一種船用吊機(jī)塔身結(jié)構(gòu)的焊接工藝方案

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050；2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北武漢 430084)

吊機(jī)是平臺甲板上必備的配套起重設(shè)備，它的穩(wěn)定運(yùn)行對船舶和海洋平臺的安全營運(yùn)起著重要的作用[1]。隨著海上物流的發(fā)展，越來越多的貨物選擇集裝箱船運(yùn)輸，對船用吊機(jī)的要求也越來越高[2-3]。塔身是吊機(jī)的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)精度決定了吊機(jī)的承載能力。吊機(jī)塔身體積大、重量超重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高，所以研究塔身鋼結(jié)構(gòu)的制造工藝，對于保證起重機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義[4-5]。

本文在塔身制作過程中嚴(yán)格控制下料、焊接順序設(shè)計、裝配順序設(shè)計，焊接方法選擇等工藝環(huán)節(jié)，靈活運(yùn)用檢驗(yàn)工裝、焊前和焊后矯正法及無損檢驗(yàn)方法，隨時報檢記錄焊接變形和焊縫缺陷，并及時校正，從而有效地控制了吊機(jī)塔身的焊接變形和尺寸精度，形成了規(guī)范的工藝流程和精細(xì)的工藝方案，提高了吊機(jī)的交貨質(zhì)量。

1 塔身及結(jié)構(gòu)件工藝方案

塔身結(jié)構(gòu)主要由塔身中部、塔身頂部、塔身大底板、塔身附件以及塔身舾裝件等組成，為保證吊機(jī)塔身結(jié)構(gòu)件尺寸精度和滿足后續(xù)裝配要求，需要對塔身的各個結(jié)構(gòu)件工藝做出嚴(yán)格的質(zhì)量要求，重點(diǎn)討論塔身中部，塔身頂部和塔身大底板的這三個結(jié)構(gòu)件的焊接工藝方案。塔身的結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 吊機(jī)塔身的結(jié)構(gòu)組成

1.1 塔身中部結(jié)構(gòu)的焊接

塔身中部結(jié)構(gòu)包括：前部筋板、前部殼體、后部殼體、后部筋板、頂板、防撞器，司機(jī)室座板等。塔身中部結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 塔身中部的結(jié)構(gòu)組成

首先對塔身中部的零部件下料，鋼板下料前應(yīng)進(jìn)行100%超聲波探傷，按JB/T4730.3-2005執(zhí)行，Ⅱ級合格。鋼板要進(jìn)行預(yù)處理和校正，先噴丸除銹和打底漆，然后在平板矯正機(jī)上矯正，使板料原有的內(nèi)應(yīng)力和波浪變形減小。型材采用火焰校正，注意避免強(qiáng)制裝配。要求采用數(shù)控切割機(jī)下料，采用半自動切割機(jī)開坡口，抽檢下料尺寸和坡口尺寸[5]。塔身中部的殼體零件按照圖3所示的J剖及F剖及塔身高度L、斜面高H(尺寸A和尺寸B)繪制下料圖，其余零件按照施工圖紙繪制下料圖；前部殼體與后部殼體上司機(jī)室孔、門孔、兩種通風(fēng)窗孔下料時可將套料零件下出。

圖3 塔身中部殼體下料方法及壓制樣板放置圖

前部殼體及后部殼體的壓制樣板選取J剖面及G剖面，可以采用如圖3所示的樣板或相對應(yīng)的角度樣板，前部殼體及后部殼體各兩件，對稱壓制。壓制過程中及壓制完成后，均用角度樣板或圖3所示的樣板檢查，樣板與工件的間隙≤2mm。

對后殼體組件進(jìn)行加工，后殼體組件的結(jié)構(gòu)如圖4a所示。先裝焊后殼體，再裝環(huán)筋板、縱筋板，在縱縫上加裝4～5塊加強(qiáng)筋板，防止焊接縱縫的角變形。環(huán)筋板與殼體縱縫交叉處，應(yīng)先預(yù)焊縱縫100～150mm，并打磨平后裝配筋板。按圖4b所示檢查后殼體下部截面尺寸A、B，允差±10mm，并用平尺檢查鋼板的平面度≤4/1000mm，|C-D|≤10mm,并用樣板檢查后殼體角度，樣板與工件的間隙≤2mm。

圖4 后殼體裝焊圖

后殼體組件焊接順序，先焊筋板焊縫，再焊縱縫內(nèi)側(cè)焊縫；處于立焊部位的環(huán)筋板邊緣部分留出至少距殼體板邊100mm不焊，以保證對接焊時的鋼板錯邊量符合要求；對接焊縫應(yīng)由中間向兩端作分段退焊進(jìn)行焊接，焊接前需在塔身殼體外側(cè)加裝防變形剛性支撐；筋板與殼體的焊縫，先焊橫向焊縫，后焊縱向焊縫，應(yīng)由中間向兩端作分段倒退焊進(jìn)行焊接。形成后殼體組件，并加裝工裝吊耳。

