95 000 DWT冰區(qū)散貨船掛舵臂焊接工藝

王志鷗 饒宜中 陸新明 邱俏冰

摘? ? 要：本文從焊接材料的選用、工藝過程控制、施工要求等幾方面闡述了公司承建的95000DWT冰區(qū)散貨船掛舵臂的焊接質(zhì)量及精度控制要點。結(jié)果表明，合理的焊接工藝與施焊過程對于掛舵臂的焊接質(zhì)量及精度尺寸起著決定性作用。

關(guān)鍵詞：掛舵臂;焊接工藝;改進(jìn)措施

中圖分類號：U671.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Improvement of Welding Technology of Rudder Horn for

95 000 DWT Ice Bulk Carrier

WANG Zhiou， RAO Yizhong， LU Xinming， QIU Qiaobing

（ Guangzhou Shipyard International Company Limited， Guangzhou 511462 ）

Abstract： This paper introduces the welding quality and precision control points of the rudder horn of 95000? DWT ice bulk carrier from the aspects of welding material selection， process control and construction process requirements. The results show that reasonable welding technology and measures control of welding process play a decisive role in the welding quality and precision size of the rudder horn.

Key words： Rudder horn; Welding technology; Improvement measures

1? ? ?概述

公司承建的95 000 DWT冰區(qū)散貨船能夠同時在常規(guī)水域和冰區(qū)航行，具有常年在低溫、雪、霧、冰為常規(guī)狀態(tài)的極地環(huán)境營運能力。某相關(guān)結(jié)構(gòu)在航行過程中需要在極地低溫環(huán)境中經(jīng)受冰層擠壓、侵蝕等外力作用下仍能夠保持足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。其中掛舵臂分段以鑄鋼件為主體結(jié)構(gòu)，母材較厚（t=80mm），內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性較強(qiáng)，易產(chǎn)生裂紋及未熔合等焊接缺陷;同時由于焊接量大、殘余變形大，造成精度尺寸偏差影響掛舵臂后續(xù)的使用功能。為確保掛舵臂分段在低溫環(huán)境下的韌性、強(qiáng)度以及精度尺寸，對本船的掛舵臂焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

2? ? ?焊接質(zhì)量的控制

2.1? ?焊接缺陷的產(chǎn)生原因

平對接焊接位置的焊縫是整個掛舵臂制作過程中焊接量最大的焊縫，也是最容易產(chǎn)生未熔合和裂紋等缺陷的焊接位置。經(jīng)分析，片面注重提高生產(chǎn)效率而采用遠(yuǎn)超焊接工藝規(guī)定的焊接參數(shù)，易導(dǎo)致焊絲熔化速度過快，同時運弧頻率和焊接速度與焊絲熔化速度不匹配，造成熔敷金屬的填充速度比母材熔化速度快的情況;再加上焊層厚度、焊道寬度布置不合理等，都是焊接過程出現(xiàn)涌焊和熔合不良的主要因素。同時，因熔池高溫時間停留過長，易形成粗大的先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體，針狀鐵素體減少，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋的概率增大;同時焊縫的低溫韌性降低，嚴(yán)重影響后續(xù)焊縫低溫環(huán)境下的使用性能。

2.2? ?焊接方法及材料的選擇

常規(guī)焊接方法主要有焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊：焊條電弧焊效率較低、勞動強(qiáng)度大，且對操作者的技能水平要求較高，焊接質(zhì)量亦難以保證;CO2氣體保護(hù)焊具有效率高、勞動強(qiáng)度低等特點，只要控制好可以獲得良好的焊接質(zhì)量和效率。根據(jù)建造周期和生產(chǎn)節(jié)點的綜合要求及考慮到焊接工藝的適用性，選用CO2氣體保護(hù)焊作為掛舵臂制作施焊過程的主要焊接方法。根據(jù)鑄鋼件材質(zhì)特點，厚板殘余應(yīng)力過大，為了避免產(chǎn)生冷裂紋，選用低氫型H5級別、抗裂性好的符合AWS A5.20 E71T-1標(biāo)準(zhǔn)的藥芯焊絲。

