克令吊筒體與基座焊接工藝

王 星， 張 浩， 鞠 展

(泰州口岸船舶有限公司， 江蘇 泰州 225321)

克令吊筒體與基座焊接工藝

王 星， 張 浩， 鞠 展

(泰州口岸船舶有限公司， 江蘇 泰州 225321)

散貨船建造過(guò)程中，克令吊基座回轉(zhuǎn)齒圈的平面精度決定了吊機(jī)齒圈間的間隙，如間隙超標(biāo)將影響克令吊的使用壽命，而克令吊筒體與基座間對(duì)接縫的焊接變形是影響回轉(zhuǎn)齒圈平面精度的最重要因素。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)、工藝兩個(gè)角度出發(fā)，提出一系列優(yōu)化改進(jìn)措施,重新編制焊接工藝用以控制接縫的焊接變形。從實(shí)際生產(chǎn)反饋的效果來(lái)看，可提高產(chǎn)品精度質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

克令吊；焊接變形控制；精度控制

0 引 言

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，克令吊基座回轉(zhuǎn)齒圈與吊機(jī)齒圈間間隙最大為0.2 mm(回轉(zhuǎn)齒圈直徑2.5～4.0 m)，即克令吊基座回轉(zhuǎn)齒圈平面精度誤差必須小于0.2 mm[1]，如達(dá)不到上述要求，將會(huì)影響克令吊的使用壽命，因此該項(xiàng)目也是船舶項(xiàng)目驗(yàn)收中的一個(gè)必檢項(xiàng)。如果回轉(zhuǎn)齒圈平面精度誤差超出標(biāo)準(zhǔn)，船廠(chǎng)必須采取措施消除誤差，一般采取人工打磨的方法，但超標(biāo)過(guò)多只能聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)使用專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。不管采取何種調(diào)整措施，都會(huì)增加生產(chǎn)成本。為此，通過(guò)對(duì)實(shí)際建造過(guò)程的長(zhǎng)期跟蹤，筆者結(jié)合相關(guān)焊接知識(shí)以及指導(dǎo)文件，探討優(yōu)化焊接工藝，以期達(dá)到提高產(chǎn)品精度質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。

1 原理分析

本文所指“克令吊筒體與基座的對(duì)接縫”即圖1所示的“焊縫A”?？肆畹趸?包含回轉(zhuǎn)齒圈)由供應(yīng)商負(fù)責(zé)建造，即基座部分應(yīng)視為一個(gè)整體。因此，焊縫A的焊接變形將直接影響到回轉(zhuǎn)齒圈平面精度。

圖1 焊縫說(shuō)明

在焊接過(guò)程中，焊接接頭區(qū)域受到不均勻的局部加熱和冷卻，其膨脹和收縮又受到周?chē)蜏亟饘俚臓恐贫荒茏杂蛇M(jìn)行，這是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因，其次是由于焊縫金屬收縮、金屬組織的變化及焊件剛性的不同所致。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對(duì)焊接應(yīng)力與變形的大小、方向、分布等也具有一定影響[2]。焊接過(guò)程是一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程，焊后焊件必然存在焊接應(yīng)力和焊接變形。

焊接變形的種類(lèi)很多，大致分為縱向收縮變形、橫向收縮變形、撓曲變形、角變形、波浪變形、錯(cuò)邊變形、螺旋型變形等7類(lèi)。對(duì)回轉(zhuǎn)齒圈平面精度影響最大的是焊縫A的橫向收縮變形。對(duì)接焊縫橫向收縮量經(jīng)驗(yàn)公式[3]為

B=0.18FH/δ

式中：FH為焊縫橫截面積；δ為板厚，按克令吊筒體板厚30 mm、無(wú)間隙計(jì)算，自由狀態(tài)下可收縮變形2～3 mm，遠(yuǎn)大于其允許誤差0.2 mm。因此，必須通過(guò)合理的焊接工藝，達(dá)到控制收縮變形的目的。

通常從設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)角度來(lái)控制焊接變形?？刂瓶肆畹跬搀w與基座對(duì)接縫橫向收縮變形，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：(1)設(shè)計(jì)合理的焊縫節(jié)點(diǎn)形式；(2)嚴(yán)格控制裝配間隙；(3)選擇合理的焊接順序；(4)選擇合理的焊接工藝參數(shù)；(5)減少焊后熱輸入；(6)降低焊后返修率。

