何蘊哲， 徐 立

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

0 引 言

大型船舶的設(shè)計壽命一般不低于25 a，例如液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)運輸船的設(shè)計壽命為40 a。在船舶設(shè)計時，對大型船舶高應力區(qū)和關(guān)鍵疲勞節(jié)點會進行嚴格的計算分析，一些節(jié)點的疲勞計算壽命較其他節(jié)點低，并接近設(shè)計壽命，因此需要針對這些節(jié)點制訂特殊的結(jié)構(gòu)形式和建造工藝。某大型船舶在設(shè)計建造階段，對船體結(jié)構(gòu)中的凸形甲板、橫艙壁、水平縱桁等不同位置15個節(jié)點進行控制、測量和記錄，以確保船體結(jié)構(gòu)強度和疲勞性能符合設(shè)計要求。對于這些控制節(jié)點中的關(guān)鍵位置，會通過裝配控制、打磨等方法對結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞強度進一步改善。與其他常用的提高結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞強度的方法相比，鎢極氬弧(Tungsten Inert Gas，TIG)重熔是一種操作簡便、質(zhì)量可控的工藝，可有效提升焊接接頭的疲勞強度，造成的環(huán)境污染更少。

1 提高結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞強度的方法

1.1 提升裝配精度

提升構(gòu)件的裝配精度可改善結(jié)構(gòu)應力分布，降低應力集中水平，進而提升結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞性能。根據(jù)船舶設(shè)計階段對疲勞強度的計算分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)監(jiān)控節(jié)點按照1/4最小板厚且不大于5.0 mm的裝配誤差進行控制，高于中國造船質(zhì)量標準(CSQS)與IACS REC.47主要構(gòu)件裝配精度不超過1/3最小板厚的要求。典型結(jié)構(gòu)節(jié)點的裝配精度控制如圖1所示。

圖1 典型結(jié)構(gòu)節(jié)點的裝配精度控制

1.2 焊后熱處理

焊接殘余應力是所有焊接結(jié)構(gòu)均具有的特性，焊后熱處理可消除一定量的焊接殘余應力，改善結(jié)構(gòu)疲勞強度，并可降低疲勞裂紋產(chǎn)生后的擴展速率。受制于船廠施工環(huán)境和條件，現(xiàn)場無法對大批量焊縫進行有效的熱處理，因此這一方法僅在鑄鋼材料等少數(shù)結(jié)構(gòu)件焊接時應用，尚未在關(guān)鍵節(jié)點區(qū)的焊縫上使用。

1.3 改善焊縫幾何形狀

焊趾處過渡圓弧的出現(xiàn)改善了焊縫截面積形狀，可降低焊接處應力集中系數(shù)。有限元軟件ANSYS計算簡化模型如圖2所示，分別對結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷和彎曲載荷，并分析焊趾傾角θ和焊趾圓弧半徑與板厚比r/t對應力集中系數(shù)的影響。

圖2 有限元計算模型及網(wǎng)格圖

隨著r/t的增大，結(jié)構(gòu)應力集中系數(shù)Kt相應減小，在各載荷形式下r/t值為0.01～0.10，Kt減幅為40%～50%[1]。r/t與Kt的關(guān)系如圖3所示。

圖3 r/t與Kt的關(guān)系

1.3.1 機械加工

對焊縫表面進行機械加工可使焊縫表面形狀趨于理論情況，消除焊縫表面形狀缺陷，大幅降低應力集中水平，提升疲勞性能。但機械加工成本高、設(shè)備復雜，施工條件、工裝要求高，不適宜在船體結(jié)構(gòu)建造中使用。

1.3.2 打 磨

對局部高應力集中區(qū)，采用打磨的方式改善焊縫形狀、消除焊縫表面缺陷是經(jīng)濟且可行的方法之一。實肋板與內(nèi)殼結(jié)構(gòu)連接處是應力水平相對較高的位置，是疲勞強度校核的重點位置之一，應力分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 應力分析結(jié)果