2.3? ?焊接工藝改進(jìn)要點

（1）優(yōu)化焊接參數(shù)

因坡口深度大，如果按常規(guī)的焊接操作要求，則焊槍及套筒前端會蓋住熔池及周圍，不利于焊接過程的控制和調(diào)節(jié);反之，提高焊槍拉開與焊接熔池的間距，又會造成焊絲干伸長度過長，導(dǎo)致電弧挺度下降和熔化效果較差。經(jīng)過分析和實踐試驗，選擇將焊槍拉開與焊接熔池的間距，在焊接參數(shù)和焊接過程的規(guī)范上進(jìn)行優(yōu)化，采用電流偏大、電壓偏小的參數(shù)搭配來進(jìn)行焊接，即采用工藝規(guī)范規(guī)定參數(shù)值內(nèi)的電流值上限和電壓值下限，其目的是保證焊絲熔化端前一部分的輸送硬度，使焊絲能在正常狀態(tài)下輸送至坡口內(nèi)的焊層表面，確保焊縫熔池能穩(wěn)定熔合兩邊坡口母材，電弧過渡至熔池的距離得到有效保障。

選用上述焊接工藝方法和參數(shù)，主要是針對正反兩面焊縫的根部焊縫1～5層焊接時的優(yōu)化措施，其余填充及蓋面焊層的焊接工作，遵照相關(guān)焊接工藝措施進(jìn)行施焊。具體的焊接工藝參數(shù)，見表1。

另外，因第一層焊縫在反面清根時基本都會被清除掉，除了起到過渡層作用外，也會促使焊縫坡口根部預(yù)熱溫度均勻穩(wěn)定;另一作用為燃燒坡口內(nèi)有害雜質(zhì)，確保后續(xù)焊道的焊接質(zhì)量。

（2）優(yōu)化焊接厚度

焊層厚度應(yīng)控制在4～6 mm為宜。當(dāng)填充焊層寬度大于20 mm時，應(yīng)采用分道焊接，一是保證母材與填充金屬在足夠穩(wěn)定的高溫下熔合，最大限度減少未熔合、未焊透或不良組織的產(chǎn)生因素。因為母材厚度較大，散熱快，如果運弧擺幅大會造成熔池移動途徑長，難以保證坡口兩側(cè)的母材能充分熔合;二是減少高溫在焊縫某一處停留時間過長，避免焊縫晶粒粗大、脆化傾向增大。為降低對焊縫性能產(chǎn)生影響，應(yīng)盡可能將焊道寬度控制在16 mm之內(nèi)，如果是單層多道焊，應(yīng)遵循由兩邊輪流向焊縫中間的順序進(jìn)行施焊，既保證了層間溫度和內(nèi)應(yīng)力的均勻分布，又利于減緩焊縫冷卻速度和構(gòu)件精度尺寸的控制。

（3）優(yōu)化焊道順序

當(dāng)正面焊縫焊接填充至坡口深度的1/3厚時，對反面未焊焊縫進(jìn)行清根清潔工作，并確保刨槽形狀、深度、直線度等都滿足焊接要求。反面焊縫焊接前，注意坡口及兩側(cè)母材溫度是否在150 ℃～200 ℃，如偏低應(yīng)采用加溫措施;焊接填充至反面焊接量的1/2時，轉(zhuǎn)而進(jìn)行正面焊縫的繼續(xù)焊接，焊接填充至整條正面焊縫工作量的2/3時，再焊接完成反面焊縫剩余的焊接工作，最后完成正面焊縫的剩余焊接工作，如圖1所示。如果一面坡口焊接量過大，會造成熱影響區(qū)不均勻和應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生一面焊縫的收縮變形過大和焊縫兩邊起骨現(xiàn)象，其矯正工作是非常困難的。

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3? ? 掛舵臂精度的控制

3.1? 模板胎架制作

掛舵臂一般是在專用的模板胎架上采用左舷為底的方法進(jìn)行裝焊，首先應(yīng)保證胎架的制作精度：

（1）地面劃線。包括胎架中心線（一般以中間的一檔肋位為基準(zhǔn)）、胎架模板的位置線、板縫線、軸中心線（上下舵鈕中心線）和掛舵臂的輪廓線等;

