高效焊接在船舶管系制造中的发展及应用_张守强.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言船舶管系作为确保船舶动力装置、压载系统、甲板设备以及一系列生活设施正常运转的关键设备，同时也与船舶自身航行安全性存在密切关系，其会直接对船舶的使用寿命产生影响，因此有关船舶管系的焊接问题备受业内人士的关注与重视。船舶管系建造涉及到管件设计生产、制作加工、焊接施工、表面处理以及管路安装等一系列技术工程，是船舶结构建造中非常核心的构成部分之一1。尤其是在船舶管系建造过程中，焊接技术的应用及对焊接质量的控制被视作是整个船舶建造的“命脉”。以常规动力船舶为例，燃油系统、船用锅炉管系、大功率柴油机与燃油系统管系等均属于高温、高压管系。在焊接过程中裂纹、焊缝等问题的产生会对船舶的安全运行产生非常不良的影响，近代船舶类型增多，还涉及到液化石油气船、液化天然气船等特种化学品运输船舶，在具体使用中这些船舶的危险系数高，焊接质量更是对船舶的运行安全产生直接影响2。1 船舶管系对焊接质量的要求船舶管系焊接质量应形成一套行业标准，对焊接施工的各项操作进行规范与约束。一般情况下，按照权威船级社规定的使用标准执行质量控制内容，其中涉及到大量船舶管系结构材料、焊接工艺实验、焊接材料以及焊接指令技术标准等3。以焊缝外观质量为例，对于低合金高强度钢管件全位置对接焊缝外观而言，表面平整高效焊接在船舶管系制造中的发展及应用张守强（黄海造船有限公司，山东 威海 264309）摘 要：本文对船舶管系焊接技术相关问题进行分析，首先明确船舶管系对于焊接质量的严格要求，然后对船舶管系焊接技术应用现状进行分析，在此基础之上指出当前船舶管系焊接过程中存在的主要问题与质量缺陷，最后对船舶管系焊接技术应用问题进行分析，希望能够引起业内人士的关注，同时通过焊接技术的发展，推动船舶制造质量的进步。关键词：船舶管系；焊接技术；船舶结构中图分类号：U664.84 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.021引用格式 张守强.高效焊接在船舶管系制造中的发展及应用 J.船舶物资与市场,2023,31(3):68-70.度高，焊缝余高合理的接头一般难以通过手工焊接工艺的方式实现，因此主要通过自动焊管机焊管取代传统手工焊管作业模式。主要依据在于：1）手工焊管质量完全受操作人员经验水平影响，2）焊接接缝外观难以满足船级社规定标准与要求4。在对自动焊管机进行使用的过程中，除针对截面积 10.0 200.0 mm 船用细管径而言具有一定技术优势以外，对于截面积在 500.0 1500.0 mm 的大管径焊管有着相同的优势，全位置自动焊管机对大管径焊接作业同样具有良好的适应性。基于大管径自动焊管机焊接的不锈钢管焊缝美观规整，焊缝所对应的热影响区有限。从这一角度上来说，自动焊管机不但能够实现焊接管-管对接缝，同时也能够实现焊接管-法兰盘对接缝。船舶管系焊接作业涉及到大量现场的工作，虽然船舶现场焊接条件相对车间较低，但对现场管系焊接质量的要求同样相当严格。在此过程中，制造厂商面向甲方提供一系列有关不锈钢容器以及管系的焊缝外观照片作为备案，同时第三方质量监督管理人员还需要经常性的针对管系焊接质量进行检查，以确保焊接质量达到理想状态5，6。2 船舶管系焊接技术应用现状1）焊接方法处于持续优化的状态。焊接材料以及焊接设备的开发速度不断加快，焊接工艺持续发展与成熟，应用于船舶管系的焊接技术与方法得到了改进以及优化发展。目前技术条件之下，通过对 CO2气体保护角焊自动或半自动方法的成功应用，大大促进了焊接工作效率收稿日期：2022-12-23作者简介：张守强（1985-），男，本科，工程师，研究方向为船舶轮机工程。第 3 期 69 的提升，对整个船舶管系焊接工艺的快速发展都有着非常显著的促进作用。2）投入船舶管系焊接作业的相关材料呈现出优质化的发展趋势。