董明海， 陳倩清， 韓晨健， 劉　猛， 郭永升

(1.浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316021； 2.中國船級社 舟山辦事處, 浙江 舟山 316000； 3.浙江增洲造船有限公司, 浙江 舟山 316000; 4.舟山長宏國際船舶修造有限公司, 浙江 舟山 331600)

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船用導(dǎo)流管裝焊質(zhì)量與變形控制研究

董明海1， 陳倩清1， 韓晨健2， 劉猛3， 郭永升4

(1.浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316021； 2.中國船級社 舟山辦事處, 浙江 舟山 316000； 3.浙江增洲造船有限公司, 浙江 舟山 316000; 4.舟山長宏國際船舶修造有限公司, 浙江 舟山 331600)

摘要為了提高螺旋槳的工作效率，在船舶節(jié)能設(shè)計中常采用導(dǎo)流管作為船舶推進的輔助設(shè)備，在船舶航行采用低航速主機高負荷運轉(zhuǎn)時，導(dǎo)流管能夠起到增大推力的作用，以提高推進效率。然而用于導(dǎo)流管的焊接技術(shù)復(fù)雜，一些中小型船廠在生產(chǎn)導(dǎo)流管時的精度得不到控制，易延長生產(chǎn)周期，影響生產(chǎn)進度。本文從現(xiàn)有的船舶導(dǎo)流管焊接過程中的焊接精度角度分析，希望從焊前準(zhǔn)備、焊中控制以及焊后處理等多方面探求提高船用導(dǎo)流管裝焊精度的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞導(dǎo)流管裝焊技術(shù)胎架設(shè)計焊接參數(shù)

0引言

為了提高螺旋槳的工作效率，在船舶節(jié)能設(shè)計中常采用導(dǎo)流管作為船舶推進的輔助設(shè)備，在船舶航行采用低航速主機高負荷運轉(zhuǎn)時，導(dǎo)流管能夠起到增大推力的作用，以提高推進效率。通常在拖輪上常使用這種設(shè)置了導(dǎo)流管的螺旋槳，另外在一些限制吃水的船舶上，也有使用。導(dǎo)流管是一個整體環(huán)形結(jié)構(gòu)，安裝于尾部螺旋槳軸向和徑向的同一個對稱的剖面上，以達到使用目的。現(xiàn)有的船舶導(dǎo)流管在焊接的過程中如果直接對焊會造成如下問題：(1) 焊接完成的導(dǎo)流管內(nèi)壁板易產(chǎn)生焊接變形，其尺寸值與圖紙設(shè)計值偏差過大，產(chǎn)品的制作精度達不到要求；(2) 導(dǎo)流管內(nèi)壁板達不到圖紙制作要求的尺寸，橢圓度大。(3) 焊接變形后，一旦發(fā)現(xiàn)與螺旋槳之間的尺寸超差，必須進行修復(fù)，需把原有的焊縫全部清除干凈再重新進行焊接，這就造成產(chǎn)品材料、工時的很大浪費，不僅延長了生產(chǎn)周期，影響了生產(chǎn)進度，并影響了船舶的交船時間。由于在導(dǎo)流管使用的生命周期中，常常處于高負荷高應(yīng)力的工作狀態(tài)，因此對導(dǎo)流管的腐蝕問題也是在造船時需要考慮的重點之一，對導(dǎo)流管制造工藝也提出了特殊的要求。文中以4 000 PS海洋工程支持船導(dǎo)流管為研究對象，介紹該工程船導(dǎo)流管裝焊質(zhì)量與變形控制研究。

1導(dǎo)流管焊接胎架設(shè)計研究

導(dǎo)流管和人字架裝焊技術(shù)作為研究的主要內(nèi)容，應(yīng)用船舶專業(yè)分析軟件實現(xiàn)船舶導(dǎo)流管與人字架的焊接變形與殘余應(yīng)力分析。利用其分析結(jié)果作為結(jié)構(gòu)制造中的反變形量值，通過工裝設(shè)備、胎架的合理設(shè)計、制造，推廣采用高效的焊接技術(shù)，并結(jié)合優(yōu)化的裝配與焊接工藝，同時在制作胎架時設(shè)置無縫管和工字鋼的支撐，以達到控制結(jié)構(gòu)整體變形的目的，可有效減少船舶導(dǎo)流管和人字架焊后變形的矯正成本、工時、材料、提高裝配焊接精度。圖1為導(dǎo)流管胎架設(shè)計圖。