接著對前殼體組件進(jìn)行加工，前殼體組件的結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。前殼體與后殼體結(jié)構(gòu)形式比較類似，前殼體焊接順序、裝配精度要求可參照后殼體制作過程。

圖5 前殼體裝焊圖

最后做塔身中部殼體總裝。將前殼體組件與后殼體組件合攏，前殼體與后殼體的板厚錯變量≤1mm，按圖6檢查所示的塔身下口的尺寸A、B、C、|D-E|，允差±10mm，焊接前需在塔身殼體外側(cè)加裝4～5塊加強(qiáng)筋板，并在塔身內(nèi)部加裝鋼管支撐，保證塔身殼體開檔尺寸。

圖6 塔身中部殼體總裝檢查示意圖

塔身內(nèi)部焊縫焊接完成后，在塔身殼體外側(cè)進(jìn)行清根，焊接外部拼縫，外部焊縫需采用埋弧焊進(jìn)行蓋面。焊后對塔身中部所有未下料到位的孔進(jìn)行修割并打磨。裝焊塔身頂部加強(qiáng)筋板、塔身頂板、吊耳及眼板、司機(jī)室座板、防撞器等零件。在焊接過程中注意采用反變形法，塔身內(nèi)部焊接產(chǎn)生的焊接角變形很大，可以采用折邊機(jī)或油壓機(jī)制造出反變形，控制平面度，不用火焰加熱比較有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，制造焊前反變形比焊后校正可減小焊接殘余應(yīng)力并節(jié)約工期[5]。如焊后確有較大變形可采用火焰矯正輔以千斤頂校正，校正達(dá)到以下要求：殼體平直度≤4/1000mm，局部最大為≤6/1000mm；司機(jī)室座板、門框的平直度≤2mm。

1.2 塔身頂部結(jié)構(gòu)的焊接

塔身頂部結(jié)構(gòu)見圖7，首先對塔身頂部零部件下料，頂部法蘭內(nèi)孔須單邊留15mm機(jī)加工余量，下料后再機(jī)加工； 鎖繩頭板下料時板厚留至少5mm余量，下料后機(jī)加工。

圖7 塔身頂部結(jié)構(gòu)示意圖

塔身頂部工藝流程見圖8，塔身頂部裝焊，先將頂部腹板分別與頂部法蘭裝焊，焊后校平組成腹板組件。在裝配平臺上按圖紙劃出腹板的距離位置線，組對裝焊腹板組件，裝焊時保證腹板組件中頂部法蘭之間的開檔尺寸和同心度，允差0～+2mm。用三角尺檢查腹板與平臺的垂直度，三角尺與腹板的間隙小于1mm，裝配完成后，組對的腹板組件必須加兩條斜支撐和兩條橫支撐以防止變形。裝焊鎖繩頭、頂部包板及擋繩圓鋼，焊接時應(yīng)盡量對稱施焊，焊接由中間向兩端施焊。腹板組件焊接后對腹板平面度進(jìn)行檢查并校正至≤2mm。

圖8 塔身頂部工藝流程圖

1.3 塔身大底板的焊接

塔身大底板的結(jié)構(gòu)示意見圖9。首先對塔身大底板下料，大底板下料前應(yīng)進(jìn)行100%超聲波探傷，按照J(rèn)B/T4730.3-2005，Ⅱ級合格，厚度留5～7mm余量?；剞D(zhuǎn)減速機(jī)齒輪孔單邊須留15mm余量，墊板厚度留10～12mm余量。大底板下料后、裝焊前需進(jìn)行校正，平面度≤5mm，否則可采用壓力機(jī)或火焰校正；吊耳在扣塔后換成臥運(yùn)吊耳，兩種吊耳焊縫均需進(jìn)行100%磁粉探傷，按照J(rèn)B/T 4730.4-2005，Ⅱ級合格。

圖9 吊機(jī)大底板結(jié)構(gòu)示意圖

塔身大底板結(jié)構(gòu)工藝流程見圖10,大底板的裝焊首先按照大底板幾何外形劃出大底板的十字中心線、吊臂樞軸、墊板等零件的裝焊位置線。吊臂樞軸、墊板等零件與大底板應(yīng)貼緊裝配，吊臂樞軸與大底板的中心線的距離允許偏差1mm，與大底板之間的裝配間隙≤1mm。吊臂樞軸焊接前，檢驗(yàn)員對坡口進(jìn)行確認(rèn)后進(jìn)行施焊。吊臂樞軸焊前須預(yù)熱至150℃，層間溫度不低于預(yù)熱溫度，焊后用石棉布包覆緩冷。焊接時應(yīng)兩名焊工進(jìn)行對稱施焊。

