顧軍軍， 顧黎軍

(上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司， 上海 201913)

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從設(shè)計(jì)角度談大線能量焊接用鋼的應(yīng)用

顧軍軍， 顧黎軍

(上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司， 上海 201913)

大線能量焊接用鋼和雙絲垂直氣墊焊作為一種新工藝的組合，能提高生產(chǎn)效率，但鋼板和焊絲主要由國(guó)外進(jìn)口。以縮短造船周期及降低采購(gòu)成本為目的，結(jié)合材料的特性，通過(guò)計(jì)算及放樣的方式將此新工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)細(xì)化，保證在生產(chǎn)計(jì)劃之前下達(dá)訂貨依據(jù)，有效縮短造船周期，降低船企的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

大線能量焊接用鋼；設(shè)計(jì)；鋼材

0 概述

以9 400箱集裝箱船為例，在船體搭載階段，厚板的立對(duì)接焊縫長(zhǎng)度達(dá)80 m。使用常規(guī)的CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，需先進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度要求120～180 ℃，然后再進(jìn)行焊接，焊接80 m長(zhǎng)的焊縫需要640個(gè)工時(shí)，相當(dāng)于4個(gè)電焊工近1個(gè)月的工作量。在引進(jìn)雙絲垂直氣墊焊后，基本實(shí)現(xiàn)一次成型，有效提高焊接質(zhì)量，大幅節(jié)省焊接工時(shí)。但由于雙絲垂直氣墊焊的線能量太高，因此需配合大線能量焊接用鋼一起使用，且可免去預(yù)熱工序，直接使用雙絲垂直氣墊焊進(jìn)行焊接。但大線能量焊接用鋼及雙絲垂直氣墊焊焊接材料都由日本進(jìn)口，材料成本很高。如何科學(xué)合理地使用大線能量焊接用鋼及雙絲垂直氣墊焊，設(shè)計(jì)時(shí)需從多方面考慮，本文簡(jiǎn)要分析大線能量焊接用鋼在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中的控制。

1 設(shè)計(jì)階段

1.1 雙絲垂直氣墊焊

雙絲垂直氣電焊(Vertical Elector-Gas Welding with Double Wire, EGW)以CO2作為保護(hù)氣體，通過(guò)2個(gè)送絲器同時(shí)送絲進(jìn)行焊接。焊接過(guò)程中打底電極不擺動(dòng)，蓋面電極擺動(dòng)，形成的熔池金屬填滿整個(gè)坡口，并通過(guò)襯墊和水冷銅滑塊分別對(duì)焊縫進(jìn)行冷卻并使其成型，從而使立對(duì)接焊縫達(dá)到一次焊接雙面成型的效果。EGW技術(shù)對(duì)坡口精度要求較高，目前采取單邊坡口角度為10° 的V型坡口，坡口間隙控制在7～10 mm。采用EGW工藝將使焊接線能量增加，最大可達(dá)600 kJ/cm，對(duì)于母材的性能要求極高。

1.2 大線能量焊接用鋼

大線能量焊接用鋼在軋制過(guò)程中采用了熱機(jī)械控制工藝(Thermo Mechanical Control Process， TMCP)技術(shù)，使得鋼材在既不添加過(guò)多合金元素，也不進(jìn)行復(fù)雜后續(xù)熱處理的條件下，也能夠獲得足夠的強(qiáng)度和韌性。因此，鋼中的含碳量可大幅減少，從而降低碳當(dāng)量Ceq值，提高焊材的可焊性，大線能量焊接用鋼焊前也無(wú)需像正火鋼那樣進(jìn)行120℃以上的預(yù)熱。

目前，日本JFE公司采用的EWEL技術(shù)和新日鐵公司采用的HTUFF技術(shù)以及國(guó)內(nèi)寶鋼采用的氧化冶金技術(shù)等都是針對(duì)大線能量焊接用鋼焊接條件下開發(fā)的提高焊接接頭韌性的關(guān)鍵技術(shù)，且上述公司都具有批量生產(chǎn)大線能量焊接用鋼的能力。這也讓EGW在實(shí)船上的推廣應(yīng)用具備了基本條件。

1.3 生產(chǎn)設(shè)計(jì)

由于大線能量焊接用鋼及EGW具有不同的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需有針對(duì)性地考慮此類材料在生產(chǎn)階段實(shí)際應(yīng)用的情況。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

通過(guò)對(duì)板規(guī)、坡口形式、精度以及焊接材料等多方面的展開，將大線能量焊接用鋼的使用進(jìn)行設(shè)計(jì)分解，詳細(xì)描述從設(shè)計(jì)階段到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的過(guò)程。

2.1 板規(guī)控制

目前上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司鋼板起重能力為20t，預(yù)處理長(zhǎng)度為4.2m，結(jié)合以上特性，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中需嚴(yán)格控制大線能量焊接用鋼的規(guī)格，以免造成鋼板無(wú)法處理。根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的材質(zhì)板規(guī)，挑選抗扭箱區(qū)域材質(zhì)等級(jí)為EH36～EH40、厚度為55～68mm的搭載焊縫兩邊鋼板作為大線能量焊接用鋼，寬度控制在2 600mm以內(nèi)，重量控制在20t以內(nèi)。如表1所示。

