大型船舶鎢極氬弧重熔工藝應(yīng)用

何蘊(yùn)哲， 徐 立

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

0 引 言

大型船舶的設(shè)計(jì)壽命一般不低于25 a，例如液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)壽命為40 a。在船舶設(shè)計(jì)時(shí)，對大型船舶高應(yīng)力區(qū)和關(guān)鍵疲勞節(jié)點(diǎn)會進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算分析，一些節(jié)點(diǎn)的疲勞計(jì)算壽命較其他節(jié)點(diǎn)低，并接近設(shè)計(jì)壽命，因此需要針對這些節(jié)點(diǎn)制訂特殊的結(jié)構(gòu)形式和建造工藝。某大型船舶在設(shè)計(jì)建造階段，對船體結(jié)構(gòu)中的凸形甲板、橫艙壁、水平縱桁等不同位置15個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制、測量和記錄，以確保船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞性能符合設(shè)計(jì)要求。對于這些控制節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵位置，會通過裝配控制、打磨等方法對結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步改善。與其他常用的提高結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度的方法相比，鎢極氬弧(Tungsten Inert Gas，TIG)重熔是一種操作簡便、質(zhì)量可控的工藝，可有效提升焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，造成的環(huán)境污染更少。

1 提高結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度的方法

1.1 提升裝配精度

提升構(gòu)件的裝配精度可改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中水平，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞性能。根據(jù)船舶設(shè)計(jì)階段對疲勞強(qiáng)度的計(jì)算分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)按照1/4最小板厚且不大于5.0 mm的裝配誤差進(jìn)行控制，高于中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(CSQS)與IACS REC.47主要構(gòu)件裝配精度不超過1/3最小板厚的要求。典型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的裝配精度控制如圖1所示。

圖1 典型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的裝配精度控制

1.2 焊后熱處理

焊接殘余應(yīng)力是所有焊接結(jié)構(gòu)均具有的特性，焊后熱處理可消除一定量的焊接殘余應(yīng)力，改善結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，并可降低疲勞裂紋產(chǎn)生后的擴(kuò)展速率。受制于船廠施工環(huán)境和條件，現(xiàn)場無法對大批量焊縫進(jìn)行有效的熱處理，因此這一方法僅在鑄鋼材料等少數(shù)結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)應(yīng)用，尚未在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)區(qū)的焊縫上使用。

1.3 改善焊縫幾何形狀

焊趾處過渡圓弧的出現(xiàn)改善了焊縫截面積形狀，可降低焊接處應(yīng)力集中系數(shù)。有限元軟件ANSYS計(jì)算簡化模型如圖2所示，分別對結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷和彎曲載荷，并分析焊趾傾角θ和焊趾圓弧半徑與板厚比r/t對應(yīng)力集中系數(shù)的影響。

圖2 有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格圖

隨著r/t的增大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)Kt相應(yīng)減小，在各載荷形式下r/t值為0.01～0.10，Kt減幅為40%～50%[1]。r/t與Kt的關(guān)系如圖3所示。

圖3 r/t與Kt的關(guān)系

1.3.1 機(jī)械加工

對焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工可使焊縫表面形狀趨于理論情況，消除焊縫表面形狀缺陷，大幅降低應(yīng)力集中水平，提升疲勞性能。但機(jī)械加工成本高、設(shè)備復(fù)雜，施工條件、工裝要求高，不適宜在船體結(jié)構(gòu)建造中使用。

1.3.2 打 磨

對局部高應(yīng)力集中區(qū)，采用打磨的方式改善焊縫形狀、消除焊縫表面缺陷是經(jīng)濟(jì)且可行的方法之一。實(shí)肋板與內(nèi)殼結(jié)構(gòu)連接處是應(yīng)力水平相對較高的位置，是疲勞強(qiáng)度校核的重點(diǎn)位置之一，應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 應(yīng)力分析結(jié)果

典型節(jié)點(diǎn)焊縫通常要求將焊腳尺寸適當(dāng)加大，并將焊縫打磨光順，做到圓弧過渡，改善焊縫形狀特性，提升疲勞強(qiáng)度。典型節(jié)點(diǎn)焊接要求如圖5所示。

