论文部分内容阅读
摘要：船舶船体结构大部分采用二氧化碳的焊接方式，如何能避免在焊接过程中产生缺陷已被各船厂所重视。本文从以下几方面做阐述控制方案及应用实例，为船舶中、厚板的焊接质量管理提供借鉴。
关键词：船体断裂；预热；二氧化碳焊接优点；T型接头；焊后热处理；超声波检测
一、引言
船舶结构焊接质量对船体强度的重要性不言而喻。2013年日本MOL COMFORT集装箱船在新加坡前往沙特吉达港的途中突然断裂，海水进入货仓，导致1700个集装箱和1500T燃油沉入海底，造成了人员、财产及环境污染的重大事故。该事故产生除了设计原因之外还与焊接有很大的关系。事后世界各船厂均引起重视，把设计、焊接质量纳入船舶建造的重中之重。目前，如：某船厂船体结构的T型焊缝的板材均为厚板，坡口为K型。冬季厚板焊接时由于温度原因，加上有时仰焊本身难度就比较大，焊接时填充金属不能和平焊相比，焊缝容易产生各种缺陷，如果在一侧焊满后，再焊另一侧，那么外侧根部所受应力很大，经超声波检测后，多次发现较长范围内，深度相同的超标缺陷反射波，判定此焊缝为不合格。碳弧气刨后，缺陷定性为裂纹。此类缺陷在焊缝中非常严重，任何标准都不允许有裂纹的存在，船舶服役时很有可能发生断裂，造成无法弥补的损失。船体结构涉及到厚板对接焊、T型焊缝较多，在焊接过程中由于板厚的原因，多采用多层多道焊方法，由于填充的道数有时多达数十道，所以接头非常容易出现夹渣、未融合、未焊透、裂纹等缺陷。本文结合某船厂船体结构T型焊缝经常出现的缺陷，以质量控制、焊接检验、无损检测的视角，重点介绍如何防止厚板T型接头焊接缺陷的产生方面提供借鉴。
二、控制方案
1.采用合理的焊接设计图纸、焊接顺序及尽可能多的平焊焊接工位；
2.采购大型钢厂生产的优质船级板材；
3.满足船级社规范的焊评，并要求焊工认真执行；
3.技术人员套料准确，避免切割余量不足的情况；
4.切割工切好坡口，避免坡口不良的情况；
5.装配工调整好间隙，注意定位焊的质量；
6.焊接
6.1目前船舶结构的焊接绝大部分采用二氧化碳气体保护焊，此焊接方法有以下优点：
1）生产效率高：因其电弧的穿透力强、熔深大、且焊丝的熔化率高，所以熔敷速度快。
2）焊接成本低：二氧化碳气体来源广泛，价格低。
3）能耗低：与焊条电弧焊相比二氧化碳焊接每米消耗的电能仅相当于手工焊的70%左右。
4）焊接碳钢、低合金钢不易产生冷裂纹；
5）焊接电弧可见性良好；
6）电压、电流调节范围大，熔深和焊缝易于控制。
7）焊接质量好，成形美观，焊件变形小。
6.2具体焊接实施方案
图1所示，（1）首先，船舶厚板焊接不再使用仰焊的焊接方法，而改为平焊、对称焊，预热温度依据客户要求（通常在100℃>t<250℃），有效的预热：①可以减少焊缝冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。②预热可降低焊接应力。均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域与被焊工件之间的温度差。这样一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率。③预热可以降低焊接结构的拘束度，随着温度的提高，裂纹发生率下降。④降低硬化的风险；给吸收的氢扩散出去的机会。⑤去除焊缝中的湿气；⑥改善总体焊缝的融合性，从而降低应力水平。局部预热的宽度应根据被焊工件的拘束度情况而定，一般应为焊缝区周围各三倍壁厚，且不得少于200mm。如果预热不均匀，不但不减少焊接应力，反而会出现增大焊接应力的情况。
图2所示，（2）先在船舶厚板内侧焊一小部分，焊脚约为坡口面板厚的1/5-1/4。焊脚过大容易造成翼板与腹板变形；过小容易受应力而产生裂纹。
图3所示，（3）然后在船舶厚板外侧对称焊，填充金属同样为坡口面的1/5-1/4。对称焊工艺要求：坡口的两侧焊脚大致相同，以避免热输入过大导致的变形。焊接一侧结束后，测量焊脚，然后到另一侧施焊，两面的焊脚应大致相同。
