球扁鋁穿艙節(jié)點優(yōu)化改進研究

陳 亮， 鐘廣軍

(1.江南造船(集團)有限責任公司 軍事代表室， 上海 201913；2.江南造船(集團)有限責任公司， 上海 201913)

球扁鋁穿艙節(jié)點優(yōu)化改進研究

陳 亮1， 鐘廣軍2

(1.江南造船(集團)有限責任公司 軍事代表室， 上海 201913；2.江南造船(集團)有限責任公司， 上海 201913)

本文針對某型船球扁鋁穿艙形式與常規(guī)船不同而給施工帶來的困難，對穿艙節(jié)點形式進行了優(yōu)化設計，確定了改進方案，并模擬實船進行了裝焊試驗，通過試驗過程的記錄、測量和試驗結果的對比分析，驗證了優(yōu)化改進方案的合理性、可行性、可靠性，從而解決了施工技術難點，并可降低建造成本，改善施工條件，提高建造質(zhì)量。

穿艙節(jié)點 優(yōu)化改進 試驗 質(zhì)量

1 概況

某型船球扁鋁穿艙形式與常規(guī)船有較大不同，在原施工設計技術方案中，考慮結構的可焊性及艙室密性要求，結合分段建造工藝，主甲板、外板縱骨設計為在水密艙壁前、后間斷的形式。由于球扁鋁對接縫多、焊接工作量大、耗時長，為方便后續(xù)船的順利施工，同時降低建造難度，考慮采取球扁鋁穿艙節(jié)點優(yōu)化設計方案，重新布置縱骨對接縫，并開展模擬裝焊試驗進一步驗證改進方案可行性，從而提高艇體建造質(zhì)量，降低建造成本[1、2]。

2 實施方案

(1) 根據(jù)前期產(chǎn)品建造情況，采取改進措施對主甲板、外板縱骨的穿艙節(jié)點進行優(yōu)化。

(2) 根據(jù)新的連接節(jié)點，結合分段建造工藝，進一步組織開展球扁鋁穿艙的局部模擬裝焊試驗，對比、分析兩種方案中球扁鋁在水密艙壁處的焊接可達性、焊接變形、結構強度、焊縫質(zhì)量及密性情況等。

(3) 在模擬試驗中記錄和統(tǒng)計更改前、后兩種技術方案中的焊絲用量、操作難度、作業(yè)工時，分析結構改進后對實船生產(chǎn)的實際優(yōu)化效果。

(4) 根據(jù)局部裝焊試驗結果，并結合主船體船底線型及分段的實際結構情況，確定在后續(xù)船分段內(nèi)具體的甲板縱骨、外板縱骨的對接縫位置。

3 改進前球扁鋁穿艙節(jié)點

某型艇球扁鋁截面形式如下圖1所示，其剖面主要尺度如下表1所示。

表1 球扁鋁剖面主要尺寸 單位：mm

圖1 某型艇球扁鋁截面形式

根據(jù)船體分段建造工藝，由于該型船球扁鋁型式特殊且間距較小，為減少焊接工作量及焊接變形，原設計對主船體主甲板、船底縱骨在艙壁上腹板開槽(球頭也開槽)相互插入?？紤]到球扁鋁高度低，甲板縱骨的球頭下口與艙壁的焊接可達性較差，為保證艙室密性并提高縱骨安裝直線度，球扁鋁是在水密艙壁前、后100 mm處斷開，在小組立階段完成與艙壁板裝焊及變形校正，同時在球扁鋁對接縫處設置R20流水孔兼作止漏孔[1、2]，改進前球扁鋁穿艙節(jié)點如下圖2所示。

圖2 改進前球扁鋁穿艙節(jié)點

根據(jù)前期船體分段建造的情況，由于本船在半寬范圍內(nèi)有29檔縱骨，并有共計8道水密橫艙壁，球扁鋁在穿艙處的對接縫數(shù)量很多，焊接工作量極大。再加上鋁合金受影響極易產(chǎn)生焊接變形[2]，分段校正工作耗時長，故提出在后續(xù)船對球扁鋁穿艙節(jié)點進行改進。