典型節(jié)點焊縫通常要求將焊腳尺寸適當加大，并將焊縫打磨光順，做到圓弧過渡，改善焊縫形狀特性，提升疲勞強度。典型節(jié)點焊接要求如圖5所示。

圖5 典型節(jié)點焊接要求

對焊縫進行圓弧打磨在船舶建造過程中被大量應用，該方法成本低，施工靈活方便，但粉塵、噪聲污染大，人力資源投入多，打磨后焊縫成型受人為因素影響大，焊縫表面圓弧度不易控制。

1.4 焊后重熔

對焊趾區(qū)域進行重熔處理可大幅提高焊接接頭的疲勞強度。重熔焊縫的幾何形狀得到改善，焊趾結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，重熔前后焊縫形狀如圖6所示。另一方面，焊趾區(qū)金屬經(jīng)歷一次重新結(jié)晶過程，晶粒細化，微小夾渣、裂紋等缺陷被消除，最終提高焊接接頭的疲勞強度[2]，重熔前后焊縫晶粒結(jié)構(gòu)如圖7所示。重熔工藝在部分海洋工程設(shè)施、鐵路機車結(jié)構(gòu)件中已被應用，船舶建造行業(yè)已逐漸引入該工藝。目前，大型船舶在建造過程中對裝配精度進行全面控制，關(guān)鍵區(qū)域焊縫焊后重熔技術(shù)已全面使用。

圖6 重熔前后焊縫形狀對比

圖7 重熔前后焊縫晶粒結(jié)構(gòu)對比

2 TIG重熔工藝應用

2.1 TIG重熔工藝

大量研究表明，在焊趾表面、母材靠近熔合線0.5 mm處一般存有熔渣等缺陷，焊趾表面還有微夾渣、微裂紋等缺陷，這些缺陷較尖銳，相當于疲勞裂紋提前萌生或成核。焊趾處的焊縫向母材過渡不圓順、不光滑造成的應力集中加劇疲勞裂紋提前萌生或成核。在焊接過程中形成的焊接殘余拉應力，在大多數(shù)情況下對接頭疲勞壽命有不利影響。這些不利因素的綜合作用使焊趾成為疲勞裂紋的萌生地、焊接接頭抗疲勞的薄弱環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外已研究成功多項提高焊接接頭疲勞強度的技術(shù)，TIG重熔就是其中一項。TIG重熔工藝在氬氣保護下，利用鎢極與工件之間的電弧熱對母材和原有焊縫的熔敷金屬進行再次熔合，排除周圍空氣中氧、氮、氫等氣體對重熔金屬的影響，可保證重熔金屬的致密，大幅減少或基本消除微裂紋、微夾渣。同時，焊趾處的焊縫金屬與母材之間形成光滑過渡，減小應力集中，大幅提高焊接接頭的疲勞強度。TIG重熔工藝擁有質(zhì)量穩(wěn)定、操作方便、環(huán)境友好等優(yōu)勢，自20世紀80年代起在鐵路、海洋工程等領(lǐng)域展開應用。

2.2 工藝操作規(guī)程

參與TIG重熔操作的焊工，必須持有船級社頒發(fā)的氬弧焊類焊工資格證書。在進行熔合前，參與TIG重熔操作的焊工必須進行TIG重熔操作資格認證并得到船級社認可。操作規(guī)程如下：

(1)在操作前，焊工必須清除重熔區(qū)域及兩側(cè)50.0 mm內(nèi)的氧化物、鐵銹、水分、油污等，原有焊縫表面缺陷應進行符合規(guī)定的修復。