图4所示，（4）船舶厚板内侧再焊一部分，填充金属至坡口面2/5-1/5，改进前是内侧全部焊接，这样变形会较为严重。改进后变形较小，大大减少了外侧应力的产生。
图5所示，（5）船舶厚板外侧碳弧气刨，碳弧气刨主要作用是清根、开坡口，操作时应注意清根要彻底，要避免氧化物、碳层残留在坡口内导致渗碳。并且不能伤及母材。碳弧气刨的坡口要在50-60°范围内。
图6所示，（6）碳弧气刨后与内侧对称焊，首先预热，需要注意的是首层填充金属焊脚要小，采用短弧焊接，焊接速度不能过快，以免造成应力增大导致焊缝裂开。第二道焊接前用点温枪测量温度，层间温度：100℃>t<250℃。
图7所示，（7）船舶厚板内側焊满，注意：内侧焊一层，对称的外侧也要焊一层，焊脚应大致相同，层与层之间清理要彻底，以免后层施焊时产生裂纹、未融合、气孔等缺陷。层间温度：100℃>t<250℃。
图8所示，（8）船舶厚板外侧焊满。该焊缝全部焊接完成。准备进行焊后热处理。
7.焊后消氢热处理，是指在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100℃以下时，进行的低温热处理。一般规范为加热到200-350℃，保温2-6小时。可有效的使接头金相组织得到改善，提高焊接接头的塑性、韧性，从而改善了焊接接头的综合机械性能。
三、应用实例
对某船厂的船体结构中、厚板T型焊缝依据上述方案改进后，因平焊位置对焊工操作难度较小，加上钢板预热、双面对称焊、焊后热处理等工序，也能更好的减少应力的产生，不仅改善了焊接工人的工作条件，还能有效的控制焊接质量，对多条船的厚板进行超声波检验（包括冬季），结果均合格。有力的保证了船体结构的焊接质量，也能更大程度的保证船舶的安全航行。
参考文献：
[1]船舶厚板焊接工艺-王雷（本人发明）。
[2]TWI国际焊接检验师教材。
[3]CO2气体保护焊技术（刘云龙主编）。
[4]CO2气体保护焊优点概述。
[5]船舶焊接质量检验（满家瑞）。
[6]不可忽视的焊前预热与焊后热处理。
关键词：船体断裂；预热；二氧化碳焊接优点；T型接头；焊后热处理；超声波检测
一、引言
船舶结构焊接质量对船体强度的重要性不言而喻。2013年日本MOL COMFORT集装箱船在新加坡前往沙特吉达港的途中突然断裂，海水进入货仓，导致1700个集装箱和1500T燃油沉入海底，造成了人员、财产及环境污染的重大事故。该事故产生除了设计原因之外还与焊接有很大的关系。事后世界各船厂均引起重视，把设计、焊接质量纳入船舶建造的重中之重。目前，如：某船厂船体结构的T型焊缝的板材均为厚板，坡口为K型。冬季厚板焊接时由于温度原因，加上有时仰焊本身难度就比较大，焊接时填充金属不能和平焊相比，焊缝容易产生各种缺陷，如果在一侧焊满后，再焊另一侧，那么外侧根部所受应力很大，经超声波检测后，多次发现较长范围内，深度相同的超标缺陷反射波，判定此焊缝为不合格。碳弧气刨后，缺陷定性为裂纹。此类缺陷在焊缝中非常严重，任何标准都不允许有裂纹的存在，船舶服役时很有可能发生断裂，造成无法弥补的损失。船体结构涉及到厚板对接焊、T型焊缝较多，在焊接过程中由于板厚的原因，多采用多层多道焊方法，由于填充的道数有时多达数十道，所以接头非常容易出现夹渣、未融合、未焊透、裂纹等缺陷。本文结合某船厂船体结构T型焊缝经常出现的缺陷，以质量控制、焊接检验、无损检测的视角，重点介绍如何防止厚板T型接头焊接缺陷的产生方面提供借鉴。
二、控制方案
1.采用合理的焊接设计图纸、焊接顺序及尽可能多的平焊焊接工位；
2.采购大型钢厂生产的优质船级板材；
3.满足船级社规范的焊评，并要求焊工认真执行；
3.技术人员套料准确，避免切割余量不足的情况；
4.切割工切好坡口，避免坡口不良的情况；
5.装配工调整好间隙，注意定位焊的质量；
6.焊接
6.1目前船舶结构的焊接绝大部分采用二氧化碳气体保护焊，此焊接方法有以下优点：