圖1　導(dǎo)流管胎架設(shè)計圖

胎架制作過程中采用傳統(tǒng)的工藝雖然放樣簡單，但誤差較大，難以做到對制作過程質(zhì)量的控制和保證，故只能采用多放樣修割余量的方式進行下料。而兩塊對接曲板的線型也較難吻合，需由現(xiàn)場工人按照實際線型反復(fù)修割打磨，不僅浪費了大量的人力、物力，還延緩了工程進度，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量與美觀。經(jīng)過研究分析，研究團隊成員運用三維制圖軟件及其插件對生產(chǎn)工藝進行了改進，得以有效地解決這個難題，并達到了零余量下料的成果。圖2為相關(guān)改進后的胎架形式與基準(zhǔn)面的選取。關(guān)于導(dǎo)流管材料的選擇問題，導(dǎo)流管材料通常為雙曲板(馬鞍型曲面)，其結(jié)構(gòu)決定了它不會是一塊整板加工而成，因此一般會按照圖紙將雙曲板分割為若干塊。分割單元大，可以減少焊接工作量，但也增大了放樣的難度，且相對的放樣鋼模也需制作較大，成本也就越高；相反分割單元小易使焊縫過多，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3所示為導(dǎo)流管胎架的制作圖具體由導(dǎo)流管的大小、鋼模的尺寸以及焊縫線的分布決定。根據(jù)經(jīng)驗，在圖上先畫好板縫線分布圖，以防止出現(xiàn)交焊縫和貼近焊縫。胎架是船體分段裝配與焊接的一種專用工藝裝備，必須有一定的強度和剛性，且胎架型值所形成的工作面應(yīng)與結(jié)構(gòu)外形相貼合。導(dǎo)流管的雙曲板(馬鞍型曲面)為保證其數(shù)值要求[1]，必須采用特定的胎架。

胎架由支柱、胎板、桁架三部分組成，根據(jù)導(dǎo)流管的特殊外形，胎架精度需進行嚴格的控制，精度控制在±1.5 mm，胎架形式還需要進一步優(yōu)化。為此設(shè)計、制作適用于導(dǎo)流管專用胎架的一種特殊形式的胎架。采用一種混合形式的胎架，胎板和支柱[2]，為使其整體吊裝于主船體，同時確保裝配的快捷、準(zhǔn)確，在胎架上安裝精度儀，且固定設(shè)置的撐環(huán)板連接可伸縮變化的撐桿，在主桿上設(shè)置棘輪棘爪限位裝置。此精度儀安裝在合理的位置，方便取放，當(dāng)船用導(dǎo)流管進行吊裝時，安裝的精度儀即可打開捕捉主桿與螺旋槳軸線進行精度控制，當(dāng)主桿與輸出軸在同一水平高度時，即可進行整體裝配。為再次測量確認精度，設(shè)置刻度尺，裝焊前后都要對導(dǎo)流管進行測量，使用結(jié)束后，此尺即可自動卷動收回，便于重復(fù)使用，更進一步地確保螺旋槳的精度。工裝完工以后，可不拆除胎架，讓胎架起到在與其他工裝遇到碰撞時，使其產(chǎn)生變形的保護作用。當(dāng)裝配螺旋槳時，讓處于卡死的棘爪調(diào)節(jié)離卡狀態(tài)，再次調(diào)節(jié)棘輪，讓棘輪作逆時針轉(zhuǎn)動并帶動半徑尺寸的變小，吊出導(dǎo)流管胎架，裝配螺旋槳。導(dǎo)流管胎架工裝，在平臺裝配后，整體吊裝于主船體，尺寸準(zhǔn)確，保證了導(dǎo)流管內(nèi)壁與螺旋槳之間的尺寸不超差，避免了返工現(xiàn)象，有效地完成了船體裝配，節(jié)約了生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本。