(2)在操作前，原焊縫表面應盡可能打磨平整，如圖8所示。

圖8 原焊縫表面的處理

(3)為防止重熔區(qū)域脆化，影響焊縫強度，在操作前須對重熔區(qū)域進行預熱，預熱溫度為100～120 ℃，并對預熱過程進行記錄和存檔。

(4)在進行重熔時，鎢極與鋼板角度應保持在60°～90°，與重熔方向傾斜不超過10°，焊槍與焊趾部位間距P應保持0～2.0 mm，如圖9所示。

圖9 焊槍的傾斜角度

(5)焊接參數(shù)可參照表1中的推薦值，其中：焊接電流應盡可能小，以減少熱輸入量，在實際操作中電流一般控制在100～120 A。

表1 氬氣保護焊焊接參數(shù)推薦值

(6)重熔區(qū)域在焊后應進行100%磁粉探傷檢測。

2.3 工藝認可與試驗

在進行工藝認可前，原有角焊縫應進行目檢和無損探傷，保證原焊縫不存在不可接受的焊接缺陷，角焊縫的TIG重熔工藝認可應進行宏觀檢驗、硬度測定和無損探傷。

焊縫斷面按照文獻[3]進行宏觀腐蝕試驗，焊縫成型良好，有足夠的熔深，無裂紋和未熔合缺陷。試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 宏觀腐蝕試驗結(jié)果

鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)硬度應按照文獻[4-5]在圖11中的對應位置進行硬度測量(維氏硬度HV10標準)。

圖11 硬度測量點

對最小屈服強度≤420 N/mm2的鋼材，測定結(jié)果一般應不超過HV350；對420 N/mm2<最小屈服強度≤690 N/mm2的鋼材，測定結(jié)果應不超過HV420。硬度測量結(jié)果如表2所示。

表2 不同測量點硬度測量結(jié)果

綜上所述，經(jīng)TIG重熔工藝處理的焊縫性能符合規(guī)范要求。

2.4 建造中的操作要點

(1)在船塢施工過程中去除氧化物等可能影響焊縫質(zhì)量的雜質(zhì)尤其重要，可能存在的交叉作業(yè)和高處焊接作業(yè)掉落的焊渣均會影響TIG重熔質(zhì)量。

(2)在工藝認可試驗中，在TIG重熔前對焊趾區(qū)域焊腳適度加大，重熔焊縫成型會更光順，具有更好的幾何形狀，在實際應用中已達到理想效果。

(3)焊槍的位置在TIG重熔過程中應嚴格控制，否則得不到預期的焊縫幾何形狀。在操作時，焊槍的適當擺動有利于獲得更好的重熔區(qū)幾何形狀；向焊縫方向擺動時，速度可稍慢一些，使重熔區(qū)和原焊縫金屬充分熔合，邊緣光順；向母材方向擺動時，速度應稍快一些，使重熔區(qū)獲得更好的圓弧形狀，與母材均勻過渡。焊接電流應盡可能相對偏小，以降低熱輸入量，降低焊接應力集中。

(4)氬氣本身無毒，但在質(zhì)量分數(shù)較高時有窒息作用?？諝庵械臍鍤赓|(zhì)量分數(shù)在超過33%時有窒息危險，在超過50%時出現(xiàn)嚴重癥狀，在超過75%時可在數(shù)分鐘內(nèi)致死。在TIG重熔施工時應保持空氣流通，對氬氣質(zhì)量分數(shù)進行檢測，嚴格按照安全規(guī)程進行操作。

3 結(jié) 語

隨著船舶設(shè)計壽命越來越長，船體關(guān)鍵節(jié)點的疲勞性能越來越被重視。TIG重熔工藝通過改善焊縫幾何形狀特性提升結(jié)構(gòu)疲勞強度，擁有操作簡單、效果可控、安全環(huán)保等優(yōu)點。所制訂的TIG重熔工藝標準不僅使船廠可順利實施TIG重熔，改善結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞強度，而且保證類似LNG運輸船可具有滿足結(jié)構(gòu)疲勞強度計算要求的較長疲勞壽命。經(jīng)TIG重熔處理的船體結(jié)構(gòu)在船舶營運中的表現(xiàn)可作為規(guī)范制訂和船舶設(shè)計的參考。