圖10 塔身大底板工藝流程圖

焊后對吊臂樞軸的焊縫進(jìn)行100%磁粉探傷，JB/T 4730.4-2005，Ⅱ級合格。焊后校正，在劃線平臺上進(jìn)行檢查，劃線平臺平面度要求在0～0.5mm以內(nèi)；在平臺上放置3個等高鐵，將大底板放在等高鐵上，調(diào)整吊臂樞軸的高度，高度差<1mm，再調(diào)整大底板相對另外兩邊的高度差<1mm；用3m的平尺檢查大底板的平面度，對非回轉(zhuǎn)支承的面平面度≤5mm，局部允許7mm；用等高線檢查回轉(zhuǎn)支承安裝面的平面度及回轉(zhuǎn)減速機(jī)安裝墊板的平面度≤5mm，局部允許7mm，至少檢查21個點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)的間距約400mm。若平面度無法滿足要求需進(jìn)行校正。

2 塔身總裝工藝方案

在裝配階段要嚴(yán)格控制公差，否則在后續(xù)工序中產(chǎn)生的累積誤差必然會造成尺寸超差[4]，從而影響塔身的尺寸精度。要求塔身中心線直線度不大于1/2000，平面度不大于1mm，并用激光經(jīng)緯儀檢查直線度和平面度，及時調(diào)準(zhǔn)[1]。

2.1 塔身頂部與塔身中部的裝配

在塔身頂板上劃出四塊頂部腹板組件的安裝線，注意該安裝線根據(jù)塔身的中心線劃出。讓塔身頂部與安裝線對正，注意塔身頂部須對應(yīng)塔身中部的筋板裝配。焊接前，在塔身中部頂板無筋板的兩個1/4面裝焊防變形支撐。焊接時，盡量對稱施焊，焊接由中間向兩端施焊，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫高度。焊后校正，應(yīng)達(dá)到以下要求(如圖11)。座板的間距B、B1、C、C1應(yīng)達(dá)到圖面要求；兩組座板滑輪孔軸線應(yīng)垂直塔身中心線，不垂直度不超過2mm；塔身頂板的平面度不超過1/1000；探傷標(biāo)準(zhǔn)參照J(rèn)B/T 4730.3-2005。前門組件與塔身焊接，在吊車試驗(yàn)扣塔完成或試驗(yàn)完成后對前門進(jìn)行沖水試驗(yàn)，不得漏水。

圖11 塔身頂部與塔身中部焊后矯正圖

2.2 塔身舾裝件、附件裝焊

塔身主結(jié)構(gòu)完成后進(jìn)行塔身舾裝件和附件的裝配、焊接。舾裝件、附件裝配前需對其油漆情況進(jìn)行檢查，確保所有舾裝件及附件均已進(jìn)行預(yù)處理(噴丸、車間底漆)；依照圖紙尺寸裝配、焊接塔身各舾裝件，焊縫外觀依照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行報檢。

3 焊接操作

塔身結(jié)構(gòu)的制作工藝方案為：①裝配-②報檢-③焊接-④校正-⑤報檢-⑥探傷-⑦噴丸-⑧油漆；工藝流程圖見圖12。

圖12 塔身結(jié)構(gòu)工藝流程圖

由于吊機(jī)塔身為箱體式厚壁大型焊接結(jié)構(gòu)，焊接工作量非常大[6]，壁厚大剛性大，焊接時易產(chǎn)生較大的焊接變形和應(yīng)力，嚴(yán)重時會影響后續(xù)裝配和使用壽命，因此需要合理的焊接方法來控制變形，焊接方法選用CO2氣體保護(hù)焊，該方法焊接熱輸入集中，變形小，生產(chǎn)效率高，成本低[7]。對于厚度超過20 mm 的板材對接接頭，開X形坡口代替V形坡口，X 形坡口的熔敷金屬比V 形坡口的熔敷金屬約少一半，降低了焊接熱輸入從而控制焊接變形，同時嚴(yán)格控制角焊縫高度，最好能一焊成形[8]。

4 結(jié) 論

吊機(jī)塔身結(jié)構(gòu)的焊接變形控制是一個涉及到各方面的系統(tǒng)工程，需要一套規(guī)范有效的焊接工藝方案配合。對吊機(jī)塔身結(jié)構(gòu)采用分部件制作再總裝的工藝方案比較合理，可操作性強(qiáng)，優(yōu)化工藝后制造的塔身尺寸精度大大提升，并可降低生產(chǎn)成本。