2 改進(jìn)方案

2.1 設(shè)計(jì)合理的焊縫節(jié)點(diǎn)形式

修改坡口型式，由原先采取的X型坡口改為K型坡口，如圖2所示。原先采用的坡口型式優(yōu)點(diǎn)在于便于焊接、碳刨，但為保障克令吊高度方向的精度，筒體端口需加放余量，焊接坡口需現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開(kāi)設(shè)，難以控制精度，易形成裝配間隙。坡口型式修改后，筒體不開(kāi)設(shè)坡口，基座坡口是數(shù)控切割開(kāi)設(shè)，可以較好地避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)，同時(shí)可以降低熔敷量，進(jìn)而減少熱輸入，達(dá)到減小焊接變形的目的。

2.2 嚴(yán)格控制裝配間隙

如圖2所示，裝配間隙應(yīng)為零。一方面，該對(duì)接縫的焊接采用雙面焊工藝(先焊接內(nèi)側(cè)焊縫，外側(cè)碳刨清根后焊接)，如此在一側(cè)焊接時(shí)不可能將焊接區(qū)域母材全部融透。如裝配間隙為零，未熔化的部分母材對(duì)于焊縫金屬的冷卻收縮來(lái)說(shuō)將發(fā)揮很大的約束作用。另一方面，裝配間隙為零也可降低熔敷量，進(jìn)而減少熱輸入，達(dá)到減小焊接變形的目的?？梢酝ㄟ^(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)控制裝配間隙：(1) 不再手工開(kāi)設(shè)坡口，上文已有描述；(2) 筒體自身板縫靠近與基座對(duì)接端預(yù)設(shè)300 mm焊接保留，從而避免中組時(shí)開(kāi)刀調(diào)整產(chǎn)生裝配間隙；(3) 筒體建造時(shí)以上口為正作邊，保證對(duì)接端平整度；(4) 如存在裝配間隙，必須在筒體端部堆焊消除間隙，堆焊時(shí)不得相連，如圖3所示。

2.3 選擇合理的焊接順序

原先采用的焊接順序適用于立式建造，躺式建造時(shí)采用對(duì)稱(chēng)分段退焊法[4]，如圖4所示(圖中標(biāo)注數(shù)字按筒體直徑2 400 mm計(jì)算)。焊接每一層時(shí)都按圖示順序進(jìn)行，即焊接每一側(cè)焊縫時(shí)應(yīng)按圖示順序循環(huán)3次以上。使用該焊接順序的主要目的在于減小焊縫各部位的溫度差，同時(shí)對(duì)稱(chēng)收縮，進(jìn)而減小焊接應(yīng)力與變形。

2.4 選擇合理的焊接工藝參數(shù)

大電流、高焊速狀態(tài)下焊接，焊接溫度場(chǎng)的變化幅度較小、電流低、焊速有所增加， 從而產(chǎn)生的應(yīng)力與變形也相應(yīng)增大，因此選擇小電流、低焊速的焊接工藝參數(shù)[5]，如表1所示。

始鑒于河南黃河沿岸的堡夫不諳熟堤防的修筑，雍正帝便抽調(diào)千名江南河兵調(diào)至河南，對(duì)黃河沿岸的堤壩險(xiǎn)要地段進(jìn)行修筑與管理。江南河兵調(diào)至河南協(xié)助河汛，因此對(duì)他們多有優(yōu)待，但是他們懈怠工作，態(tài)度散漫，目無(wú)法紀(jì)，以致于朝廷雖有調(diào)兵協(xié)助防務(wù)，但是并沒(méi)有收到實(shí)際效果。

圖2 坡口型式

圖3 堆焊示例及前后對(duì)比

圖4 焊接順序

2.5 減少焊后熱輸入

焊接完成后局部性質(zhì)的熱輸入會(huì)造成局部收縮變形，從而影響整體平面精度，因此必須盡可能減少焊后熱輸入，例如基座與筒體中組完成后清除碼板，在焊接對(duì)接縫之前完成筒體附件(人孔、梯道等)的安裝，對(duì)筒體自身板縫補(bǔ)焊完畢后再焊接對(duì)接縫等。

