楊偉鋒， 金 濤， 吳玉輝， 王 偉， 廖偉東， 梁錦開

(1.廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510725；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州510715)

0 引 言

在當(dāng)前國(guó)際船舶市場(chǎng)持續(xù)低迷、船舶市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的大環(huán)境下，各船舶企業(yè)為提高自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、生產(chǎn)組織等方面均采取工作優(yōu)化措施，加強(qiáng)成本控制。日本船舶企業(yè)的有關(guān)成本數(shù)據(jù)表明：船舶建造成本的67%在合同設(shè)計(jì)中確定，19%在詳細(xì)設(shè)計(jì)中確定，8%在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中確定，只有6%在生產(chǎn)階段確定[1]，設(shè)計(jì)階段降本潛力最大。在國(guó)內(nèi)，大多數(shù)船舶企業(yè)只從事生產(chǎn)設(shè)計(jì)，合同設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)則委托專門的設(shè)計(jì)院完成。船舶結(jié)構(gòu)中的全焊透、深熔焊、普通角焊縫、鑄件對(duì)接縫等焊縫的設(shè)計(jì)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段中確定，合龍口、分段內(nèi)對(duì)接縫的設(shè)計(jì)則在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中確定。設(shè)計(jì)院在焊縫設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及順利通過船級(jí)社的圖紙審查，保證船舶結(jié)構(gòu)安全。由于設(shè)計(jì)院需要面對(duì)眾多船舶企業(yè)及船舶所有人的要求，船舶企業(yè)在成本管理中對(duì)設(shè)計(jì)單位缺乏有效的考核機(jī)制，因此存在設(shè)計(jì)階段較少考慮工藝而產(chǎn)生的成本控制問題[2]。船舶企業(yè)為降低焊接作業(yè)成本，應(yīng)從減少不必要的焊接工作、改善施焊工況、采用高效自動(dòng)焊方法等方面開展優(yōu)化工作，而這些工作的開展與焊縫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，需要根據(jù)自身的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)研究產(chǎn)品船焊縫設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)，屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容則需要及時(shí)反饋至設(shè)計(jì)院進(jìn)行復(fù)核、修改，將優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)落實(shí)到送審圖中以獲得船舶所有人、船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。焊接工時(shí)約占船體建造總工時(shí)的30%～40%[3]，如何減少焊接工時(shí)、提高焊接效率是眾多船舶企業(yè)在生產(chǎn)降本提效工作中的重點(diǎn)研究課題。結(jié)合公司產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，從生產(chǎn)降本提效的角度開展焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

1 工作機(jī)制

在公司現(xiàn)有組織模式下，焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化需求由生產(chǎn)及工藝技術(shù)部門提出，工藝技術(shù)部門與設(shè)計(jì)部門、設(shè)計(jì)院共同評(píng)估其可行性及可靠性，確保其符合產(chǎn)品構(gòu)件強(qiáng)度要求及規(guī)范規(guī)定。經(jīng)驗(yàn)表明，很多設(shè)計(jì)優(yōu)化及改進(jìn)在第一版送審圖中比較容易落實(shí)，后續(xù)再修改則比較困難。對(duì)于詳細(xì)設(shè)計(jì)圖中的焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化，公司與設(shè)計(jì)院在簽訂設(shè)計(jì)合同時(shí)應(yīng)要求建立合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化反饋工作機(jī)制，要求所有圖紙須經(jīng)公司審查確認(rèn)才能發(fā)送至船級(jí)社和船舶所有人審查，公司設(shè)計(jì)部門及工藝技術(shù)部門在審查詳細(xì)設(shè)計(jì)圖時(shí)應(yīng)落實(shí)焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容的反饋。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)圖在發(fā)圖前須經(jīng)工藝技術(shù)部門會(huì)簽確認(rèn)，確保焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容落實(shí)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖中。

2 現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的應(yīng)用

受人力、場(chǎng)地、設(shè)備等資源的影響，各船舶企業(yè)的生產(chǎn)工藝會(huì)存在諸多差異。在設(shè)計(jì)階段，若提前考慮設(shè)計(jì)的焊縫盡可能應(yīng)用船舶企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，則在生產(chǎn)中遇到的很多問題或困難會(huì)提前解決，不僅船舶企業(yè)的各類資源可充分加以利用，而且可避免出現(xiàn)大量修改或返工問題，有效降低船舶企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