船舶制造过程中焊接工艺的逐步推进与发展带动了焊接材料的更新与升级。在国内船舶建造过程中，主要应用电极、CO2气体保护焊丝以及埋弧焊焊接材料，各大船舶制造企业手工焊条以及焊接材料的生产应用持续更新发展，双丝埋弧自动焊接应用经验更加成熟，国内焊接材料逐步替代进口焊接材料，焊丝本地化用量持续性增长，相关性能也不断被优化。3）新一代焊接工艺技术方案在船舶管系焊接领域中得到应用与推广。船舶建造企业对国外先进技术进行积极学习与研究，引入了装配以及焊接生产线，对自动焊接单面焊双面成型的技术进行发展与更新，同时形成基于半自动或全自动的平面焊接船体分段的体系结构器件以保护角焊接工艺7。4）焊接设备呈现出自动化以及机械化的发展趋势。在焊接过程中，针对船舶管系建造的焊接设备更换速度不断加快，原焊接过程中选用的旋转式直流弧焊接机被逐步淘汰，基于新一代的 CO2气体保护焊机应用更加广泛8。各大船舶制造厂商广泛应用 SCR 以及 CO2气体保护焊接设备，在不影响焊接质量的同时，节约焊接耗材、降低焊工数量、控制焊接成本，对焊接工艺的发展以及船舶管系焊接质量的提升产生深远的影响。3 船舶管系常见焊接问题3.1 气孔在焊接过程中，熔池内气泡在凝固状态下未能够及时溢出，导致大量残留进而形成空穴即焊接气孔。受此因素影响，焊缝强度水平会明显下降，焊缝自身密闭性也会大大降低，导致焊接接缝的有效面积下降。此问题通常在以下 2 种情况下生成：1）在高温状态下的液态金属中发生溶解反应，受气体突然下降影响溶解度；2）在液态金属气体中发生溶解，主要受锈蚀、剥落等因素的影响，导致焊接速度过快，产生焊接电流过大以及焊条未烘烤等问题。3.2 咬边在船舶管系焊接过程当中，受操作工艺不当或对焊接参数选择不当因素的影响，使焊接金属无法对母材焊根所对应的熔化凹槽进行填满，导致焊缝边缘形成凹陷，这种凹陷即咬边。受此因素影响，焊接母材金属接头工作截面明显减少，咬边部位出现应力大量集中情形，造成接头强度水平下降，在受载荷作用力影响的情况下极有可能产生裂纹与结构破坏的问题。目前在船舶管系焊接过程中，导致咬边现象产生的因素包括焊接速度过快、填充金属不充分、电焊电弧拉得过长以及焊接电流过大等9-10。3.3 夹渣夹渣的产生是受到焊接过程中炉渣的影响，在焊缝金属中导致残余物的产生。受夹渣因素的影响，焊接接头的韧性以及延展性会发生明显的下降与改变。尖角渣的产生会造成焊接过程中应力大量集中，致使裂纹问题频繁发生，并在熔渣上形成巨大压力。导致此问题产生的原因众多，包括焊接前清理效果不佳、焊接材料选择不当、焊缝边缘残留熔渣以及焊接电流过小等因素。3.4 裂纹裂纹是焊接过程中，船舶管系焊接区域所呈现出的局部金属破裂问题。焊缝金属自熔化至冷却凝固的全过程涉及到热膨胀与冷收缩 2 个方面的变化。受冷收缩应力的影响，以及焊缝金属显微组织自高温至低温变化过程中所产生组织应力的影响，导致焊接部位温度差异较大，热应力等应力共同作用超出材料屈服强度，致使塑性变形问题产生，最终超出焊接材料强度极限并导致裂纹病害的产生。此类问题通常出现在焊缝金属内外部或焊缝周边母材热影响范围内，导致焊接接头强度水平大大降低11。3.5 未焊透、未熔合焊接过程中，常常出现焊接接头根部未完全熔合或焊接管件边缘受热熔化不充分的问题，导致熔敷金属与焊接管件边缘的熔合不稳定。未焊透常出现在单面焊的根部和双面焊的中部12。运条速度太快、焊条角度不当或电弧发生偏吹、坡口角度或对口间隙太小、焊件散热太快、熔渣以及氧化物的存在均会导致金属间熔合反应受到影响，最终造成未焊透问题的产生。4 船舶管系焊接技术应用4.1 船舶管件车间焊接船舶建造施工期间所涉及到的管系管件是指在车间内完成焊接生产作业，然后运输至船体分段、总段进行组合焊接处理的一系列关键半成品。车间焊接作业的完成，意味着管件配件具有装配难度低的优势，且能够将自动焊管设备以及辅助焊装设备的功能最大限度发挥出来，即便采取手工焊接作业处理，也同样能够确保焊接质量达到理想状态。