圖2　改進后的胎架形式與基準(zhǔn)面的選取

圖3　胎架外形圖

2導(dǎo)流管及組件裝焊技術(shù)

2.1導(dǎo)流管中心線的確定

在導(dǎo)流管裝配和焊接之前，首先需要確定導(dǎo)流管的中心線。方法是先找出軸轂的中心線，再根據(jù)圖紙?zhí)峁┤俗旨芏ㄎ粩?shù)據(jù)及軸線的定位數(shù)據(jù)，參照軸系拉線工藝對人字架進行定位，確定導(dǎo)流管中心線的位置。然后通過此中心線來確定和制作導(dǎo)流管的兩個端面。如表1所示。

表1　軸系的中心定位數(shù)據(jù)

中心線的位置也可采用幾何學(xué)知識來確定，可先假定一個圓心為O的圓，然后測出C、D、E不同位置的半徑R1、R2、R3等。通過工程員的繪制圖紙，可得出導(dǎo)流管中心的測量情況，如圖4所示。通過比較確定整個圓柱面在哪個方向失圓，再綜合C、D、E三個剖面處的圓心，即可得出整個導(dǎo)流管的中心線，通過全站儀工程人員做好標(biāo)記和記載，為后續(xù)工作開展提供數(shù)據(jù)。

圖4　導(dǎo)流管中心的測量

在測量裝置主軸上安裝激光器，激光器發(fā)出光束被PSD位置敏感光電器件接受，可根據(jù)激光斑點在光電器件的位置計算出裝置中心偏離孔中心的角度，PSD位置敏感光電器件可對其進行定心矯正，保證其精度及可靠性[3]。

2.2導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)形式與材料化學(xué)成分分析研究

導(dǎo)流管、人字架、舵、螺旋槳直接相互配合，其結(jié)構(gòu)形式如圖6(a)所示,人字架為鍛鋼件，由上支臂，下支臂，槳轂及導(dǎo)流管支臂組焊而成，預(yù)制件重量約14 t，人字架軸轂和三個支臂獨立供貨。由企業(yè)負責(zé)裝焊成型，三件支臂開剖口形式經(jīng)大量數(shù)據(jù)分析，如圖5所示，由企業(yè)加工車間開剖口。

圖5　焊接剖口圖

實際生產(chǎn)中雖然可通過選擇合理的裝配與焊接工藝的方法減少焊接產(chǎn)生的問題和對結(jié)構(gòu)的損壞，但在結(jié)構(gòu)形式和焊接方法一定的前提下，焊接變形能夠調(diào)整的范圍非常有限。對于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的超差變形，生產(chǎn)中常采用機械矯正法和火焰矯正法等進行矯正,而焊接變形的矯正極為耗時費力，對于比較復(fù)雜的變形，矯正的工作量可能比焊接的工作量還要大，此外采用加熱的方法矯正焊接變形的工藝往往還會引起結(jié)構(gòu)材料的脆化，產(chǎn)生裂紋，造成低應(yīng)力破壞。尾軸轂、尾軸支架導(dǎo)流管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,環(huán)焊縫材質(zhì)與管體相同[4]，其化學(xué)成分、機械性能分析如表2、表3所示。

表2　尾軸轂、尾軸支架導(dǎo)流管材料的化學(xué)成分

表3　鑄造件的機械性能分析

要解決船舶導(dǎo)流管在焊接過程中產(chǎn)生的一系列問題如裂紋、氣孔等，施加反變形量(補償量)選擇適當(dāng)?shù)暮附悠士谑亲罴逊桨?。首先需做好前期?zhǔn)備工作從導(dǎo)流管、人字架結(jié)構(gòu)布置圖進行分析(見圖6)，船舶導(dǎo)流管組件主要有導(dǎo)流管本體、美人架(也叫人字架)、后軸轂三個部分組成，在本體內(nèi)部，通過焊接軸向環(huán)部的小肘板來提高其結(jié)構(gòu)強度。