2.1 工藝評(píng)定

焊接技術(shù)是船舶工業(yè)的主要關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。各船級(jí)社規(guī)范均規(guī)定船上所用的焊接工藝規(guī)范(Welding Procedure Specification，WPS)在使用前須進(jìn)行焊接工藝評(píng)定并獲得船級(jí)社認(rèn)可。WPS從方案設(shè)計(jì)到取得船級(jí)社認(rèn)可，在各項(xiàng)試驗(yàn)順利的情況下需要花費(fèi)將近1個(gè)月的時(shí)間，評(píng)定費(fèi)用每項(xiàng)約2萬～3萬元。若新造船焊縫節(jié)點(diǎn)的坡口形式、間隙尺寸等要素在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能按船舶企業(yè)現(xiàn)有的WPS要求進(jìn)行優(yōu)化，則可節(jié)省可觀的工藝評(píng)定費(fèi)用，為公司的連續(xù)生產(chǎn)贏得時(shí)間。

2.2 熔敷焊縫富余強(qiáng)度

按長(zhǎng)度計(jì)算，角焊縫約占船體焊縫總長(zhǎng)度的80%～90%[4]，控制焊腳的設(shè)計(jì)尺寸可減少焊接量，從源頭上降低焊接成本。各船級(jí)社規(guī)范均規(guī)定角焊縫在設(shè)計(jì)時(shí)須考慮母材及熔敷焊縫的屈服強(qiáng)度等因素，如挪威船級(jí)社(DNV)規(guī)范規(guī)定：屈服強(qiáng)度235 MPa級(jí)別普通強(qiáng)度鋼要求熔敷焊縫的屈服強(qiáng)度最低為305 MPa；屈服強(qiáng)度265～355 MPa級(jí)別高強(qiáng)度鋼要求熔敷焊縫的屈服強(qiáng)度最低為375 MPa；使用較高等級(jí)的焊材可按規(guī)范規(guī)定的焊腳設(shè)計(jì)計(jì)算公式核減焊腳的設(shè)計(jì)尺寸。為簡(jiǎn)化焊接施工管理及降低用錯(cuò)焊材造成返工的風(fēng)險(xiǎn)，公司在普通強(qiáng)度鋼及高強(qiáng)度鋼的焊接中均使用同樣熔敷屈服強(qiáng)度最低為375 MPa的焊接工藝。公司的船舶產(chǎn)品約40%～55%角焊縫的母材是普通強(qiáng)度鋼，可根據(jù)規(guī)范規(guī)定對(duì)船體焊接規(guī)格表的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，即在焊接規(guī)格表中增加普通強(qiáng)度鋼使用熔敷焊縫屈服強(qiáng)度最低為375 MPa的焊接工藝說明及核減焊接規(guī)格表中普通強(qiáng)度鋼的焊腳尺寸。按規(guī)范規(guī)定的公式計(jì)算，普通強(qiáng)度鋼焊腳核減值為原設(shè)計(jì)尺寸的14%，公司某1 100 TEU型集裝箱船普通強(qiáng)度鋼角焊縫的焊腳初始設(shè)計(jì)尺寸為5.0～8.0 mm，最終焊腳設(shè)計(jì)尺寸可核減0.5～1.0 mm，優(yōu)化的焊接規(guī)格表獲得船級(jí)社、船舶所有人的認(rèn)可。

2.3 施工方法

在焊接施工中，平焊等施焊工況較好的坡口方向設(shè)計(jì)由于其施焊難度低、焊接效率高、焊縫成形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)備受生產(chǎn)部門的歡迎，而對(duì)接縫的坡口方向需求與船舶的建造方案密切相關(guān)，船舶企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門與生產(chǎn)單位聯(lián)系較為密切，大多可將生產(chǎn)需求落實(shí)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)院的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖一般缺乏對(duì)生產(chǎn)工藝的考慮，出現(xiàn)部分坡口節(jié)點(diǎn)不便于使用高效施工方法的現(xiàn)象，需要進(jìn)行優(yōu)化并反饋至設(shè)計(jì)院修改。例如，公司某1 100 TEU型集裝箱船掛舵臂的上、下舵承是鑄鋼件，與外殼板對(duì)接縫設(shè)計(jì)如圖1所示，鑄鋼與板材均需要開設(shè)坡口。