4 節(jié)點優(yōu)化方案

參照T型材穿過水密艙壁處(腹板連續(xù)、面板削斜)的節(jié)點形式，對甲板縱骨穿艙節(jié)點進行了以下改進：甲板縱骨穿過水密橫艙壁處，艙壁上開槽使縱骨腹板與壁板相互插入，球扁鋁球頭在橫壁處開槽并單邊削斜35°～45°，以保證較小尺寸的球扁鋁與艙壁板包角焊接，同時可以取消甲板縱骨在艙壁前、后100mm處的對接板縫(R20流水孔仍保留)，改進后球扁鋁穿艙節(jié)點如圖3所示。

圖3 改進后球扁鋁穿艙節(jié)點

由于分段在采用反態(tài)建造時，與甲板縱骨相比較，船底區(qū)域施工作業(yè)空間較好，在球頭無需增開焊接坡口的情況下，仍可保證船底縱骨球頭與橫艙壁的包角焊縫質(zhì)量，因此同樣可以取消球扁鋁在艙壁前、后100mm處的對接板縫(R20流水孔仍保留)。

5 模擬裝焊試驗

為驗證本節(jié)點優(yōu)化方案的施工實用性及可行性，專門組織進行了一次局部節(jié)點焊接試驗，模擬分段在胎架上的實際建造情況。記錄、比較改進前、后兩種方案的作業(yè)時間、焊絲用量，并在焊后測量變形數(shù)據(jù)和艙壁密性情況，最后進行結果分析。

(1) 根據(jù)船體結構型式，切割下料兩塊450×500×4.0的鋁板，用圓盤鋸在上、下口按250mm的縱骨間距開槽，按照浮箱分段內(nèi)甲板、外板縱骨的實際規(guī)格，需開出BP50、BP70兩種球扁鋁規(guī)格的高度，以驗證本技術改進方案的可靠性，局部模擬裝焊試驗方案如圖4所示。

圖4 局部模擬裝焊試驗方案

(2) 共計下料8根球扁鋁(每根長約600mm)，在鋁板上、下口的同一側，分別按照改進前、改進后的兩種節(jié)點設計方案插入球扁鋁并點焊固定。當采用改進后的技術方案時，在主甲板的一側球扁鋁穿過艙壁板處需要將球頭用圓盤鋸按35°～45°削斜。

(3) 模擬分段建造的實際情況，對試驗區(qū)域做好防水、防風措施，考慮節(jié)點的實際可焊性，采用較小功率的鎢極惰性氣體氬弧(TIG)焊機和φ3.2mm的鋁合金直線焊條。先用不銹鋼絲刷清楚表面污垢，再按照先下后上的順序，控制好焊接參數(shù)及焊接速度，完成球扁鋁穿艙壁試驗樣件的焊接工作。

6 試驗結果分析

試驗結束后，完成數(shù)據(jù)測量及分析工作，并檢驗焊縫質(zhì)量是否符合規(guī)范要求。

(1) 對比、分析兩種方案中球扁鋁的焊接可達性，由于該船球扁鋁規(guī)格小(BP40-BP80)，節(jié)點方案改進并球頭削斜后，使用TIG焊槍可以覆蓋球頭與艙壁處的包角焊縫，如圖5所示。

(2) 分別測量、對比兩種方案中球扁鋁腹板的變形情況，測量焊后球扁鋁腹板的垂直度、直線度及焊接收縮情況并匯總，改進前、后船底縱骨焊接變形情況如下圖6、圖7所示，改進前、后焊后變形測量數(shù)據(jù)匯總見表2。

圖5 穿艙處球頭端部削斜

圖6 改進前船底縱骨焊接變形情況

圖7 改進后船底縱骨焊接變形情況

表2 改進前、后焊后變形測量數(shù)據(jù)匯總表

腹板與地面垂直度縱骨直線度縱骨與壁板垂直度焊接收縮量(改進前)甲板縱骨BP7090°090°-4mm(改進后)甲板縱骨BP7090°090°-1mm(改進前)船底縱骨BP7088°±1mm90°-5mm(改進后)船底縱骨BP7089°086°-2mm