2.6 降低焊后返修率

主要通過(guò)以下措施降低焊后返修率：

(1) 焊工必須取得相應(yīng)等級(jí)的焊工證書(shū)，方可從事焊接工作。焊工焊接前應(yīng)熟悉相關(guān)焊接工藝要求。

(2) 在潮濕條件下或待焊區(qū)域有雨、露、冰霜時(shí)，必須烘干后焊接；大風(fēng)天氣無(wú)防護(hù)措施不得焊接。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，焊前必須將母材預(yù)熱到20℃以上，且在焊接過(guò)程中也應(yīng)保持這一最低溫度。

(3) 焊前認(rèn)真清除坡口及兩側(cè)約20 mm范圍內(nèi)的鐵銹、水、油污等雜質(zhì)。

(4) 焊接過(guò)程中，每焊完一道應(yīng)清渣檢查焊縫表面是否存在缺陷，如有缺陷立即處理。

表1 焊接工藝參數(shù)

3 實(shí)踐驗(yàn)證

3.1 測(cè)量方法

所有測(cè)量均使用同一臺(tái)儀器：瑞典Easy-laser激光對(duì)中儀。儀器運(yùn)用激光極佳的方向性(光束發(fā)散角極小、直線(xiàn)傳播)以及單色性(波長(zhǎng)單一、抗干擾、易接收)兩大特點(diǎn)，由3部分組成：PDA手持電腦，激光發(fā)射器，激光接收器。發(fā)射器能夠旋轉(zhuǎn)發(fā)射同一平面內(nèi)的激光束，接收器置于回轉(zhuǎn)齒圈平面若干點(diǎn)接收激光并反饋信息，經(jīng)電腦分析得出平面度數(shù)據(jù)(如圖5所示)。

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在泰州口岸船舶有限公司某系列散貨船建造過(guò)程中應(yīng)用本改進(jìn)工藝。表2是未應(yīng)用本工藝的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表3是應(yīng)用本工藝的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖5 Easy-laser測(cè)量數(shù)據(jù)示例

表2 5#船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(未應(yīng)用改進(jìn)工藝) mm

表3 6#船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(應(yīng)用改進(jìn)工藝) mm

4 結(jié)論

(1) 運(yùn)用本工藝焊接的克令吊，其回轉(zhuǎn)齒圈平面度在船臺(tái)搭載時(shí)測(cè)量平均誤差為0.169 mm，符合相關(guān)規(guī)范要求。

(2) 根據(jù)2條船的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用本工藝焊接的克令吊回轉(zhuǎn)齒圈平面度平均誤差為未運(yùn)用本工藝的13%。

(3) 克令吊筒體與基座間對(duì)接縫的焊接對(duì)基座回轉(zhuǎn)齒圈的平面精度有很大影響。

(4) 本工藝能夠減小克令吊筒體與基座對(duì)接縫的橫向收縮變形，從而保障回轉(zhuǎn)齒圈的平面精度，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。

[1] MACGREGOR, DFW Kouan SY-Nasco TK1101～TK1104 (2-14023.01-04) rev A,Section 6[S],2015-05-26.

[2] 曾平. 船舶材料與焊接[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2006.

[3] 張彥華. 焊接結(jié)構(gòu)原理[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

[4] 李毫, 張少勇. 超大型船廠(chǎng)門(mén)座起重機(jī)大針輪支承環(huán)制造技術(shù)探究[J]. 裝備制造技術(shù), 2015(11)：239-240.

[5] Lloyd's Register of Shipping. Rules and Regulations for the Construction and Classification of Steel Vessels[M].RareBooks Club.com,2012.

WeldingProcessofCraneCylinderandFoundation

WANG Xing, ZHANG Hao, JU Zhan

(Taizhou Kouan Shipbuilding Co., Ltd., Taizhou 225321, Jiangsu, China)

During the construction of bulk carriers, the flatness of the rotary gear ring of the lifting foundation determines the interval between gear rings. If the interval exceeds the standard, the service life of the crane will be affected. The welding deformation of the joint between the lifting cylinder and the foundation is the most important factor affecting the plane accuracy of the rotary gear ring. Based on the actual experience of the construction site, a series of improvement measures are proposed from the aspects of design and process to recompile the welding process to control the welding deformation of the joints. From the actual production feedback effect, the original intention of improving the accuracy of product quality and reducing production cost is met.

crane; welding deformation control; accuracy control

王 星(1988-)，男，助理工程師，主要從事船舶焊接工藝研究

1000-3878(2017)06-0073-05

U671

A