921A調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度合金鋼塑性收縮量

孫 云， 張全鋼， 劉 江

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200129；2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

國內(nèi)某船舶船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用921A調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度合金鋼，其各項(xiàng)性可與普通高強(qiáng)度鋼不同，特別是在焊接和火工熱源溫度場的影響下形成的塑性收縮量不同于普通高強(qiáng)度鋼。為準(zhǔn)確掌握該結(jié)構(gòu)材料在拼板、小組立和中組立焊接裝配及后續(xù)火工作業(yè)過程中的塑性收縮量和變形量，結(jié)合該船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精度控制要求，選取局部典型結(jié)構(gòu)，開展1∶1尺寸的試驗(yàn)片體建造，并在片體結(jié)構(gòu)建造各階段使用高精度設(shè)備測量相應(yīng)數(shù)據(jù)，分析確定其在建造階段的各項(xiàng)收縮量，確定基本收縮因數(shù)[1]，以策劃其在船舶建造中的精度補(bǔ)償量，為實(shí)際船體結(jié)構(gòu)建造精度控制提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為全船高精度建造打下基礎(chǔ)。

1 片體總體設(shè)計(jì)

片體總體設(shè)計(jì)根據(jù)精度控制核心的收縮量和變形量展開，確保在各階段均可采集符合要求的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便后期分析處理，確定實(shí)際設(shè)計(jì)策劃階段的精度補(bǔ)償量[2]。塑性收縮因數(shù)主要圍繞拼板平對接收縮、結(jié)構(gòu)角接主板收縮、火工矯正收縮和總組搭載合龍焊接收縮等4項(xiàng)展開。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)收集條件外，為達(dá)到與真實(shí)產(chǎn)品的一致性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取船舶典型結(jié)構(gòu)的常用板厚和材質(zhì)，按相同的肋距和縱骨間距設(shè)定片體的肋距和縱骨間距，并模擬實(shí)際拼板縫，最終設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)對象，分別為A1與A2片體組和B1與B2片體組。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 片體結(jié)構(gòu)形式

(1)A1與A2片體組

A1與A2片體組模擬普通甲板結(jié)構(gòu)，在片體裝焊后進(jìn)行橫向?qū)?，模擬總組階段船寬方向的對接。主板板厚為12.0 mm，材質(zhì)為921A鋼，分為3片；甲板縱骨為T16雙球頭球扁鋼；橫向肋板板厚為10.0 mm，材質(zhì)為907A鋼。

(2)B1與B2片體組

B1與B2片體組模擬強(qiáng)力甲板結(jié)構(gòu)，在片體裝焊后進(jìn)行縱向?qū)?，模擬總組階段船長方向的對接。主板板厚為16.0 mm，材質(zhì)為921A鋼，分為3片；甲板縱骨為T20雙球頭球扁鋼；橫向肋板板厚為10.0mm，材質(zhì)為907A鋼。

1.2 焊接工藝設(shè)計(jì)

片體焊接主要涉及板與板對接、板與板角接和板與型材角接等焊接形式，為模擬實(shí)船效果，采用與實(shí)際產(chǎn)品一致的焊接工藝方法。對于921A鋼厚板焊接，拼板階段采用雙面埋弧自動(dòng)焊，AY型對接坡口；對于總組階段焊接，采用構(gòu)架面實(shí)心焊絲混合氣體保護(hù)焊和非構(gòu)架面埋弧自動(dòng)焊的組合焊接形式，Y型對接坡口。921A鋼片體對接坡口如圖2所示，其中：t為板厚；f為坡口留根值；c為坡口間隙。對于雙球頭球扁鋼對接接頭、型材與鋼板焊接和鋼板與鋼板角接，均采用實(shí)心焊絲混合氣體保護(hù)焊。