圖5 典型節(jié)點(diǎn)焊接要求

對焊縫進(jìn)行圓弧打磨在船舶建造過程中被大量應(yīng)用，該方法成本低，施工靈活方便，但粉塵、噪聲污染大，人力資源投入多，打磨后焊縫成型受人為因素影響大，焊縫表面圓弧度不易控制。

1.4 焊后重熔

對焊趾區(qū)域進(jìn)行重熔處理可大幅提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。重熔焊縫的幾何形狀得到改善，焊趾結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，重熔前后焊縫形狀如圖6所示。另一方面，焊趾區(qū)金屬經(jīng)歷一次重新結(jié)晶過程，晶粒細(xì)化，微小夾渣、裂紋等缺陷被消除，最終提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度[2]，重熔前后焊縫晶粒結(jié)構(gòu)如圖7所示。重熔工藝在部分海洋工程設(shè)施、鐵路機(jī)車結(jié)構(gòu)件中已被應(yīng)用，船舶建造行業(yè)已逐漸引入該工藝。目前，大型船舶在建造過程中對裝配精度進(jìn)行全面控制，關(guān)鍵區(qū)域焊縫焊后重熔技術(shù)已全面使用。

圖6 重熔前后焊縫形狀對比

圖7 重熔前后焊縫晶粒結(jié)構(gòu)對比

2 TIG重熔工藝應(yīng)用

2.1 TIG重熔工藝

大量研究表明，在焊趾表面、母材靠近熔合線0.5 mm處一般存有熔渣等缺陷，焊趾表面還有微夾渣、微裂紋等缺陷，這些缺陷較尖銳，相當(dāng)于疲勞裂紋提前萌生或成核。焊趾處的焊縫向母材過渡不圓順、不光滑造成的應(yīng)力集中加劇疲勞裂紋提前萌生或成核。在焊接過程中形成的焊接殘余拉應(yīng)力，在大多數(shù)情況下對接頭疲勞壽命有不利影響。這些不利因素的綜合作用使焊趾成為疲勞裂紋的萌生地、焊接接頭抗疲勞的薄弱環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外已研究成功多項(xiàng)提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的技術(shù)，TIG重熔就是其中一項(xiàng)。TIG重熔工藝在氬氣保護(hù)下，利用鎢極與工件之間的電弧熱對母材和原有焊縫的熔敷金屬進(jìn)行再次熔合，排除周圍空氣中氧、氮、氫等氣體對重熔金屬的影響，可保證重熔金屬的致密，大幅減少或基本消除微裂紋、微夾渣。同時(shí)，焊趾處的焊縫金屬與母材之間形成光滑過渡，減小應(yīng)力集中，大幅提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。TIG重熔工藝擁有質(zhì)量穩(wěn)定、操作方便、環(huán)境友好等優(yōu)勢，自20世紀(jì)80年代起在鐵路、海洋工程等領(lǐng)域展開應(yīng)用。

2.2 工藝操作規(guī)程

參與TIG重熔操作的焊工，必須持有船級社頒發(fā)的氬弧焊類焊工資格證書。在進(jìn)行熔合前，參與TIG重熔操作的焊工必須進(jìn)行TIG重熔操作資格認(rèn)證并得到船級社認(rèn)可。操作規(guī)程如下：

(1)在操作前，焊工必須清除重熔區(qū)域及兩側(cè)50.0 mm內(nèi)的氧化物、鐵銹、水分、油污等，原有焊縫表面缺陷應(yīng)進(jìn)行符合規(guī)定的修復(fù)。

(2)在操作前，原焊縫表面應(yīng)盡可能打磨平整，如圖8所示。

圖8 原焊縫表面的處理

(3)為防止重熔區(qū)域脆化，影響焊縫強(qiáng)度，在操作前須對重熔區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100～120 ℃，并對預(yù)熱過程進(jìn)行記錄和存檔。

(4)在進(jìn)行重熔時(shí)，鎢極與鋼板角度應(yīng)保持在60°～90°，與重熔方向傾斜不超過10°，焊槍與焊趾部位間距P應(yīng)保持0～2.0 mm，如圖9所示。