圖1 鑄鋼與殼板對(duì)接縫設(shè)計(jì)

首制船帶坡口的鑄鋼件來貨出現(xiàn)坡口加工不均勻、狹窄空間焊接作業(yè)困難等問題，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案：坡口僅開在船板側(cè)，并將左、右舷的節(jié)點(diǎn)分開單獨(dú)設(shè)計(jì)，左舷側(cè)的對(duì)接縫設(shè)計(jì)為雙面焊坡口，右舷側(cè)的對(duì)接縫設(shè)計(jì)為單面焊坡口。優(yōu)化的對(duì)接縫設(shè)計(jì)如圖2所示，反饋至設(shè)計(jì)院修改后續(xù)船圖紙并獲得船級(jí)社及船舶所有人的認(rèn)可。掛舵臂以左舷為基面?zhèn)仍烨掖嬖谝淮畏淼倪^程，優(yōu)化的對(duì)接縫節(jié)點(diǎn)均使焊縫處于平焊，左舷外側(cè)坡口待掛舵臂翻身后可在外側(cè)進(jìn)行碳刨清根作業(yè)，右舷對(duì)接縫設(shè)計(jì)為單面焊坡口可避免焊工進(jìn)入掛舵臂內(nèi)部狹窄空間進(jìn)行焊接作業(yè)。對(duì)掛舵臂的其他焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行相似優(yōu)化，掛舵臂焊后焊縫質(zhì)量及精度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，后續(xù)船掛舵臂建造的整體焊接工時(shí)比首制船減少16%。

圖2 鑄鋼與殼板對(duì)接縫設(shè)計(jì)優(yōu)化

自動(dòng)焊工藝方法多用于焊接量大、形狀規(guī)則及施焊工況良好的焊縫焊接，如平直部件的拼板對(duì)接縫、厚板開坡口深熔焊和全焊透、分段大合龍對(duì)接縫等，焊縫的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如能適合自動(dòng)焊的應(yīng)用則會(huì)明顯提高焊接質(zhì)量和效率。例如，公司2 038 TEU型集裝船主甲板與艙口圍腹板、舷側(cè)分段縱壁板的焊縫在中橫剖面圖中設(shè)計(jì)為雙面開坡口深熔焊?？紤]減少該節(jié)點(diǎn)在船體分段建造過程中的仰焊工作量及推廣自動(dòng)焊，對(duì)上述焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化：將腹板、縱壁板與主甲板的雙面坡口深熔焊優(yōu)化為單面坡口深熔焊，坡口朝船中方向，坡口背面設(shè)計(jì)8.0 mm填角焊縫，優(yōu)化的焊縫如圖3所示。優(yōu)化的焊接節(jié)點(diǎn)在第一版送審圖中落實(shí)修改，順利獲得船級(jí)社及船舶所有人的認(rèn)可。該焊接節(jié)點(diǎn)在分段建造時(shí)填角焊縫處于背面，在仰角焊時(shí)8.0 mm焊腳可一道成形，仰焊質(zhì)量容易保證；而坡口面處于平焊，焊接量大，焊工可使用埋弧自動(dòng)焊方法焊接，提高焊接效率。