圖2 921A鋼片體對接坡口

2 試驗(yàn)階段和施工工藝

2.1 試驗(yàn)階段

試驗(yàn)分拼板試驗(yàn)、片體裝焊+火工矯正和片體對接等3個(gè)階段。拼板試驗(yàn)階段：通過測量拼板對接焊，綜合計(jì)算拼板縫收縮因數(shù)均值。片體裝焊+火工矯正階段：主要模擬分段建造階段角接焊造成的整體收縮因數(shù)和變形量(平整度)影響，并通過火工矯正(降低應(yīng)力和修正精度)試驗(yàn)計(jì)算其造成的結(jié)構(gòu)整體收縮因數(shù)。片體對接階段：主要模擬總組階段主板及構(gòu)架焊接形成的總組階段收縮補(bǔ)償量。按工藝要求，規(guī)定整體試驗(yàn)裝焊施工順序，如圖3所示。

圖3 整體試驗(yàn)裝焊順序

(1)拼板試驗(yàn)階段

拼板試驗(yàn)階段為①和②的拼板裝焊，并記錄焊接起點(diǎn)和終點(diǎn)。該階段通過肋距、總長和對角線測量，監(jiān)控拼板縫收縮量和拼板方正度情況。

(2)片體裝焊+火工矯正階段

片體裝焊分為2步：第1步為縱骨裝焊，即③④⑤；第2步為肋板裝焊，即⑥⑦⑧。片體裝焊通過檔距、肋距、長寬尺寸、對角線和平面度測量，監(jiān)控分段整體收縮量和變形量。焊后按規(guī)范要求進(jìn)入火工矯正，消解殘余應(yīng)力，對該階段的各項(xiàng)尺寸進(jìn)行監(jiān)控測量。

(3)片體對接階段

片體對接階段為片體組裝試驗(yàn)，即⑨，進(jìn)行平對接(非構(gòu)架面焊接)和立角焊。該階段通過兩兩對接(A1與A2片體組為橫向?qū)樱珺1與B2片體組為縱向?qū)?，監(jiān)控總組搭載合龍階段焊接收縮量和變形量。

2.2 施工工藝

(1)拼板試驗(yàn)

拼板試驗(yàn)在平臺上施工，保持每個(gè)片體的3片板材平整。拼板定位間隙為0～1.0 mm，鋪板定位焊間距為200.0～300.0 mm，定位焊長度為30.0～50.0 mm。拼板端頭安裝相同材質(zhì)和板厚的引熄弧板，正面焊接；在翻身后進(jìn)行背面碳弧氣刨處理和背面焊接。

(2)片體裝焊+火工矯正

在拼板試驗(yàn)階段后進(jìn)行劃線作業(yè)，按圖紙使用鋼針沿2個(gè)基準(zhǔn)邊劃制縱骨和肋骨安裝線。定位縱骨：與主板的間隙應(yīng)小于1.0 mm；點(diǎn)焊在構(gòu)架非理論線面一側(cè)進(jìn)行，定位焊間距為150.0～200.0 mm；定位焊長度為30.0～50.0 mm，按工藝順序焊接。安裝T型肋骨：安裝要求與縱骨一致，按工藝順序焊接。焊后在結(jié)構(gòu)對接處進(jìn)行火工矯正，消除殘余應(yīng)力并進(jìn)行平整度矯正。

(3)片體對接

片體對接在平臺上合龍組裝，將支撐調(diào)整至水平狀態(tài)。片體對接根據(jù)絕對基準(zhǔn)邊進(jìn)行定位，定位間隙控制為1.0 mm內(nèi)；安裝定位馬板，間距為300.0 mm；兩端安裝標(biāo)準(zhǔn)引熄弧板，片體四周設(shè)置剛性固定，以模擬總組階段的拘束度。在裝配后按主板和構(gòu)架的焊接工藝順序進(jìn)行焊接；在對主板背面進(jìn)行碳弧氣刨處理后進(jìn)行背面焊接。

3 數(shù)據(jù)測量

為提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少人為誤差、隨機(jī)誤差和測量工具設(shè)備誤差等，對測量工具、測量方案和測量流程等進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)行定人、定設(shè)備和定階段測量[3]，并按方案嚴(yán)格執(zhí)行，保證數(shù)據(jù)精確可靠。為減少溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響，每個(gè)測量階段氣溫偏差在3 ℃內(nèi)。