（2）根據(jù)地面定出胎架模板的位置制作模板;

（3）用激光經(jīng)緯儀依據(jù)地面中心線定出每塊模板的中心線（包括舵鈕中心線）;

（4）用水準(zhǔn)儀在每塊模板上劃出水平線，并保證每塊模板的水平線都在同一水平面上;

（5）在相應(yīng)的強(qiáng)結(jié)構(gòu)與板縫旁約50 mm處設(shè)縱向拉條;

（6）把木樣板緊靠，保證中心線、水平線對齊，畫出胎架輪廓線和板縫線，然后修割模板與樣板一致（見圖2）;

圖2? 胎架制作圖

（7）胎架精度控制，見表2。

3.2? ? 裝配精度及注意要點

（1）掛舵壁上胎板鋪板時，應(yīng)檢查板與胎架模板的緊貼度，要求控制在2 mm以內(nèi);如果精度超差較大，則應(yīng)將外板退回重新加工;側(cè)板貼胎后用小碼板將其與模板連接固定，嚴(yán)禁直接將側(cè)板焊在模板上，注意拉胎碼的間距及焊接質(zhì)量，避免在焊接過程中出現(xiàn)碼板爆焊;

（2）內(nèi)結(jié)構(gòu)安裝時應(yīng)嚴(yán)格控制裝配間隙，盡量減少或避免修割，對裝配間隙超過3 mm 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更換，嚴(yán)格控制焊腳尺寸;檢查側(cè)板對接縫的坡口要求及裝配質(zhì)量，拼板均以外線型光順、無板厚差突變?yōu)樵瓌t;

（3）上下舵鈕定位。把上下舵鈕吊上模板胎架，并在鑄鋼件上找出舵鈕中心及對中線，用拉鋼絲法進(jìn)行第一次定位，劃出掛舵臂外板與鑄鋼件相連處的剩余余量。定位時必須注意鑄鋼件上下端面的位置和加工余量，上下舵鈕（鑄鋼件）的中心及對中線必須與船體的中心線相交垂直;上下端面與基平面平行，舵鈕（鑄鋼件）的首尾方向放對，且保證上下舵鈕的距離符合要求;將上述余量割除，按圖紙要求把焊接坡口切割準(zhǔn)確;按上述要求進(jìn)行舵鈕（鑄鋼件）第二次定位，用激光定位儀定位比較準(zhǔn)確，確保精度;

（4）安裝前端轉(zhuǎn)圓板。前端轉(zhuǎn)圓板的安裝位置以保證其端理論線與舵鈕中心線寬度要求為主，如圖3所示。

3.3? ?焊接順序

焊接必須按照既定的焊接順序進(jìn)行，先焊接外板拼板縫，最后焊接鑄件與外板的焊縫，見圖4、圖5。

4? ? 優(yōu)化后的效果

通過優(yōu)化后的焊接工藝，工件的焊接質(zhì)量和構(gòu)件外形精度控制有了明顯提高，焊縫焊接質(zhì)量合格率提高到70%～85%，整體矯正時間大大縮短，建造周期縮短3.5天。

掛舵臂的建造由傳統(tǒng)的鑄鋼件掛舵臂轉(zhuǎn)變?yōu)殇摪褰M合型掛舵臂，在整體外觀上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的鑄鋼件型掛舵臂，并且在重量上得到了極大程度的減輕。

總而言之，無論從安全性、實用性乃至經(jīng)濟(jì)效益而言，鋼板組合型掛舵臂的創(chuàng)新使用都是十分合理。

5? ? 結(jié)束語

掛舵臂分段是船舶尾部一個重要結(jié)構(gòu)分段，建造過程中涉及的技術(shù)工種相對較多，過程控制程序復(fù)雜，質(zhì)量要求較高。特別是具備冰區(qū)航行要求的產(chǎn)品，施工過程中必須嚴(yán)格控制各道工序，做好確認(rèn)記錄，其建造精度和建造周期為船塢階段的拉線望光及搭載工程均奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]烏日根.金屬材料焊接工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2019.