圖9 焊槍的傾斜角度

(5)焊接參數(shù)可參照表1中的推薦值，其中：焊接電流應(yīng)盡可能小，以減少熱輸入量，在實(shí)際操作中電流一般控制在100～120 A。

表1 氬氣保護(hù)焊焊接參數(shù)推薦值

(6)重熔區(qū)域在焊后應(yīng)進(jìn)行100%磁粉探傷檢測。

2.3 工藝認(rèn)可與試驗(yàn)

在進(jìn)行工藝認(rèn)可前，原有角焊縫應(yīng)進(jìn)行目檢和無損探傷，保證原焊縫不存在不可接受的焊接缺陷，角焊縫的TIG重熔工藝認(rèn)可應(yīng)進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、硬度測定和無損探傷。

焊縫斷面按照文獻(xiàn)[3]進(jìn)行宏觀腐蝕試驗(yàn)，焊縫成型良好，有足夠的熔深，無裂紋和未熔合缺陷。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 宏觀腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)硬度應(yīng)按照文獻(xiàn)[4-5]在圖11中的對應(yīng)位置進(jìn)行硬度測量(維氏硬度HV10標(biāo)準(zhǔn))。

圖11 硬度測量點(diǎn)

對最小屈服強(qiáng)度≤420 N/mm2的鋼材，測定結(jié)果一般應(yīng)不超過HV350；對420 N/mm2<最小屈服強(qiáng)度≤690 N/mm2的鋼材，測定結(jié)果應(yīng)不超過HV420。硬度測量結(jié)果如表2所示。

表2 不同測量點(diǎn)硬度測量結(jié)果

綜上所述，經(jīng)TIG重熔工藝處理的焊縫性能符合規(guī)范要求。

2.4 建造中的操作要點(diǎn)

(1)在船塢施工過程中去除氧化物等可能影響焊縫質(zhì)量的雜質(zhì)尤其重要，可能存在的交叉作業(yè)和高處焊接作業(yè)掉落的焊渣均會影響TIG重熔質(zhì)量。

(2)在工藝認(rèn)可試驗(yàn)中，在TIG重熔前對焊趾區(qū)域焊腳適度加大，重熔焊縫成型會更光順，具有更好的幾何形狀，在實(shí)際應(yīng)用中已達(dá)到理想效果。

(3)焊槍的位置在TIG重熔過程中應(yīng)嚴(yán)格控制，否則得不到預(yù)期的焊縫幾何形狀。在操作時(shí)，焊槍的適當(dāng)擺動有利于獲得更好的重熔區(qū)幾何形狀；向焊縫方向擺動時(shí)，速度可稍慢一些，使重熔區(qū)和原焊縫金屬充分熔合，邊緣光順；向母材方向擺動時(shí)，速度應(yīng)稍快一些，使重熔區(qū)獲得更好的圓弧形狀，與母材均勻過渡。焊接電流應(yīng)盡可能相對偏小，以降低熱輸入量，降低焊接應(yīng)力集中。

(4)氬氣本身無毒，但在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)有窒息作用?？諝庵械臍鍤赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)在超過33%時(shí)有窒息危險(xiǎn)，在超過50%時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重癥狀，在超過75%時(shí)可在數(shù)分鐘內(nèi)致死。在TIG重熔施工時(shí)應(yīng)保持空氣流通，對氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測，嚴(yán)格按照安全規(guī)程進(jìn)行操作。

3 結(jié) 語

隨著船舶設(shè)計(jì)壽命越來越長，船體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞性能越來越被重視。TIG重熔工藝通過改善焊縫幾何形狀特性提升結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，擁有操作簡單、效果可控、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。所制訂的TIG重熔工藝標(biāo)準(zhǔn)不僅使船廠可順利實(shí)施TIG重熔，改善結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度，而且保證類似LNG運(yùn)輸船可具有滿足結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算要求的較長疲勞壽命。經(jīng)TIG重熔處理的船體結(jié)構(gòu)在船舶營運(yùn)中的表現(xiàn)可作為規(guī)范制訂和船舶設(shè)計(jì)的參考。