3.1 測量工具和設(shè)備

數(shù)據(jù)測量劃線使用鋼針，保證劃線寬度控制為0.1 mm內(nèi)，減少測量偏差。數(shù)據(jù)測量采用二維和三維的方式對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，相互校驗(yàn)。二維測量使用5 m尺、鋼直尺和游標(biāo)卡尺；三維測量使用高精度全站儀，設(shè)備為1″級，測量精度為0.1 mm。工具設(shè)備均提前校驗(yàn)，使用相同設(shè)備減少不同設(shè)備誤差。平整度測量使用3 m尺和全站儀進(jìn)行交互測量，相互驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)。

3.2 測量流程

根據(jù)施工建造流程，數(shù)據(jù)測量分為3個(gè)階段，分別對應(yīng)收集拼板收縮量、裝焊收縮量+火工矯正收縮量和總組收縮量。根據(jù)工藝流程在各階段分別進(jìn)行4～5次測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

(1)拼板測量階段

在拼板試驗(yàn)前使用鋼針劃制拼板收縮量檢驗(yàn)線，兩端劃制偏移100.0 mm的檢驗(yàn)線；在拼板定位焊接前進(jìn)行第1次測量；正面焊后進(jìn)行第2次測量；在翻身碳弧氣刨后進(jìn)行第3次測量；反面焊后進(jìn)行第4次測量。主要測量項(xiàng)目為各線間距、總長、對角線、焊縫平整度和基準(zhǔn)線直線度。

(2)片體裝焊+火工矯正測量階段

在片體裝焊前完成劃線作業(yè)，進(jìn)行第1次測量；縱行焊后進(jìn)行第2次測量；T型肋骨焊后進(jìn)行第3次測量；在定位焊拆除后進(jìn)行第4次測量；在火工矯正變形后進(jìn)行第5次測量。主要測量項(xiàng)目為各線間距、總長和對角線。在全部裝焊后使用3 m尺進(jìn)行平面度檢測，并與全站儀三維數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

(3)片體對接測量階段

在片體對接定位后在斷縫兩端劃制800.0 mm的對合收縮量檢驗(yàn)線；焊前進(jìn)行第1次測量；主板和構(gòu)架焊后進(jìn)行第2次測量；在主板背面碳弧氣刨后進(jìn)行第3次測量；背面焊后進(jìn)行第4次測量。焊后使用3 m尺對焊縫兩邊進(jìn)行平面度測量，對照全站儀三維數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 收縮量處理

(1)拼板縫收縮量

拼板試驗(yàn)階段進(jìn)行二維和三維各4次測量，片體拼板收縮量如圖4所示，其中：括號內(nèi)為實(shí)測數(shù)據(jù)。通過各環(huán)節(jié)收縮量的分析和計(jì)算，在相同條件下，片體拼板試驗(yàn)階段的單板縫收縮量為0.70～1.30 mm，對角線變化量為1.50～2.50 mm，基準(zhǔn)邊直線度變化量為0.50～1.50 mm。焊接順序?qū)Π蹇p收縮影響為起弧端收縮量大，收弧端收縮量小，形成收縮的不一致性。

圖4 片體拼板收縮量

(2)構(gòu)架裝焊階段主板收縮量

經(jīng)現(xiàn)場建造焊接前后的收縮量測量，構(gòu)架裝焊階段焊接收縮量如表1所示。在縱橫構(gòu)架裝焊后，A1片體長度收縮量為1.00～2.20 mm，寬度收縮量為0.70～0.80 mm；A2片體長度收縮量為1.00～1.80 mm，寬度收縮量為0.60～1.20 mm；B1片體長度收縮量為1.00～1.70 mm，寬度收縮量為0.80～1.10 mm；B2片體長度收縮量為1.00～1.10 mm，寬度收縮量為0.80～1.00 mm。經(jīng)綜合計(jì)算，構(gòu)架裝焊階段主板長度3檔肋位收縮量測量均值為1.35 mm，收縮量分布均值為0.45 mm/檔；寬度3檔型鋼收縮量測量均值為0.88 mm，收縮量分布均值為0.29 mm/檔。

表1 構(gòu)架裝焊階段焊接收縮量 mm

(3)火工矯正收縮量

火工矯正收縮量為0.25～0.50 mm，收縮量測量均值為0.375 mm，收縮量分布均值為0.125 mm/檔。

(4)總組搭載合龍階段焊接收縮量

總組搭載合龍階段焊接收縮量如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)階段合龍4次焊接收縮量收集跟蹤統(tǒng)計(jì)：A段總組收縮量為1.00～2.00 mm，收縮量測量均值為1.50 mm；B段總組收縮量為1.50～2.00 mm，收縮量測量均值為1.75 mm。