圖3 主甲板與腹板、縱壁焊縫優(yōu)化

3 生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性

船體結(jié)構(gòu)中的角焊縫有普通填角焊縫、深熔焊和全焊透，設(shè)計(jì)的焊縫強(qiáng)度會(huì)依次增高，但施焊難度及工作量會(huì)成倍增加。詳細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)比較重要的結(jié)構(gòu)區(qū)域、受到動(dòng)態(tài)載荷影響區(qū)域、局部集中應(yīng)力區(qū)域或要求密性區(qū)域的角焊縫設(shè)計(jì)為深熔焊或全焊透，以期獲得良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命[5]。與深熔焊相比，全焊透不僅焊接量大，而且焊接施工一般需要增加氣刨、打磨、報(bào)驗(yàn)、探傷等工序，生產(chǎn)成本是前者的3～5倍。除非是船體結(jié)構(gòu)的安全必要，船舶企業(yè)均希望設(shè)計(jì)圖中盡可能使用深熔焊代替全焊透。例如，載重量為13 000 t的公司某型多用途重吊船主甲板與舷頂列板、艙口圍腹板、貨艙縱壁板的角焊縫在中橫剖面圖中均要求全焊透。在首制船分段建造過程中，每個(gè)舷側(cè)分段僅全焊透的碳刨清根及坡口打磨工作就耗時(shí)2～3 d。經(jīng)核查入級(jí)船級(jí)社規(guī)范關(guān)于船體結(jié)構(gòu)的焊接要求及全焊透應(yīng)用范圍規(guī)定，公司評(píng)估認(rèn)為上述焊縫有強(qiáng)度過度設(shè)計(jì)情況，可將全焊透優(yōu)化為深熔焊，降低生產(chǎn)成本。通過溝通，節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方案通過設(shè)計(jì)院的強(qiáng)度核算，獲得船級(jí)社認(rèn)可。船舶所有人起初不同意降低強(qiáng)度修改請(qǐng)求，后經(jīng)多層次溝通同意該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化方案。通過優(yōu)化，該型船單船可減少約750.0 m的全焊透焊縫，合計(jì)單船可節(jié)約15萬元的生產(chǎn)成本，每個(gè)舷側(cè)分段平均縮短2 d的建造周期。

全焊透不僅焊接量大，而且板材焊后變形量大，而薄板焊后波浪變形更嚴(yán)重，會(huì)帶來后續(xù)繁瑣的火調(diào)校平及報(bào)驗(yàn)工作。例如，在船體艉部結(jié)構(gòu)通常會(huì)設(shè)計(jì)圓鋼連接艉封板與外板，通過圓鋼的弧面導(dǎo)角保護(hù)系泊纜繩不受損傷。公司某1 080 TEU型集裝箱船的艉封板厚度為12.0 mm，圓鋼與艉封板、外板要求焊透。汲取其他船艉封板嚴(yán)重焊接變形的教訓(xùn)，在滿足規(guī)范要求的前提下，對(duì)焊縫的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化：將艉封板與外板通過單面深熔焊節(jié)點(diǎn)連接，用半圓鋼以普通角焊連接在艉封板上。優(yōu)化的焊縫設(shè)計(jì)如圖4所示。將優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)反饋至設(shè)計(jì)院復(fù)核并獲得采納，在第一版圖紙審查中順利獲得船級(jí)社及船舶所有人的認(rèn)可。優(yōu)化的焊縫設(shè)計(jì)焊接量減少約65%，艉封板焊后變形量符合船舶標(biāo)準(zhǔn)要求，無須火調(diào)作業(yè)。

圖4 艉封板焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化

4 施工的可操作性

全焊透、深熔焊多用于強(qiáng)受力構(gòu)件，因此船舶所有人、船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)這類焊縫的報(bào)驗(yàn)較為嚴(yán)格，要求對(duì)焊前的坡口狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，在焊接過程中會(huì)檢查焊材及焊接參數(shù)、焊工持證等內(nèi)容，焊后會(huì)檢查焊縫的尺寸、焊縫質(zhì)量等。若此類焊縫設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)不全、對(duì)施工工藝的可行性缺乏考慮，則會(huì)為產(chǎn)品的施工及報(bào)驗(yàn)帶來困難，甚至造成大量返工，增加生產(chǎn)成本。例如，載重量為32 000 t的公司某型散貨船機(jī)艙雙層底的縱桁與主機(jī)基座面板角接縫設(shè)計(jì)為全焊透，縱桁與外板的角接縫設(shè)計(jì)為深熔焊，設(shè)計(jì)院來圖的焊縫設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 主機(jī)基座縱桁焊縫設(shè)計(jì)