1）生产效率高：因其电弧的穿透力强、熔深大、且焊丝的熔化率高，所以熔敷速度快。
2）焊接成本低：二氧化碳气体来源广泛，价格低。
3）能耗低：与焊条电弧焊相比二氧化碳焊接每米消耗的电能仅相当于手工焊的70%左右。
4）焊接碳钢、低合金钢不易产生冷裂纹；
5）焊接电弧可见性良好；
6）电压、电流调节范围大，熔深和焊缝易于控制。
7）焊接质量好，成形美观，焊件变形小。
6.2具体焊接实施方案
图1所示，（1）首先，船舶厚板焊接不再使用仰焊的焊接方法，而改为平焊、对称焊，预热温度依据客户要求（通常在100℃>t<250℃），有效的预热：①可以减少焊缝冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。②预热可降低焊接应力。均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域与被焊工件之间的温度差。这样一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率。③预热可以降低焊接结构的拘束度，随着温度的提高，裂纹发生率下降。④降低硬化的风险；给吸收的氢扩散出去的机会。⑤去除焊缝中的湿气；⑥改善总体焊缝的融合性，从而降低应力水平。局部预热的宽度应根据被焊工件的拘束度情况而定，一般应为焊缝区周围各三倍壁厚，且不得少于200mm。如果预热不均匀，不但不减少焊接应力，反而会出现增大焊接应力的情况。
图2所示，（2）先在船舶厚板内侧焊一小部分，焊脚约为坡口面板厚的1/5-1/4。焊脚过大容易造成翼板与腹板变形；过小容易受应力而产生裂纹。
图3所示，（3）然后在船舶厚板外侧对称焊，填充金属同样为坡口面的1/5-1/4。对称焊工艺要求：坡口的两侧焊脚大致相同，以避免热输入过大导致的变形。焊接一侧结束后，测量焊脚，然后到另一侧施焊，两面的焊脚应大致相同。
图4所示，（4）船舶厚板内侧再焊一部分，填充金属至坡口面2/5-1/5，改进前是内侧全部焊接，这样变形会较为严重。改进后变形较小，大大减少了外侧应力的产生。
图5所示，（5）船舶厚板外侧碳弧气刨，碳弧气刨主要作用是清根、开坡口，操作时应注意清根要彻底，要避免氧化物、碳层残留在坡口内导致渗碳。并且不能伤及母材。碳弧气刨的坡口要在50-60°范围内。
图6所示，（6）碳弧气刨后与内侧对称焊，首先预热，需要注意的是首层填充金属焊脚要小，采用短弧焊接，焊接速度不能过快，以免造成应力增大导致焊缝裂开。第二道焊接前用点温枪测量温度，层间温度：100℃>t<250℃。
图7所示，（7）船舶厚板内側焊满，注意：内侧焊一层，对称的外侧也要焊一层，焊脚应大致相同，层与层之间清理要彻底，以免后层施焊时产生裂纹、未融合、气孔等缺陷。层间温度：100℃>t<250℃。
图8所示，（8）船舶厚板外侧焊满。该焊缝全部焊接完成。准备进行焊后热处理。
7.焊后消氢热处理，是指在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100℃以下时，进行的低温热处理。一般规范为加热到200-350℃，保温2-6小时。可有效的使接头金相组织得到改善，提高焊接接头的塑性、韧性，从而改善了焊接接头的综合机械性能。
三、应用实例
对某船厂的船体结构中、厚板T型焊缝依据上述方案改进后，因平焊位置对焊工操作难度较小，加上钢板预热、双面对称焊、焊后热处理等工序，也能更好的减少应力的产生，不仅改善了焊接工人的工作条件，还能有效的控制焊接质量，对多条船的厚板进行超声波检验（包括冬季），结果均合格。有力的保证了船体结构的焊接质量，也能更大程度的保证船舶的安全航行。
参考文献：
[1]船舶厚板焊接工艺-王雷（本人发明）。
[2]TWI国际焊接检验师教材。
[3]CO2气体保护焊技术（刘云龙主编）。
[4]CO2气体保护焊优点概述。
[5]船舶焊接质量检验（满家瑞）。
[6]不可忽视的焊前预热与焊后热处理。