表2 總組搭載合龍階段焊接收縮量 mm

4.2 精度補(bǔ)償量處理

根據(jù)第4.1節(jié)(1)中的數(shù)據(jù)，拼板縫收縮量測量均值為1.00 mm。根據(jù)以往同型試驗(yàn)，拼板縫施工與試驗(yàn)對比因數(shù)為1.00，因此拼板縫精度補(bǔ)償量單邊加放均值為1.00 mm×1.00÷2=

0.50 mm。

根據(jù)以往同型試驗(yàn)，在實(shí)際分段裝焊階段中溫度場效應(yīng)更強(qiáng)。在縱骨架式結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)度鋼長度精度加成因數(shù)為1.20，寬度精度加成因數(shù)為1.10；921A鋼屈服強(qiáng)度更高，預(yù)計(jì)其長度精度加成因數(shù)為1.05～1.10，寬度精度加成因數(shù)為1.00～1.05；經(jīng)計(jì)算，長度精度補(bǔ)償量分布均值為0.45 mm×1.10=0.495 mm/檔，寬度精度補(bǔ)償量分布均值為0.29 mm×1.05=0.304 5 mm/檔，分別進(jìn)位取整選取0.50和0.30。實(shí)際施工階段中的火工矯正比試驗(yàn)階段少，其精度加成因數(shù)為0.80～1.00；經(jīng)計(jì)算，精度補(bǔ)償量分布均值選取0.10 mm/檔。經(jīng)綜合計(jì)算，構(gòu)架裝焊階段主板長度精度補(bǔ)償量分散延長加放均值為0.50 mm+0.10 mm=0.60 mm/檔，寬度精度補(bǔ)償量分散延長加放均值為0.30 mm+0.10 mm=0.40 mm/檔。

根據(jù)總組階段結(jié)構(gòu)對接和裝配因素，片體對接精度加成因數(shù)為1.50～1.75；經(jīng)計(jì)算，片體對接總組長度精度補(bǔ)償量為2.63～3.06 mm，寬度精度補(bǔ)償量為2.25～2.63 mm。

4.3 平整度處理

分段拼板試驗(yàn)階段正面焊后為略凹狀態(tài)，偏差量為2.0～4.0 mm；碳弧氣刨后的焊縫處平整度無變化；背面焊后收回一部分，最終偏差量為2.0～3.0 mm。片體裝焊中的“瘦馬”形肋骨構(gòu)架較小，整體平整度良好，累計(jì)偏差量極限為4.0 mm；總組階段對接平整度與片體平整度趨勢和數(shù)值一致。分段焊后進(jìn)行分段火工矯正背燒作業(yè)，背燒后的整體平整度變化量控制為±2.0 mm。根據(jù)上述變形數(shù)據(jù)，分段建造無須加放反變形以抵消結(jié)構(gòu)變形，按921A鋼火工工藝要求操作即可?，F(xiàn)場三維測量結(jié)果如圖5所示，其中：z為高度方向偏移值，正值表示上凸，負(fù)值表示下凹。

圖5 現(xiàn)場三維測量結(jié)果

5 結(jié) 語

通過設(shè)計(jì)符合實(shí)船建造的典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)片體，精確測量試驗(yàn)條件下的板縫收縮、構(gòu)架收縮和結(jié)構(gòu)焊接變形等情況，對比普通高強(qiáng)度鋼，確定相應(yīng)的精度加成因數(shù)，計(jì)算分析符合現(xiàn)場實(shí)際建造的拼板縫補(bǔ)償量和分散延長加放均值，并對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，分析平面度的影響及處理方案。通過對921A鋼精度補(bǔ)償量的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究，為相關(guān)產(chǎn)品的精度設(shè)計(jì)策劃提供相應(yīng)參數(shù)，減少設(shè)計(jì)階段無謂的補(bǔ)償量及裕量加放，增加分段的無裕量建造率并提升建造精度。