圖6　船舶導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)布置圖

2.3焊接參數(shù)的改進及技術(shù)要求

人字架的鍛鋼件厚度為180 mm，與槳轂角焊縫要求全焊透。焊接時關(guān)鍵控制打底焊的質(zhì)量，打底焊選用直徑為3.2 mm，牌號為J507低氫鈉型焊條,中間層及蓋面層采用直徑1.2 mm，牌號為TWE-711 CO2藥芯焊絲(根據(jù)焊接評定結(jié)果定)。焊縫兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)剖口清理及預(yù)熱,預(yù)熱溫度150℃～200℃。第一層打底焊用小電流,小直徑焊條緩慢打底,至1/3厚度處時采用 CO2焊接,中間層焊接時每層焊縫用風(fēng)鏟進行振動清渣,并可控制層間溫度,焊接完工后繼續(xù)加熱,溫度保持在250℃以上,用小錘敲打焊縫部位,力度適中，時間約1 h。用100 mm耐熱石棉包袱整個構(gòu)件5 h以上,24 h后進行UT探傷，最后得出相關(guān)評定材料。

導(dǎo)流管內(nèi)殼板同環(huán)形隔板的連接采用雙面連續(xù)填角焊，坡口形式如圖7所示，一般較淺的焊縫坡口加工主要是利用碳極端頭弧柱面高溫熔化金屬, 達到加工的目的[5]。外殼板與環(huán)形隔板采用連續(xù)焊，在表面焊接完成后，必須對反面焊縫進行清根。在交界處的焊縫中, 由于兩種母材相互混合形成脆硬的馬氏體組織,對裂縫是很敏感的[6]。

圖7　導(dǎo)流管內(nèi)殼板焊接坡口

技術(shù)要求：(1) 采用連續(xù)焊接，按工藝文件要求焊接及檢驗；(2) 焊后要進行去除應(yīng)力處理；(3) 焊縫不得有裂紋、雜質(zhì)、氣孔等缺陷，所有的水下焊接件應(yīng)進行水密檢驗；(4) 簡體內(nèi)外壁涂漆，涂漆前噴砂處理表面；(5) 不銹鋼板焊后進行酸性鈍化；(6) 焊接前個子件的加工表面和切割表面的粗糙度不得低于12.5；(7) 15 min的氣壓試驗，試驗壓力為0.03 MPa，無泄露； (8) 焊縫做超聲波探傷，超聲波探傷按EN10228-3和IACS2000-60執(zhí)行。圖8為導(dǎo)流管和人字架的焊接。

圖8　導(dǎo)流管和人字架的焊接

3小結(jié)

本文從船舶導(dǎo)流管焊接過程中的焊接精度角度出發(fā)，指出導(dǎo)流管胎架設(shè)計直接影響到了導(dǎo)流管的焊接精度，針對導(dǎo)流管及其組件的裝焊精度問題，從焊前對位、焊接材料選擇以及焊接參數(shù)控制等幾個方面提出了改進焊接精度的方法，對船廠的導(dǎo)流管裝焊生產(chǎn)活動具有指導(dǎo)意義。

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A Research on Welding Quality and Deformation Control of Honeycomb Duct

DONG Ming-hai1, CHEN Qian-qing1, HAN Chen-jian2,LIU Meng3, GUO Yong-sheng4

(1.Zhejiang International Maritime College， Zhoushan Zhejiang 316021, China;2. Zhoushan Office of China Classification Society， Zhoushan Zhejiang 316000, China;3. Zhejiang Zengzhou Shipbuilding Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 316000, China;4.Zhoushan Changhong International Shipyard Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 331600, China)

AbstractIn order to improve the efficiency of propeller, it always goes with the honeycomb duct system to be the auxiliary equipment of ship propulsion in design. It can increasing thrust when engine in high load and low speed. But the technology of welding become complex, some shipbuilding company can't handle the precision which affectting the production schedule. The passage comes with existing problems in welding of the honeycomb duct, searching the key technology of increasing accuracy of welding the system in preparation, controlling, treatment three aspects.

KeywordsHoneycomb ductFabrication technologyFrame designWelding parameters

中圖分類號U671

文獻標(biāo)志碼A

作者簡介：董明海(1979-)，男，講師，研究方向為船舶工程。

基金項目：舟山市科技項目(2014C31053)。