對(duì)于縱桁與主機(jī)基座面板間的焊接節(jié)點(diǎn)形式，文獻(xiàn)[6]中的動(dòng)載荷試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)船應(yīng)用情況表明可優(yōu)化為雙面坡口深熔焊。由于該船技術(shù)規(guī)格書有專項(xiàng)規(guī)定及船舶所有人堅(jiān)持使用全焊透，因此在圖紙中保留部位全焊透要求。為提高施工可操作性，在滿足技術(shù)規(guī)格書的前提下，對(duì)設(shè)計(jì)院來圖的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行如下優(yōu)化：

(1)將原來對(duì)稱式坡口的全焊透節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為深度1∶2的非對(duì)稱式坡口，深坡口側(cè)坡口角度改小至45°，減少不必要的焊接量；淺坡口側(cè)坡口角度改大至60°，減少后焊面?zhèn)鹊臍馀偾甯ぷ髁?；淺坡口朝向船中較寬敞一側(cè)，改善氣刨作業(yè)的工況。優(yōu)化的焊縫設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 縱桁與機(jī)座面板焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化

(2)考慮外板線型對(duì)實(shí)際坡口角度的影響，將縱桁與外板原來對(duì)稱坡口的深熔焊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為單面坡口深熔焊節(jié)點(diǎn)，坡口朝船中方向，無坡口側(cè)焊接一道角焊縫，優(yōu)化的焊縫設(shè)計(jì)如圖7所示。雙面坡口的板材在安裝時(shí)，由于外板線型自帶角度會(huì)導(dǎo)致銳角側(cè)坡口減小不能焊接和鈍角側(cè)坡口增大產(chǎn)生焊接量大增，而優(yōu)化的焊縫設(shè)計(jì)可避免出現(xiàn)這些問題。在滿足規(guī)范要求的前提下，可適當(dāng)增加坡口鈍邊以減少焊接工作量。

圖7 縱桁與外板焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化

(3)細(xì)化全焊透、深熔焊節(jié)點(diǎn)中的坡口鈍邊尺寸、裝配間隙、焊腳尺寸等標(biāo)識(shí)，為板材的坡口切割、接頭裝配、焊縫施焊及檢驗(yàn)提供明確的依據(jù)。

公司某6 000 m3型耙吸挖泥船的船舶所有人堅(jiān)持要求泥艙舷側(cè)外板與主甲板的角接縫使用深熔焊，設(shè)計(jì)院來圖的節(jié)點(diǎn)要求雙面開坡口焊。雙面深熔焊坡口一般至少需要切割2次，而該節(jié)點(diǎn)主甲板的板厚只有11.0 mm，在使用火焰方法切割雙面坡口時(shí)容易出現(xiàn)塌邊、波浪變形及鈍邊尺寸不均勻的現(xiàn)象，坡口切割精度及成形質(zhì)量難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而刨邊機(jī)加工坡口周期長(zhǎng)、效率低，許多船舶企業(yè)已停用。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及試驗(yàn)，11.0 mm板使用火焰方法切割單面坡口滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可通過對(duì)圖紙的焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化解決上述切割問題。優(yōu)化方案：將原來深熔焊節(jié)點(diǎn)雙面坡口改為單面坡口，坡口開向甲板外側(cè)，鈍邊尺寸設(shè)計(jì)為0～3.0 mm。優(yōu)化的焊縫設(shè)計(jì)如圖8所示，優(yōu)化的焊縫節(jié)點(diǎn)在送審圖中落實(shí)修改并獲得船舶所有人、船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。優(yōu)化的焊縫節(jié)點(diǎn)不僅解決薄板切割的塌邊問題，而且減少1次坡口切割工序，在坡口外側(cè)可使用CO2自動(dòng)角焊機(jī)焊接，提高焊接質(zhì)量及效率。

圖8 主甲板與外板焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化

5 結(jié) 語

通過建立有效的設(shè)計(jì)溝通反饋機(jī)制，焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化可在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段得到落實(shí)。在焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化中綜合考慮船舶企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的應(yīng)用、生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性、施工的可操作性等因素，盡可能利用船舶企業(yè)現(xiàn)有的資源，減少焊接工作量、改善施焊環(huán)境、推廣高效焊方法，可有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。