表1 9 400 箱大線能量焊接用船體鋼材部分訂貨清單

由于大線能量焊接用鋼的采購(gòu)成本高，因此生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段需要將所有此類板進(jìn)行優(yōu)先套料后訂貨，保證訂貨鋼板的使用率都達(dá)到98%以上，并且在圖紙上標(biāo)明此板為大線能量焊接用鋼的字樣，防止一切可能導(dǎo)致生產(chǎn)部門使用錯(cuò)誤的情況發(fā)生，且圖面上詳細(xì)描述坡口開設(shè)的方式，并標(biāo)注零件大小、流向等信息，保證現(xiàn)場(chǎng)的切割數(shù)據(jù)完整、清晰。版圖及切割指令到達(dá)生產(chǎn)部門后，生產(chǎn)部門可按照?qǐng)D面信息及切割指令制作出正確的零件，如圖1和圖2所示。

圖1 切割版圖圖面信息

圖2 火焰切割現(xiàn)場(chǎng)以及切割邊檢查

2.2 坡口形式

由于EGW在國(guó)內(nèi)使用較少，故對(duì)其焊接的各項(xiàng)性能指標(biāo)均需重新制定。在設(shè)計(jì)階段就需要考慮使用何種焊材等級(jí)及坡口形式，以指導(dǎo)焊接試驗(yàn)室制定相應(yīng)的工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)(Welding Procedure Specification， WPS)。

根據(jù)DNV GL船級(jí)社的規(guī)范要求，此類TMCP鋼的焊材等級(jí)需高于4Y40，因此在焊接大線能量焊接用鋼(≥50 mm)時(shí)，選擇5Y40V等級(jí)的焊絲，進(jìn)一步考慮到實(shí)際生產(chǎn)及焊接質(zhì)量等因素，選擇DW-S50GTR與DW-S50GTF這2種焊絲，JN-1001作為襯墊進(jìn)行焊接試驗(yàn)。通過(guò)制作船體焊接規(guī)程表從設(shè)計(jì)源頭控制整個(gè)WPS的過(guò)程，并進(jìn)行監(jiān)控。如圖3所示。

圖3 船體焊接基本規(guī)程

完成WPS并得到船級(jí)社認(rèn)可后，將此類坡口通過(guò)編程，導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件。生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員按照規(guī)則將此類坡口建模，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)提供的參數(shù)，切割出相應(yīng)的坡口，如圖4所示。

圖4 坡口切割現(xiàn)場(chǎng)及角度檢查

2.3 精度

在鋼板理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，由于焊接過(guò)程必有收縮，在板零件上加放相應(yīng)的收縮量，使焊接完成后的板零件達(dá)到理論尺寸，并且在分段首部加放部分余量供搭載階段進(jìn)行修正。

2.4 焊接材料

減少焊材的浪費(fèi)也是設(shè)計(jì)階段必須考慮的因素之一，設(shè)計(jì)對(duì)EGW的焊縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)焊材消耗的單位面積的計(jì)算方式：

式中：W為焊接材料需求量，g；A為截面積，cm2；ρ為密度，g/cm2；一般情況下，碳鋼密度為7.8g/cm2，Cr-Ni不銹鋼為7.9g/cm2，Cr-Ni-Mo不銹鋼為8.0g/cm2，鎳及鎳合金為8.9g/cm2;η為熔敷效率，一般情況下，焊條為55%，TIG/MIG/MAG/CO2為95%，藥芯焊絲為85%，埋弧焊絲為99%。

焊接截面積一般可分為對(duì)接形式及角接形式：

(1) 對(duì)接形式。如圖5所示。

圖5 對(duì)接形式

(2) 角接形式。如圖6所示。

圖6 角接形式

根據(jù)上述計(jì)算方法，并結(jié)合船體結(jié)構(gòu)中所用到的垂直氣墊焊區(qū)域面積，進(jìn)行定額核算。表2為焊接長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)。

表2 EGW焊接長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì) m

3 結(jié)論

在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要多方面考慮問(wèn)題，將未使用過(guò)的材料及使用量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。大線能量焊接用鋼從訂貨開始，都是進(jìn)口產(chǎn)品，訂貨周期較長(zhǎng)。因此，通過(guò)以上幾個(gè)方面的考慮，將工藝、訂貨量層層分解，提供訂貨相應(yīng)的依據(jù)，保證訂貨的同時(shí)，也控制了成本，以達(dá)到精藝設(shè)計(jì)的目的。

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2010.

[2] 郭桐.優(yōu)質(zhì)大線能量焊接用高強(qiáng)船板的開發(fā)[J].寬厚板，2005,11(3):42-47.

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Application of Large Energy Welding Steel from Design Perspective

GU Junjun, GU Lijun

(Shanghai Jiangnan Changxing Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

Double wire vertical electro-gas welding and steel for high input energy welding are combined as a new process, which can improve production efficiency. But the steel and welding wire is mainly imported from abroad. In order to shorten the shipbuilding cycle and reduce the purchase cost, combined with the characteristics of the material, the design and refinement of the new process are carried out by means of calculation and lofting. It can ensure that the order is issued before the production plan is issued. This project can effectively shorten the shipbuilding cycle, reduce the production costs and improve economic efficiency.

high input energy welding； design； steel

顧軍軍(1984-)，男，工程師，從事船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)等工作

1000-3878(2017)03-0076-05

U671

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