從試驗結果進行分析，在縱骨穿艙時取消前后兩條接縫后，焊接收縮量明顯減小，同時縱骨的直線度有了一定的提高。但由于船底縱骨是在自由狀態(tài)下焊接，焊后其與艙壁板產(chǎn)生了約4°夾角，在實船建造中需采取措施進一步控制焊接變形，并采用鋁錘等措施進行冷態(tài)校正[3]。

(3) 參照焊縫表面質(zhì)量檢驗要求，檢驗焊縫的外觀成形情況。試驗結束后觀察得出：球扁鋁穿艙節(jié)點焊縫成型較好(見圖8)，無明顯缺陷、咬邊及裂紋，焊角高度也符合工藝技術要求。

圖8 焊縫成型情況

(4) 進行焊縫密性試驗。選擇采用著色檢驗的方法，在球扁鋁之間的對接縫處及與壁板的角焊縫處先后噴涂著色劑和顯像劑[3](如圖9所示)。檢查焊縫的密性結果顯示：兩種試驗方法的焊縫處均無明顯紅斑，焊縫密性均為良好。

圖9 著色檢驗焊縫密性

(5) 由于球扁鋁6061-T6母材的屈服強度σs= 240N/mm2，而焊縫屈服強度σsw= 115N/mm2，僅為母材的48%。因此取消大量對接縫可以局部增強艇體的結構強度，同時由于焊縫數(shù)量顯著減少也可以減輕結構重量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

(6) 在試驗過程中，課題組記錄了兩種試驗方案中的焊絲用量以及焊接工時，如表3所示。

表3 穿艙節(jié)點焊絲及作業(yè)工時統(tǒng)計

從模擬試驗記錄和統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析，采用改進后的技術方案后，焊絲用量及焊接工時均明顯下降。按照主船體共8道水密橫艙壁、58檔縱骨結構(不包括其它局部橫艙壁)進行粗略估算，去除按照新方案下料后在其它位置少量增加的球扁鋁對接縫，主船體六個分段范圍內(nèi)共計可節(jié)省焊條約603 m，減少焊接工時約73.4 h(按單人計算)。

7 結合艇體結構重新布置縱骨接縫

根據(jù)某型船船底線型和縱向結構的實際情況，按照下足用料、盡量減少焊縫數(shù)量及上、下縱骨斷縫交錯的原則，并考慮鋁型材的加工性能，對主船體六個分段的甲板、外板縱骨進行重新排版，形成了完整的改進后主船體縱骨布置方案。

8 改進后效果分析

綜合以上因素，在進行球扁鋁穿艙的節(jié)點優(yōu)化后，不僅可以極大地減少船上球扁鋁對接縫數(shù)量，減輕鋁合金船體的結構重量，還可以減少實船建造的焊絲用量和施工工時，降低施工難度，且有利于增加局部結構強度和減少焊接收縮變形，進一步提高主船體的美觀性和建造質(zhì)量。

9 小結

通過開展某型船球扁鋁穿艙節(jié)點優(yōu)化課題研究，確定了改進方案和試驗內(nèi)容，解決了施工技術難點，降低了建造成本。研究成果可以在后續(xù)實船建造上進行實施，為系列船的建造提供有力的技術支撐。

[1] 李標峰.船用鋁合金焊接及其船體建造工藝[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[2] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(第2版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3] 黃浩.船體工藝手冊(第3版)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

Study on Optimization & Improvement Measures for Bulb Angle Breakthrough Bulkhead Nodes

CHEN Liang1， ZHONG Guang-jun2

(1.Military Representatives Office at Jiangnan Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China；2.Jiangnan Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

In the process of hull construction, there are different difficulties at bulb angle breakthrough bulkhead nodes for some special use ships than other common ones. According to these conditions, this article studies on optimization & improvement measures for bulb angle breakthrough bulkhead nodes, determines improvement plans， and carries on simulated experiments. Through contrast analysis of experiment data & result, we prove that optimization & improvement measures are reasonable and practicable, which help us overcome construction difficulties, reduce production costs, improve working conditions and raise construction qualities.

Breakthrough bulkhead nodes Optimization & improvement Experiment Quality

陳 亮(1976-)，男，工程師。

U671

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