200 A)對稱焊接,嚴格按照試驗方案2實施。

4 結(jié)論

本文對焊接型窗戶施工難度進行分析,找到影響焊接型窗戶施工的主要因素,并通過對施工方案進行了優(yōu)化實驗,通過試驗結(jié)果得到以下結(jié)論:

(1)通過優(yōu)化方案實施的窗戶,窗框變形量更小,在焊接過程中產(chǎn)生的熱量更低,進而為窗戶的穩(wěn)定性和長久性提供了有力的保障。

(2)鋼圍壁開孔精度不足可能會造成結(jié)構(gòu)開孔圓角部分與窗框圓角部分不匹配,安裝過程需要對結(jié)構(gòu)進行局部切割修正。結(jié)構(gòu)開孔切割修正時,根據(jù)實際干涉尺寸的大小判定,必要時將舷窗先取下再進行切割修正。焊接時,應避免切割火焰距離舷窗邊框過近,從而減小窗框受熱變形、降低密封橡皮高溫受損,保證窗戶的密性。

(3)嚴格遵守焊接施工工藝要求。焊接過程中,間斷焊接和蓋面焊接的一次焊縫長度應小于300 mm,避免加大窗框的變形。

(4)焊接電流大小不能高于200 A。焊接電流調(diào)大,會使得窗框溫度上升,造成窗框變形量增大,甚至會燙損密封膠皮,進而影響窗戶密性。