4.2 船舶管件现场焊接船舶建造施工期间的现场焊接技术是指直接在船体张守强：高效焊接在船舶管系制造中的发展及应用船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 70 分段、以及总段施工现场进行焊接加工作业。一般情况下，管件现场焊接接头采用的是管-管对接，但可能受焊接位置影响，为减轻焊接工作量以及工作强度，同时保障焊接质量达到理想状态，可以重视对自动焊管机的合理应用。在船舶建造期间，管件焊接加工常涉及到以下几种焊缝类型：1）管-管对接焊缝，2）管-法兰对接焊缝，3）管-管多通对接焊缝。无论是对于分段还是总段管系而言，在现场安装的过程中应用最为广泛的自动化电弧焊管设备以全位置自动焊机为主，能够实现全位置条件下对固定管接头的自动化焊接，是具有良好焊接质量与工作效率的自动化电弧焊接装备。在焊接过程当中，被焊接的对接管接头自身无旋转动作，仅 TIG焊枪以管接头坡口中心线为标准进行 360以上旋转，通过此种方式，意味着相对于管表面，焊枪可能产生多种焊接位置与状态，包括仰面焊焊位以及立向上焊位等。受焊接对接管接头环形焊接接缝因素的影响，焊枪可处于多种焊位下，因此可通过对全位置焊管机的合理应用，确保焊接接头以匀速状态绕管进行旋转，同时将保护气体、填充焊丝依据冷却水接通至焊头对应部位，如图 1所示。图 1 轨道钢圈螺钉推紧爬行小车式焊管机示意图在此基础之上，为了确保焊接质量达到理想状态，同时满足弧形焊接工艺的要求，在焊接过程中还要求焊头根据实际情况进行横向摆动。此过程中涉及到大量电缆线、气管以及导线通往焊管机。为满足“三通”要求，在焊接过程中必须对焊管机所接通的电缆线以及气管等进行合理布置。此过程中需要注意的一点是，焊管机的体积与被焊管的管径存在一定的对应关系，一般情况下焊管机体积越小，意味着被焊管管径相对较小，同时对机电一体化系统精度要求以及焊管机自身灵活性要求更高。5 结语新时期船舶建造行业面临的挑战非常严峻，国际市场竞争关系进一步加剧，国防建设任务相当繁重。对于船舶建造企业而言，在深化改革的背景下也给船舶制造焊接带来了全新的机遇与挑战。虽然近年来在高效焊接工艺技术的推广方面取得了一定的进展，但在新时期下积极更新思路，促进焊接质量提升，缩短制造周期，控制生产成本仍然是船舶建造企业面临的关键课题。我国船舶制造行业起步较晚，在相当长的一段时间内处于相对滞后的状态，高效焊接技术的推广应用面临一定的阻力，相关人员必须加大对船舶管系焊接技术的发展与优化力度，在这一背景下随着船舶制造模式转换进程的加速推进，船舶制造企业与高等院校、研究机构与焊接设备以及焊接材料制造单位的合作关系将更加紧密，共同促进船舶制造行业焊接的自动化以及机械化进程，为我国船舶建造强国这一发展目标的实现提供动力与支持。参考文献：1 彭奇平.基于复合传感器的焊接机器人在船舶焊接中的应用J.新型工业化,2022,12(6):91-96.2 胡浩,高飞,邹家生.焊接机器人在船舶建造中的应用与发展 J.金属加工（热加工）,2021(1):1-6.3 高智慧,仇凤平,郑向宇,等.船舶上层建筑铝合金分段焊接量控制要点 J.造船技术,2022,50(3):89-92.4 杨颖,苏翔,王志英,等.基于灰色关联度的船舶分段焊接定额工时估算方法研究 J.中国造船,2021,62(2):236-244.5 陆燕辉,刘华.船舶小组立复杂结构智能焊接装备应用方案J.造船技术,2021,49(2):78-83.6 朱若凡,聂加俊,郑惠锦.基于 MySQL 和 BP 神经网络的船舶焊接专家库软件研发 J.造船技术,2021,49(4):27-32.7 胡晓轩,甄希金,朱琦,等.深度迁移学习下的船舶焊接表面缺陷智能检测系统 J.造船技术,2021,49(3):84-88.8 聂勇军,刘志军,唐振宇.应用 ISight 的船舶中大型弯管环焊缝焊接协同控制系统 J.舰船科学技术,2021,43(20):214-216.9 江泽新,马金军,郑